肖益盖 杨新华 王 星

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.安钢集团舞阳矿业有限责任公司)

某铁矿井下开采岩移对地表铁路的影响分析*

肖益盖1,2，3杨新华4王 星1,2，3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.安钢集团舞阳矿业有限责任公司)

铁路紧邻某铁矿地表矿区东侧穿过，距离矿区采矿权边界约161 m。为论证地下开采岩移对地表铁路的影响，建立了矿山开采三维数值分析力学模型和地表变形数值模型，根据浅孔留矿全面法和浅孔房柱采矿法的特点及矿山下行式和后退式的回采顺序，采用有限差分程序，以自重应力场为主，计算分析了矿山开采扰动下的采场与围岩地压活动规律、地表变形规律及对地表铁路的影响。由地表铁路所在处的倾斜值、曲率值和水平变形值，验证了井下开采岩移对地表铁路的影响符合设计规范要求，为矿山安全开采提供了依据。

井下开采 三维数值模拟 岩移 主应力 地表变形值

某铁矿位于松山群杨家桥组下段顶部，上部为绿泥磁铁石英岩，中部为磁铁石英岩，下部为磁铁镜铁石英岩。矿体直接顶板为含磁铁绿泥千枚岩，底板为磁铁绢云千枚岩。矿层产状与总体构造一致，总体走向北北西～南南东，并自北北西向南南东方向倾伏， 倾角 20° ～ 35°，总体约 25° 。矿体厚度1.5～6 m， 平均 3.5 m。设计地下开采，采用浅孔全面留矿法和浅孔房柱法。设计中段高度为20 m，分80，60，40，20，0，-20，-40，-60，-80 m 等9个中段，矿房长度50 m，宽度为矿体厚度。

矿区位于分宜县原松山镇以北3 km处，分宜～文竹铁路紧邻矿区东侧穿过，距离矿区采矿权边界约161 m。为论证井下开采地表岩移对铁路的影响，建立了矿山开采三维数值分析力学模型，采用有限差分程序，以自重应力场为主，分析计算了矿山开采扰动下的采场与围岩地压活动规律及地表变形规律。

1 三维数值模型的建立

根据矿体顶底板围岩性质及矿体性质，在数值模拟过程中所用力学参数见表1。

表1 矿岩物理力学参数

结合矿山的工程地质条件、矿体赋存条件及拟用采矿法的特点，为完全模拟开采过程、顶板围岩受采动影响的过程以及开采时对地表铁路的影响，以该矿47～50勘探线为建模的基础数据，沿矿体走向采矿作业进行数值模拟。模型长870 m，宽800 m，高335 m，分为254 734个单元，376 130 个节点，见图1。

图1 地下开采数值计算模型

2 数值模拟分析

2.1 模型边界条件[1]

由于计算模型的尺寸已经考虑了采场开挖后的影响范围，故而只需于模型前后、左右及底面施加约束即可。将模型前后及左右方向均施加水平方向约束，底部施加垂直方向的约束，顶面为自由面。

2.2 数值模拟步骤

深部回采过程中采场稳定性和地表动态响应的影响因素很多，一般主要有矿岩赋存环境、采场结构参数、开采方式、开采顺序以及开采扰动等。数值计算按以下步骤进行。

(1)根据自重应力形成初始应力场，使模型达到初始应力平衡状态。

(2)按照初步设计中的浅孔房柱法和浅孔留矿全面采矿法，在模型达到初始应力平衡状态后构建采场开采模型。矿体平均倾角25°，平均厚度3.5 m，采场沿走向布置，中段高度20 m，顶底柱厚度3.0 m，采区间矿柱宽5.0 m，房间矿柱中心距15～25 m。

(3)按照浅孔房柱法和浅孔留矿全面采矿法进行地下开采数值模拟。在前一步开采计算基础上连续进行计算，并且逐步向上推进，反映了前步开采对下一步开采的叠加效应，同时记录开采时的围岩应力和位移状态。

2.3 地下开采数值模拟分析

根据浅孔留矿全面法和浅孔房柱采矿法的特点以及矿山下行式和后退式的回采顺序，开展地下开采时的围岩应力、塑性区变化、位移对地表铁路的影响分析。

2.3.1 三维数值模拟计算各中段应力变化

根据三维数值模拟计算，开采第一中段时围岩最大主应力和最小主应力分布见图2,当开采至第五中段时围岩最大主应力和最小主应力分布见图3,开采至最后第九中段时围岩最大主应力和最小主应力分布见图4。

图2 第一中段回采后主应力

图3 第五中段回采后主应力

图4 第九中段回采后主应力

通过地下开采数值模拟计算，得到了矿体回采过程中的应力状态参数。采矿活动明显扰动了原岩应力分布。在后退式回采过程中，次生应力呈现动态变化，并向中央聚拢，在矿房两边呈现似层状分布，在采区间的矿柱和顶底柱的交互点出现应力集中现象。最大主应力从开始回采时的9.71 MPa增大到回采结束后的25.80 MPa。

2.3.2 三维数值模拟计算各中段回采后位移变化

根据三维数值模拟计算，第一中段回采结束至最后一个中段第九中段回采结束后，位移变化分布见图5。

图5 各中段回采后位移云图

通过采数值模拟计算，采场最大位移从第一中段的3.88 mm增大到第九中段的17.53 mm，但在回采计算结束后均趋于定值。另外，根据塑性区云图显示，当进行至第四中段(+20 m中段)回采时，在采场上盘出现了局部拉伸塑性屈服区域，在计算结束后并没有退出屈服状态，但未见塑性区贯通。

2.4 地表变形参数

在开采范围的地表上进行了25组数据监测，其中8#点为分宜—文竹铁路所在处，距离矿体开采范围161 m。

通过地下开采数值模拟位移计算，当进行至-60 m 中段矿体回采结束后，得到了矿体回采过程中的地表变形参数。不同回采阶段地表监测点的下沉值变化及水平位移值变化见图6。

根据图6可知，不同回采阶段所引起的地表变形值各不相同，第一个中段回采时所引起的地表变形值最小，后续回采步骤叠加了前面回采的变形值，所以当下行式回采至最后中段时，地表变形值达到最大值，最大的地表下沉值为6.07 mm，最大地表水平移动值为1.33 mm。

图6 不同回采阶段地表监测点位移值

分别计算监测点的倾斜值、曲率值和水平变形值[2]，以确定对于缓倾斜矿体开采引起的地表铁路附近的地表变形。

倾斜：

(1)

曲率：

(2)

水平变形：

(3)

根据数值模拟结果计算，得到地表铁路所在处(8#监测点)的倾斜值、曲率值和水平变形值，见图7。

图7 不同回采阶段铁路附近地表监测点(8#点)的变形值

根据铁路附近8#监测点的数据分析可知，当进行地下第二中段回采作业时，铁路附近地表便会产生变形，并且随着回采步骤的进行而逐渐增大，当回采至最后-60 m中段时，铁路附近地表的变形值趋于一定值，即倾斜为-0.012 3 mm/m，曲率为-0.023 8×10-3m，水平变形为-0.004 mm/m，地表变形值均小于设计规范规定的允许值[3](倾斜：i=±3 mm/m；曲率：K=±0.2×10-3m；水平变形：ε=±2 mm/m)。

3 结 论

通过对某矿浅孔房柱法和浅孔全面留矿采矿法回采进行的数值模拟，着重对矿体回采时对地表分宜—文竹铁路的影响分析，得出了以下结论：

(1)根据数值模拟结果，采用初步设计中的浅孔房柱法和浅孔留矿全面采矿法时，分宜—文竹铁路附近地表变形参数为：倾斜-0.012 3 mm/m，曲率-0.023 8×10-3m，水平变形-0.004 mm/m，均小于设计规范允许值，由此可见井下开采岩移对地表铁路的影响在允许范围以内。

(2)根据矿山资料，矿权范围内的矿体主要集中在-60 m水平以上，本次数值模拟依据勘探线剖面图进行了-60 m中段以上矿体的回采分析，随着开采深度的增加和采矿作业范围的扩大，对地表的影响将加剧，矿山应加强地表铁路附近的位移监测。

(3)在铁路两侧从事采矿、采石或者爆破作业，应当遵守有关采矿和民用爆破的法律法规，应符合国家标准、行业标准和铁路安全保护要求。

(4)通过三维数值模拟计算，对矿山的安全开采具有一定的指导作用，矿山在生产过程中应严格控制采场参数及开采边界。

[1] 杨家冕.数值模拟在分层充填法采场参数选择中的应用[J].金属矿山，2013(3):6-8,89.

[2] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，2000.

[3] 中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50771—2012 有色金属采矿设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

Analysis of the Influence of Underground Mining Strata Movement in a Iron Mine to the Railway on the Surface

Xiao Yigai1,2,3Yang Xinhua4Wang Xing1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3. Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.; 4. Wuyang Mining Co.,Ltd.,Anyang Iron and Steel Group)

The surface railway of a iron mine is adjacent to the eastern part of the mining area, the distance of the surface railway to the mining boundary of the mining area about 161 m. In order to analyze the influence of the underground mining strata to surface railway, the three-dimensional mining numerical analysis mechanics model is established. According to the characteristics of the shallow hole shrinkage stoping method in an all-round way and shalow hole room-and-pillar mining method and the retreating mining sequence, the finite difference program that give priority to the gravity stress field to analyze the influence of the laws of ground pressure activities of stope and surround rock and surface deformation under the mining disturbance to the surface railway. Besides that, the values of tile, curvature and horizontal deformation of the area where the surface railway is located are also calculated. The research result show that the influence of underground mining strata movement to the surface railway is comply with the design specification requirements, therefore,it can provide some reference for mine safety production.

Underground mining, Three-dimensional numerical simulation, Influence of strata movement, Principle stress, Surface deformation value

2015-05-10)

*十二五国家科技支撑计划(编号：2011BAB07B02)。

肖益盖(1984—)，男，工程师，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。