郭二庄矿铁路下开采沉陷预计和实测分析研究.doc

郭二庄矿铁路下开采沉陷预计和实测分析研究 张成文 孙春东 魏新贤 尚继平 （邯郸矿业集团有限公司 河北邯郸056002） 摘要矿区铁路下开采引起地表和铁路变形，可能导致铁路无法正常运营甚至出现行车事故。本文应用FLAC3D软件，对郭二庄煤矿铁路下22208工作面煤层开采后的上覆岩层和地表移动和变形进行了数值模拟预计，模拟预计了地表和铁路的变形，现场开采设计以此依据。沿地面铁路线布置测站对地表和铁路移动进行了实测，实测结果与模拟结果相吻合。 关键词FLAC3D；铁路下开采；开采沉陷；数值模拟 0 引言 矿区地下开采引起地表下沉、变形，会导致通过采空区上部的铁路发生移动和变形[1]。其也将引起路基上部轨线和设施移动变形，导致铁路无法正常运营甚至出现行车事故[1]。我国的许多矿区从20 世纪60 年代就对铁路下压煤的开采进行研究与试验，并取得了成功经验[2]。采用FLAC3D对煤矿开采沉陷进行数值模拟，该方法以岩石力学理论为基础，以煤岩物理力学参数和地层构造特性为计算依据，无需作任何假设或确定某些关键参数，从而克服了经典预计方法的不足[3、4]。本文针对郭二庄煤矿22208工作面的具体条件，对铁路下开采引起的地层沉陷进行了数值模拟，为开采提供了依据。 1 研究区概况 Fig. 1 conditions of mining under railway 郭二庄煤矿22208工作面走向长2125m，倾斜长度为150m，煤层平均厚度为1.6m。沙河午汲铁路位于22208工作面的上方，铁路在该采区的长度约1.08km，煤柱开采上限标高为-350m，下限标高为-435m，平均采深为620m，见图1。 2 数值计算模型 根据郭二庄煤矿22208工作面顶底板赋存条件和开采条件建立了郭二庄煤矿铁路下开采数值模拟模型，煤岩层倾角按实际倾角部分22和16模拟，最终确定模型的外形尺寸为1200m600m640m，共划分了376620个单元和402184个节点。 模型侧面、四端固定水平运动，底端固定垂直运动。 模型模拟的煤岩层物理力学参数基本是按岩石力学试验测定数据确定，无法得到的煤岩参数按统计平均数据确定。 3 数值模拟结果及分析 根据建立的数学模型，首先根据煤岩层物理力学参数及模型边界条件计算初始应力场，然后在初始应力场的基础上按开采顺序逐一模拟开挖。最终模拟结果见以下图形曲线。 根据相关理论研究及开采实际经验判断，铁路下煤柱的开采将会对铁路及地表变形产生一定的影响。为能全面预计开采造成地表沉陷的影响，针对郭二庄煤矿铁路下煤柱的地质条件，对铁路下煤柱开采的FLAC3D模拟结果进行了具体详细的分析 Fig.5 Level movement curve of surface along railway Fig.6 Level movement curve of surface along railway vertical direction Fig.4 Grid graph of surface vertical deation Fig.2 Settlement curve of some measurement points reported by numerical simulation Fig.3 Tendency graph of surface vertical deation （1）图2可以看出开采初期测点的下沉速度较快，变形急剧，随着开采的进行，测点下沉速度逐渐减小并最终达到稳定。利用软件内嵌Fish语言编制查询节点信息,可以获得地表最大下沉值为741mm。 （2）图3可以看出移动盆地的急剧变形区集中在最大下沉点周围x方向200m、y方向85m。并且铁路约有156m经过该区域，所以在开采过程中要重点加强该区域的铁路观测和修复，保证列车的正常运行[5]。 （3）图4可知下沉区域在地表形成一个近似椭圆的盆，长轴与煤层倾斜方向平行，短轴与煤层走向平行。同时地表沉陷的最大点是模型的（600，270，620.651）节点处，该点与普通的缓倾斜煤层开采条件相比向地标高采空区移动的多，主要是由于该煤柱局部煤层倾角较大且地表沉陷影响区面积达到了306150m2。 （4）分析图5和图6，可知沿着铁路方向主断面的水平移动数值在242～-200.64mm之间，垂直铁路方向主断面的水平移动数值在265.1～-265.1mm之间。垂直铁路方向的水平移动对铁路的正常使用影响较大，所以必须在开采期间及时进行铁路修复。 （5）经计算沿煤层倾向方向移动角，上山侧为72.12，下山侧为57.8。 4 数值模拟与实测结果比较 4.1地表移动实测 在22208工作面地面沿沙午铁路线设线状普通观测站，要求观测期间不受临近开采的影响。测站共设置工作观测点43个，观测线的长度1100m，见图7。观测站观测历时一年零六个月，共进行全面观测 4 次。地表受采动影响期间，对现场还进行了多次实地巡察，并做了描述和记录，获得了大量详实的地表移动观测资料。 图7 铁路观测站布置示意图 表1 最终地表下沉数据 点号 下沉值 （mm） 点号 下沉值 （mm） 点号 下沉值 （mm） 点号 下沉值 （mm） 1 0.00 12 -414.54 23 -586.95 34 -147.21 2 -22.26 13 -475.23 24 -532.14 35 -129.78 3 -49.56 14 -535.50 25 -476.28 36 -111.30 4 -78.12 15 -592.62 26 -421.05 37 -88.62 5 -107.94 16 -641.76 27 -369.18 38 -68.67 6 -140.07 17 -680.61 28 -323.61 39 -51.03 7 -175.35 18 -706.02 29 -283.08 40 -32.76 8 -213.57 19 -714.00 30 -248.01 41 -17.22 9 -256.20 20 -702.87 31 -217.77 42 0.00 10 -303.45 21 -675.36 32 -190.26 43 0.00 11 -356.16 22 -636.30 33 -167.79 图8 最终地表下沉观测曲线 根据实测资料分析，地表移动从小到大，在时间和空间上都是连续渐变的，由于本工作面采深已达600m，最终稳定后移动盆地范围很大，产生变形很小，最大下沉值714mm，其形成的移动盆地是极为平缓的。 4.2 模拟结果与实测结果比较 数值模拟结果地表沉陷最大值是741mm，地表沉陷的最大点是模型的（600，270，620.651）节点处，岩层移动角，上山侧为72.12，下山侧为57.8。垂直铁路方向的水平移动对铁路的正常使用影响较大。 最终实测地表下沉盆地主要参数如表2 表2 下沉盆地主要参数 最大下沉值 （mm） 下山边界角 β0 上山边界角 γ0 影响半径 （m） 拐点平移距 （m） tgβ R下 R上 S下 S上 714 58 73 311 246 6.4 4.4 2.1 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个较为复杂的时间和空间过程。对比分析实测的地表-铁路变形和FLAC计算结果，地表沉陷最大值分别是714mm和741mm,上山边界角分别为73和72.12，下山边界角分别为58和57.8，模拟结果的主要参数与实测基本吻合，差值很小。数值模拟能真实地模拟现场地质条件，在最初的开采论证和设计中得到应用。在铁路下采煤对地表和铁路的影响不是很大。线路的移动和变形通过及时维修完全可以保持良好状态。 5 结论 （1）FLAC3D数值模拟无需作任何假设和确定一些关键的参数，是建立在客观反映原型和模拟开挖过程、力学效应的基础上的，能够准确地预计开采引起的地表变形，预计结果显示直观清晰。 （2）数值模拟结果与实测结果基本吻合，是三下采煤地表下沉预计的一种有效方法，其成果可作为开采论证和设计的依据。 （3）模拟成果在郭二庄煤矿实际生产中得到应用，解决了铁路下开采的技术难题，具有借鉴和推广价值。 参考文献 [1] Wang Xi fu, Zhu De ming, Ren Zhan ying. Study on the forecasting and maintenance system of special railway subsidence in mine area. Journal of Coal Science Engineering, 2003,9385-89in Chinese [2] 何国清，杨伦，凌赓娣等．矿山开采沉陷学[M ]．徐州中国矿业大学出版社，1991． [3] 吴 侃,葛家新,王玲丁,等. 开采沉陷预计一体化方法. 徐州中国矿业大学出版社,1979. 190～195 [4] 高明中，余忠林．煤矿开采沉陷预测的数值模拟．安徽理工大学学报（自然科学版），2003，23（1）11-16． [5] 谢和平．FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J ]．岩石力学与工程学报, 1999 , 18（4） 397～401． [6] 王金庄，邢安仕，吴立新．矿山开采沉陷及其损害防治[M ]．北京煤炭工业出版社，1995． 张成文（1961 ），男，河北省蔚县人，冀中能源集团副总经理，长期从事煤矿生产与经营管理工作