高速鐵路沿線陡深螢石礦采空區變形分析

李 立

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

采空區開采時,地下水位變化將引發圍巖有效應力、附加應力和孔隙水壓力的改變[12-13],抽水結束后,各土層沉降持續發展,且增幅較大,滯后效應顯著,易導致地面塌陷等不良地質現象。 因此,有必要研究地下水位變化對采空區內部受力機理和外部變形特征的影響。 近年來,部分學者對鐵礦、煤礦等開采后地下水位變化規律和地下水位變化對礦區穩定性的影響開展了系統研究。 王靈敏等對某鐵礦采空區地下水流進行三維數值模擬,研究采空范圍內礦井抽水引起的地下水動態變化特征[14];唐莉等探討某煤礦采空區裂隙與產匯流之間的關系,并建立適用于煤礦采空區特殊下墊面的水文模型[15]。

現階段,采空區評估過程中,地表移動盆地范圍劃定尚無固定方法,評估時人為主觀影響因素較大[16]。對于開采深度較大、礦體傾角較陡的采空區,基于開采底板繪制移動盆地邊界時,最外側邊界和危險移動邊界可能位于礦體開采范圍內,這與常規認知不符。 故而需探討地下水位變化對傾角較陡、開采深度較大的螢石礦開采后礦區周圍土體受力變形的影響,以及礦體開采對周圍構(建)筑物的影響范圍。

某新建高速鐵路附近有螢石礦開采,通過現場調查、資料收集、物探等綜合手段,查明采空區工程地質條件和開采現狀,利用數值模擬的方法揭示抽水時陡深采空區的受力變形變化規律以及礦體開采對周圍建(構)筑物的影響邊界,并將其與移動盆地法計算結果進行對比,以期對陡深螢石礦開采的影響評估提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 礦區地質概況

某螢石礦地處兩鎮交界處,其中開采工作面距離鐵路較近,可能對鐵路工程造成影響。 礦區西側緊鄰高速公路,附近有少量的居民居住區。 鐵路線路、高速公路與礦區相對位置見圖1。

圖1 螢石礦相對位置及大地構造位置

礦區屬剝蝕丘陵地貌及丘間谷地,地形起伏較大。根據測繪資料及鉆探成果,主要巖性為第四系坡殘積層粉質黏土、白堊系上統下部泥質粉砂巖和砂巖、燕山期早期第一階段花崗巖。

該礦區位于華南褶皺系之贛南—粵北凹陷和武夷隆起接合部,線路所經過礦脈受控于河源—邵武深斷陷帶東翼之瑞金—尋烏深斷裂,近似呈北東向,斷層走向約55°,沿走向多組次生斷層平行展布,高陡角度產出于白堊系砂巖地層中,受控于深層熱液沿斷裂破碎帶充盈產出形成螢石礦,螢石礦床大地構造位置見圖1。

基巖裂隙水主要賦存于下白堊系上統泥質粉砂巖基巖裂隙中,透水性差,含水量貧乏,主要接受大氣降水和上層孔隙水滲透補給,向更低河流排泄基準面徑流排泄。

以與高鐵水平距離較近的5 個礦區中開采范圍最大的螢石礦(后文稱之為M 礦區)為主要研究對象,該礦區開采底部高程為-100 m,新建高鐵以橋梁形式通過該礦區。

1.2 礦區開采情況

采用地質調查、采空情況走訪和物探等手段,基本查明了采空區開采現狀和開采對周邊環境的影響,物探測線布置見圖2。 調查與走訪結果發現,礦區內和礦區周圍分布民房,西側為高速公路,礦區內和周圍零星分布水塘,民房與高速公路均未發現較大沉降與開裂,水塘水位沒有明顯下降。 采空區沿礦脈所處斷裂走向呈條帶狀展布,礦脈寬2~12 m。 螢石礦礦體平面位置見圖2。

圖2 M 礦區物探測線布置

結合測線2 物探結果,繪制A-A′斷面工程地質(見圖3)。 物探結果揭示,采空范圍與現場調查和資料收集獲取的采空區邊界一致,進一步驗證M 礦區沿礦脈開采,礦脈傾角約60°。

采空區中段開采情況如圖3 所示。 礦區采取由淺至深、逐級臺階開采、豎井提升的方式作業,各開采中段間保留2 m 保護礦柱。 以采區140 中段為例,主要開采140~168 m 高程礦體。

2 理論計算

根據M 礦區采礦許可證范圍,該螢石礦開采高程為-100~238 m,采空區所在位置地面平均高程為230 m,故開采最大深度約330 m,M 礦區-100 m 高程處距離鐵路約987.53 m。

依據《鐵路工程不良地質勘察規程》[17]與《鐵路工程地質手冊》[18]關于移動盆地的預測,地面影響區半徑為

式中,r為地面影響區半徑;H為開采深度;B為移動角,其正切值一般在1.5~2.5 之間。

采空區礦層傾角為60°,按照古生代石炭二疊系急傾斜開采方法的移動角計算公式,下山方向,移動角取47°,邊界角取41°。 采空區穩定性分析剖面見圖4。計算得采空區移動邊界距線路680.32 m,影響邊界距線路608.54 m,考慮20 m 圍護帶寬度,則圍護帶與線位中心距離為588.54 m。

圖4 采空區穩定性分析剖面示意(單位:m)

3 數值模擬

3.1 模型建立

為簡化模型,突出螢石礦沿斷層發育的礦體特征,利用FLAC3D 有限差分軟件建立平面應變模型,所建區域模型長1 500 m,寬5 m,高400 m。 礦體底部距模型底部60 m,礦體高330 m,傾角為61°,發育于斷層角礫巖中。 螢石礦開采范圍投影至地面長180 m。 根據現場收集的采空區開采中段高程資料,在各開采高程間模擬高2 m 的保護礦柱。 所建模型見圖5。

圖5 螢石礦模型示意(單位:m)

根據前期鉆探資料,區域上層為泥質粉砂巖(35 m),下伏砂巖,巖土體滿足Mohr-coulomb 本構模型。 結合試驗資料及相關經驗,選取本次計算的地層和礦體參數(見表1)。

表1 各地層物理力學參數

分別建立考慮與不考慮地下水作用的采空區模型,2 種工況下,采空區周邊1 倍采空區直徑范圍內圍巖強度和黏聚力均折減0.5 倍[19]。 當考慮采空區地下水作用時,地下水位以實測水位為依據,于采空區開采最低高程(-100 m)處抽水,抽水點單位流量為55 m3/h。

模型于左右兩側施加x方向約束,前后兩側施加y方向約束,滲流邊界根據計算工況按照水頭邊界處理;底面設置x、y、z方向約束,為不排水邊界;上端自由,為自由排水邊界。 上述邊界在抽水過程中保持恒定。

3.2 模型驗證

距采空區最近高速公路寬32.4 m,螢石礦開采后,高速公路地表傾斜為0.001 6 mm/m,遠小于《公路路基設計規范》規定公路采空區地表傾斜變形容許值3 mm/m[20]。 結合現場調查結果,濟廣高速未發生較大變形與開裂,因此,數值模擬結果符合現場調查情況。

3.3 計算結果分析

(1) 地表變形

考慮和不考慮地下水作用時,采空區開采后地面沉降曲線見圖6,考慮地下水作用時,自模型左側邊界至螢石礦礦體地面沉降逐漸增大,在距礦頂左側76.09 m 處地面沉降最大,達39.3 mm,而后地面沉降呈現斷崖式減小,距礦頂左側40.59 m 處地面沉降最小(僅1.01 mm),隨著遠離開采區,地面沉降逐漸增大并趨于穩定,鐵路線位處地面沉降為5.74 mm。

圖6 地面垂直位移曲線

不考慮地下水作用時,地面沉降變化規律與考慮地下水作用時相似,在距礦頂左側76.09 m 處地面沉降最大,為18.9 mm,隨著靠近鐵路線位,地面出現輕微上拱,最大上拱值為4.13 mm,鐵路線位處地面沉降為0.02 mm,遠小于考慮地下水作用時的沉降,表明不考慮地下水作用時,礦體開采對地表影響較小。

考慮地下水作用時,地面沉降大于不考慮地下水作用,這是由于抽水將改變地下水流場,抽水點附近土體孔隙水壓力減小,有效應力增大,土體壓縮變形,該變形傳遞至地面導致地面沉降增大。 礦體開采范圍內地面垂直位移遠大于開采范圍外,可將采空區上壁視為梁結構,兩端受圍巖支撐,因此礦區中部受拉應力易發生拉伸破壞,產生較大變形。

不考慮地下水作用時,地面沉降在距礦體底板480.1 m 范圍外變形趨于穩定。 考慮地下水作用時,地面沉降在距礦體底板632.0 m 范圍外變形趨于穩定。 連線地面沉降穩定點與礦體開挖最低點,繪制危險移動邊界(見圖7)。 不考慮地下水作用時,移動角為35°,考慮地下水作用時,移動角為28°,均小于移動盆地法計算的移動角,且考慮地下水作用時,礦體開采對地面變形的影響范圍大于不考慮地下水作用時。

圖7 危險移動邊界示意

(2)礦體變形

考慮和不考慮地下水作用時,不同開采中段頂部沉降量見圖8。

圖8 不同開采中段頂部沉降量

由圖8 可知,考慮和不考慮地下水作用時,不同開采中段頂部沉降量隨高程變化規律一致。 靠近地表處開采中段頂部沉降最小,分別為7.78 mm 和3.01 mm,開采中段頂部沉降最大,分別為54.7 mm 和26.1 mm,而后隨開采高程減小,開采中段頂部沉降逐漸減小。因此,陡傾螢石礦開采時,應重點監測第二開采中段頂部沉降,并加強該處支護,防止出現冒頂等現象。

(3)孔隙水壓力變化

采空區開采前后,礦體圍巖孔隙水壓力曲線見圖9。 開采前,土體孔隙水壓力隨距地面距離線性增大。采空區抽水并開采后,圍巖孔隙水壓力存在兩處峰值,一處位于采空區中部,為308.9 kPa,另一處位于采空區底部,為561.1 kPa。 距地面越遠,土體孔隙水壓力降幅越大。

圖9 礦體圍巖孔隙水壓力曲線

考慮地下水作用時,采空區開采后孔隙水壓力云圖見圖10。 可以看出,采空區抽水并開采后,礦區所在位置存在明顯孔隙水壓力漏斗,礦體周圍孔隙水壓力低于同一深度處其他位置孔隙水壓力,這是由于采空區開采形成的空腔給孔隙水提供了導水通道,采空區周圍孔隙水壓力易消散。

圖10 孔隙水壓力云圖(單位:kPa)

4 結論

(1)抽水將改變地下水流場,增大地面沉降。 考慮地下水作用時,鐵路線位所在位置地面沉降為5.74 mm,對鐵路工程影響較小。 礦體開采范圍內地面垂直位移遠大于開采范圍外,礦區中部易發生拉伸破壞,產生較大變形。

(2)對于開采深度較大、礦體傾角較陡的采空區,基于移動盆地法計算的移動角較大,且考慮地下水作用時,礦體開采對地面變形的影響范圍大于不考慮地下水作用時。

(3)陡傾螢石礦開采時,應重點監測第二開采中段頂部沉降,并加強該處支護,防止出現冒頂等現象;距地面越遠,土體孔隙水壓力降幅越大;采空區開采形成的空腔給孔隙水提供了導水通道,采空區周圍孔隙水壓力更易消散。