重载铁路压覆煤炭资源开采地表沉降机理

张 凯

（1．中国矿业大学，江苏 徐州221008；2．冀中能源集团邢矿集团，河北 邢台054021）

冀中能源集团邢台矿区的村庄及铁路下压煤量数亿吨，为提高煤炭资源回收率，在地表地质条件和采矿条件简单的地段已进行了铁路下开采。

近年来，随着煤炭资源开采强度的加大，赋存在村庄和铁路之下的煤炭储量比例逐年提高，而大采高开采引起的地表沉陷给铁路运输安全带来了严重威胁，如何科学的预测地表沉降规律，为铁路工程加固提供依据成为铁路下煤矿开采的重要课题。

矿区采空区地表沉降是一个长期的复杂的非线性过程，有效的预测沉降方法仍然处于探索阶段，预测理论主要是改进的概率积分法和影响函数的方法，通过建立三维空间的力学分层传递体系，采用唯象学的方法得到地表沉降公式和地表沉降曲线，该方法在分层开采条件下预测地表沉陷取得了较好的效果［1－5］。

目前铁路、公路、输电线等下伏煤炭资源开采取得了较大的进展，许多专家学者进行了科学研究，取得了很多成果。孔祥利设计优化了井下工作面的开采方案，采取了科学的维护措施，保障了铁路保护煤柱的安全开采［6］；李海洲、杨天鸿采用有限元软件Comsol Multiphysics对不同开采方案引起的公路地表的沉降进行了数值计算，效果较好［7］；周泽、李青锋通过地表沉陷预计对铁路保护煤柱的进行了设计，有效地控制了地表变形，既保证了煤炭资源的采出，又保障了铁路的安全运营［8］。赵军运用FLAC3D数值模拟软件，对工作面上方受开采影响的铁路进行了数值模拟，设计了最佳的开采方案［9］；胡建军利用FLAC软件分析了矿区地表公路受空区群影响的沉降变形特点，较好地预测了最终地表沉降量［10］。

由于矿区地表沉降是一个长期的复杂的非线性过程，上覆地层岩层结构多变，工程地质条件复杂，目前的方法在解决地表沉降的非线性大变形方面遇到了很大的困难，近几年出现的ABAQUS软件能够方便地处理岩体工程中各种复杂的非线性问题，成为了当今岩石力学领域应用得较为广泛的数值模拟方法。

基于此，本文采用ABAQUS有限元分析软件进行采空区地表变形规律研究，以得出地表位移与移动速度和开采距离之间的关系，进而科学的预测地表沉降规律，分析铁路路基沉陷与列车之见的耦合关系，使铁路工程在开采条件下保持稳定，以达到充分利用地下矿产资源、解决制约煤炭产业发展的后备资源不足问题的目的。

1 工作面开采工程地质条件

工作面埋深410～500m，走向长度646～660m，倾斜长度100～143m，煤层总厚度约6m，煤层倾角2～12°，工作面为一单斜构造，仅有三条落差1m左右的断层，储量60万t。一次采全高。煤层厚度6m，工作面宽度为140m，开采方法为综采，一次采全高。岩层力学参数见表1。

表1 岩体力学参数表

2 工作面开采地表沉降数值模拟

2．1 数值模型的建立

考虑到矿山岩体的非均质、非线性等特点，以及ABAQUS软件便于处理复杂边界条件、能灵活地模拟岩土工程中复杂的施工过程等优点，选用ABAQUS软件进行数值模拟分析。

为了便于观测下沉情况，将会在铁路周围设立48个观测点，沿铁路线长2400m，煤层埋深350m。本模型采用三维建模，X与Y轴方向表示水平面，Z轴表示深度方向。X轴方向上取2000m，Y轴方向上取1000m，Z轴方向600m计算。假设每一步开采30m的长度。开采用20步完成。开采顺序为Y轴的负向，如图1所示。

图1 工作面开采数值模型图

边界条件假设为：底面上没有X、Y、Z方向位移；左右两面上没有X方向位移；前后两侧没有Y方向位移。层间完全连续。上顶面为自由面，底面为固定约束，左右前后面均施加法向约束。

在部件模块中绘制了各个地层的三维模块，在属性模块中对各个地层模块赋予岩层的各个参数，在组装模块中将各个地层组合为一个整体。对单元的网格划分单元型为C3D8R，为8节点六面体缩减积分单元。工作面共划分了7637个单元。图2为工作面的网格划分模型。

岩体的屈服准则采用扩展的D－P模型作为工程岩体的本构关系。

图2 工作面开采数值模型网格划分图

2．2 数值模拟结果分析

2．2．1 工作面X方向地表位移规律

由X方向的节点位移图可以得到以下结论：①开采结束以后X方向连续变化，X的移动方向在地表是对向移动；②正负移动最大值的绝对值基本是相等的，而且随着开采的不断进行，这个绝对值逐渐增大，从36mm增加到了204mm；③移动速度最大值约为5mm／d，随后移动速度逐渐减小，在开采结束时移动速度减小到1mm／d。

2．2．2 工作面Y方向地表位移规律

由图5、图6可看出，随着开采的不断进行，位移值是逐渐增大的然后减小，第15步开采后位移达到最大值135mm，在开采结束以后，位移的最大值为120mm。

图3 开采结束后X方向位移图／m

图4 工作面开采过程中X方向位移图

图5 开采结束后Y方向地表位移图／m

Y方向的移动速度是先增加后减小，从每一步移动5mm变为增加为17mm，从第15步开采以后逐渐减小，第15步开采时Y方向位移移动速度出现最大值，第16步开采结束以后速度为零值，在第20步开采结束以后速度变为负值。

2．2．3 工作面Z方向地表位移规律

工作面开采结束以后Z方向的位移如图7所示。

由图7可见，随着开采距离的增加，地表各点的沉降都逐渐增加，在开采200m以后，沉降已经影响到了铁路。在开采 100m、200m、300m、400m、500m、600m结束以后，地表的最大沉降分别大约为52mm、130mm、230mm、360mm、470mm 和575mm。

图6 工作面开采过程中Y方向位移图

图7 开采结束后Z方向位移图／m

图8 工作面开采过程中Z方向位移图

由图8可看到以下结论：自切眼开始开采至50m、100m、200m、300m、400m、500m、600m、650m时，其地表下沉分别为0mm、5mm、14mm、38 mm、68mm、120mm、188mm、267mm、359mm、442mm、522mm、581mm、627mm，其下沉速度在推进100m时为0．17mm／d，至200m时为1．2mm／d，当推至300m、350m、400m是下沉速度达到了2．6mm／d和6．8mm／d，至400m 时下沉速度最大为7．9mm／d，至450m时下降到3．06mm／d，开采结束后降至1．15mm／d，自此逐渐趋于稳定。

3 列车荷载与地表沉陷耦合作用数值模拟

列车的竖向的振动作用增大了采空区的沉降，路基变形增加，轨道的不平顺增强，列车的振动荷载与地表沉陷的耦合作用给铁路运营带来了很大的安全隐患。

分三种工况施加荷载，0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa，探讨不同荷载对开采后工作面地表沉降的影响。图9、图10分别为为采空区上方地表受力模型工作面3阶振型图，图10为不同列车荷载分别为0．5MPa、2．5MPa和12．5MPa时的工作面开采地表沉降图。

图9 工作面受力模型

图10 工作面3阶振型图／m

随着列车对轨道作用力的增加，地层的最大沉降值以及沉降范围都显著增加。由图11可看出，在荷载为0．5MPa时，仅有采空区上部的铁路出现了比较大的沉降。最大沉降值为800mm左右；在荷载为2．5MPa时，铁路沿线均出现了比较明显的沉降，最大沉降值为940mm左右；当最大荷载增加到12．5MPa时，除了铁路沿线外，地表均出现了比较大的沉降，最大沉降为1400mm左右，这时在铁路沿线会出现明显的三级台阶状沉降。

4 结 论

1）利用ABAQUS非线性有限元软件，建立了一次采全高综采工作面地表变形移动的三维数值模拟模型，进行了地表变形的时空动态预测分析，获得了地表下沉和位移分布规律。

图11 列车荷载对采矿区上方地表沉降影响图

2）随着开采速度的增加，地表沉降减小，所以在确保安全开采的前提下，应该适当增加开采速度以减小铁路沉降。

3）工作面上列车振动频率接近接近2．6Hz时，列车将和铁路产生共振。这时会给采空区上方地表造成比较大的沉降，所以在通过采空区地段应该控制列车的振动频率，以减少采空区上方的振动。

4）随着列车对轨道作用力的增加，地表的沉降显著增加，所以在通过采空区上方地段应减小列车作用力，以有效地控制铁路沉降。

［1］ 刘辉，邓喀中，何春桂，等．超高水材料跳采充填采煤法地表沉陷规律［J］．煤炭学报，2013（S2）：272－276．

［2］ 孙海涛．采动地表沉降时间函数的确定方法及其应用［J］．煤矿安全，2015（1）：210－213．

［3］ 王振伟，张青波，刘天苹，等．地下开采引起覆岩破坏的三维数值模拟研究［J］．煤炭科学技术，2013（S2）：127－130，133．

［4］ 袁长丰，袁子晋，刘世波，等 ．考虑节理几何特征的地表沉陷预计方法［J］．采矿与安全工程学报，2014（4）：126－129，136．

［5］ 吴盛才，徐鹏，贺跃光．高速公路下伏采空区地表变形预计及稳定性评价［J］．测绘科学，2012（2）：101－103．

［6］ 孔祥利．高路堤多桥涵铁路下采煤技术研究［J］．煤炭与化工，2014（1）：118－120．

［7］ 李海洲，杨天鸿，陈仕阔，等 ．孟家岗铁矿开采方案及地表铁路安全研究［J］．采矿与安全工程学报，2012（3）：90－94．

［8］ 周泽，李青锋．铁路下采煤保护煤柱设计［J］．矿业工程研究，2012（3）：23－27．

［9］ 赵军，查剑锋，李怀展．矿区铁路下采煤优化设计的数值计算方法［J］．煤炭工程，2014（8）：26－29．

［10］ 胡建军．基于FLAC的复杂空区对地表公路影响研究［J］．中国矿业，2014，23（2）：126－129．