铁路专线下综放开采地表沉陷规律_邓念东.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY Sur- face subsidence coefficient, the main impact tangent tanβ, maximum subsidence angle are 0.76, 2.78, 89. The total duration of surface movement is long, with the time of active period accounting for 58.7 and the subsidence amount in active period accounting for 89 of the total subsidence amount. Therefore, monitoring and prevention should be strengthened during active period. Keywords mining under railway; fully mechanized caving mining; surface movement and deation; surface subsi- dence law 迄今为止， 铁路压煤占我国主要大中型矿井“三 下”压煤量的 12[1]。研究表明，一般来说，当采深 采厚比大于 30 时， 采动引起的地表沉陷变形是渐变 的[2]，地表变形引起的铁路变形也是连续渐变的， 因此，可通过及时维修使铁路正常运营，这为铁路 下采煤提供了可能。国外对于铁路干线下采煤的实 践始于 20 世纪 50 年代，波兰采用水砂充填法开采 铁路下煤柱；德国通过对铁路自身的调整来实现， 例如井田内不铺设无缝轨道，通过多次起垫调整线 路坡度等；捷克利用风力充填减小开采对铁路的影 响[3]；我国铁路下采煤的试验研究工作，是从 1951 年峰峰矿区在铁路专用线下采煤开始的；兖州矿务 局兴隆庄煤矿开启了国内矿区铁路专线下综采放顶 煤的先河，此后，铁路下压煤的综放开采技术逐渐 推广开来[4]。但综放开采引起的地表变形剧烈，变 形速度快，变形量大[5]，加之铁路下采煤具有的特 ChaoXing 122 煤田地质与勘探 第 47 卷 殊性，到目前为止，对于铁路下综放开采引起的 地表沉陷规律、铁路变形的准确预测及维修等， 尚未形成系统性的指导理论。如果不采取相应的 技术措施，造成的损失将不可估量。据资料显示， 山西常村煤矿井田范围铁路专用线压煤达 3.5 Mt， 将严重影响井田的开拓开采与服务年限，并造成 资源的浪费[6]。常村井田具有煤层埋藏较深、松 散层较厚、煤层厚等特点，采煤方法为综采放顶 煤开采。本文通过研究综放条件下地表移动和变 形规律以及对铁路的影响，从而准确预计地表和 铁路的变形，为后续工作面的开采以及铁路的维 修治理提供理论基础。 1 工作面地质采矿条件 常村煤矿位于山西省屯留县东部，郭庄煤矿铁 路专用线从常村煤矿井田范围通过，据常村煤矿提 供的相关资料显示，影响郭庄铁路专用线运营的回 采工作面总共 7 个图 1，其中 S3-13 工作面已回采 完毕，2105 工作面正在回采，其他均未开采。为了 准确预测未采工作面采动过程中对铁路的影响，郭 庄煤矿在 S3-13 工作面布置了监测点，工作面与铁 路位置关系如图 1 所示。常村煤矿 S3-13 工作面从 2016 年 8 月开始回采，到 2018 年 4 月回采结束， 平均采深 487 m，煤厚 5.82 m，煤层倾角 13，工 作面走向长度 1 032 m，倾向长度 228 m。上覆基岩 主要为泥岩、砂岩以及砂质泥岩，该区属厚冲积层 覆盖区，第四系表土层厚度为 4895.9 m，平均约占 煤层上覆地层厚度的 14.3％。采煤方法为综采放顶 煤， 全部垮落法管理顶板， 工作面推进速度 3.2 m/d， 存在停采现象。 图 1 常村煤矿工作面与铁路位置关系图 Fig.1 Diagram of working faces and railway location 2 监测点布置与观测 郭庄煤矿在铁路专用线沿线主要在 S3-13工作 面开采范围内共布设了 57 个监测点，编号分别 为 157，控制点 3 个，编号分别为 k1、k2、k3， 地表岩移观测站共布设了一条走向观测线，测线长 度为 1 595.2 m，监测点布设情况见图 2。2016 年 9 月 14 日至 2018 年 6 月 22 日共进行了 28 次水准监 测，水准测量按四等水准测量的精度要求进行。观 测站设置和各观测工作均按煤矿测量规程及观 测站设计说明书的要求进行，各项观测成果的精度 符合规程要求，取得了真实可靠的观测数据。 图 2 监测点布置图 Fig.2 Layout of monitoring point sites 3 地表移动变形规律分析 随着工作面向前推进， 采空区的范围逐渐扩大， 在地表上则以下沉盆地的形态呈现，原有地貌发生 改变，地表标高、水平位置发生变化，从而对铁路 造成一定程度的破坏。 3.1 地表移动变形特征分析 通过对实测资料的整理，计算了不同采动时期 工作面上方铁路沿线地表的下沉值以及地表岩移观 测站最大移动变形值表 1， 并绘制了不同时期地表 下沉曲线图，见图 3。 由表 1 及图 3 可以看出，地表移动变形值较大， 移动变形剧烈，且变形分布集中。受开采影响，地表 下沉值逐渐增大， 并在一定时期后趋于稳定；最大下 沉值随工作面的推进向前平移， 并逐渐趋于稳定，最 终保持在 27 号监测点处。也就是说，地表的沉陷 变形是连续渐变的， 该过程符合开采沉陷的一般规 律[7-8]，后期开采中可以通过及时的维修来保证铁路 的正常运行。 由地表下沉曲线分析可知 地表沉陷变形在回采 中期表现较为明显，前期及回采后期变形较弱。 地表 移动变形在形态上表现为一个“碗形盆地”， 盆地内侧 曲线陡峭，下沉值较大，盆地边缘曲线平缓，下沉值 快速减小。 表 1 最大移动和变形值 Table 1 Maximum movement and deation on surface 最大下沉/mm 最大倾斜/mmm–1 最大曲率/mmm–2 最大水平移动/mm 4 110 –25.69 –0.519 1 233 ChaoXing 第 6 期 邓念东等 铁路专线下综放开采地表沉陷规律 123 图 3 地表各时期下沉曲线 Fig.3 Subsidence curves of surface at different period 3.2 地表移动参数 根据地表岩移观测站实测资料，求取了走向方 向岩层移动的边界角、移动角和裂缝角，见表 2。 S6-7 工作面和 S3-13 工作面同属于常村煤矿，为便 于分析对比， 将常村 S6-7 工作面的岩移角值一并列 出数据来源于常村煤矿表 3。 表 2 岩移观测站的边界角、移动角和裂缝角 Table 2 Boundary angle, movement angle and fracture angle of the rock movement observation station 边界角/ 移动角/ 裂缝角/ 开采工作面 走向 δ0 下山 β0 上山 γ0 走向 δ 下山 β 上山 γ 走向 δ“ 下山 β“ 上山 γ“ 常村 S3-13 60 69 79 常村 S6-7 62 60 70 68 79 77 表 3 S3-13 及 S6-7 工作面岩层移动变形参数 Table 3 Dynamic rock movement parameters of working faces S3-13 and S6-7 开采工作面 超前影响距 l/m 超前影响角 ω/ 最大下沉速度/mmd–1 最大下沉速度滞后距/m 最大下沉速度滞后角/ 下沉速度系数 K 常村 S3-13 173 70 62.0 144.0 73.5 2.59 常村 S6-7 161 67 76.8 117.3 73.3 1.94 由表 3 可以看出，相比 S6-7 工作面，S3-13 工 作面的超前影响距、超前影响角、最大下沉速度滞 后距及下沉速度系数均较大，最大下沉速度较小， 表明工作面采动对地表变形影响波及范围较大即 图 3 所表现出的下沉盆地边缘延伸较远，且地表移 动变形较为剧烈。这是由于 S3-13 工作面综放开采 一次采全高，煤层开采厚度较大，上覆基岩厚度较 大，且推进速度快，导致基岩内部近似连续变形， 离层、裂隙未得到充分发育便成块垮落，使活跃期 内地表移动变形更为剧烈且集中，从而加剧了地表 的沉陷变形[9]。但由于煤层埋深大，变形传递到地 表需要一定时间，所以最大下沉速度相对较小，不 会发生突然下沉现象。下沉速度曲线见图 4。 由图 4 可知，最大下沉点27 号监测点处地表 最大下沉值为 4 110 mm；在工作面推进到 425 m 时 下沉速度最大，最大下沉速度为 62 mm/d。 图 4 S3-13 工作面最大下沉点下沉速度曲线 Fig.4 Subsidence velocity curve at maximum subsidence point of the working face S3-13 ChaoXing 124 煤田地质与勘探 第 47 卷 3.3 地表移动预计参数 根据地表移动观测站的实测资料，利用开采沉 陷预计系统MSPS[10]进行分析反演，求出地表移动 变形预计参数表 4， 以便对后期工作面开采引起的 地表移动变形进行预测。 由表 4 可知，地表移动变形预计参数中，地表 下沉系数较大，主要影响角正切 tanβ 偏大，最大下 沉角较大，这是厚松散层下综放开采的特征表现。 综放开采一次采全高开采强度大， 顶板卸载速率快， 导致上覆岩层移动破坏剧烈异常[11]；另外，由于松 散层厚度较大，但抗弯能力很低，相当于荷载上覆 于基岩，加剧了基岩的移动和破坏[12]；同时，赋存 于松散层内部的含水层在开采影响下容易失水固 结，体积缩小[13]，以上多种因素造成了地表下沉量 的增大。拐点偏移距是地表倾斜变形最大值位置偏 离实际开采边界的距离，在一定程度上反映了下沉 半盆地的分布形态[14]。本文所求得的拐点偏移距 S 介于0.050.14倍 H采深之间， 倾向方向下山边界 拐点偏移距为负值，其余均为正值，表现在地表移 动变形上， 最大下沉值位置不在工作面中心线位置， 而是偏向倾向方向。下山边界的拐点偏移距之所以 为负值， 是由于工作面倾向方向的采动程度 n0.37， 为非充分采动，以致倾向方向下山边界上岩层破断 不充分，使下沉盆地压缩区延伸到煤柱侧；走向方 向和倾向方向上山边界属充分开采，拉伸区延伸至 采空区侧，因此为正值[15-16]。 表 4 S3-13 工作面地表移动预计参数 Table 4 Estimated parameters of surface movement of working face S3-13 拐点偏移距 S/m 下沉系数 q 水平移动系数 b 主要影响角正切 tanβ 最大下沉角 θ/ S1 S2 S3 S4 0.76 0.3 2.78 89 26 70 50 –70 3.4 地表移动周期 依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留 设与压煤开采规范 [17]，地表移动延续时间可以根 据最大下沉点的下沉量与时间关系分为初始期、 活 跃期和衰退期。初始期指从移动开始下沉 10 mm 至移动活跃期时的持续时间； 活跃期指地表下沉速 度大于 1.7 mm/d 的持续时间；衰退期指从活跃期 结束到移动稳定连续 6 个月下沉量不超过 30 mm 的持续时间。在实测数据的基础上，结合地表下沉 速度曲线图 4对 S3-13 工作面开采引起的地表移 动周期进行分析表 5，为铁路的维修工作提供理 论依据。 表 5 S3-13 工作面地表移动周期 Table 5 Surface movement period of working face S3-13 移动持续阶段 工作面推进距离/m 持续时间/d 持续时间占比/ 下沉量占比/ 初始期 77 91 13.8 7.8 活跃期 680 386 58.7 89.0 衰退期 218 180 27.3 2.8 从表 5 可以看出，初始期、活跃期和衰退期 分别为 91 d、386 d 和 180 d，地表移动变形总时 间长达 22 个月，活跃期和衰退期时间较长；活跃 期约占总变形时间的 58.7，下沉量占总沉降量 的 89.0，而初始期和衰退期的下沉量总共只占 总沉降量的 10.6；活跃期内变形剧烈，初始期 和衰退期变形平缓。这是由于 S3-13 工作面煤层 埋深较大，松散层较厚，并且开采初期停采天数 较多，致使地表处于长期不稳定状态；而在开采 中期基本为连续开采，且开采速率远大于初期， 开采强度高，地表移动快速由初始期进入活跃期， 同时，松散层在开采扰动时表现出的散体流动特 性，使得活跃期内地表移动变形更为剧烈且集中； 而衰退期时间较长，则是由松散层内含水层失水 固结速度慢造成的。 4 铁路专线的维修及防治措施 地表的移动变形对铁路造成的破坏主要有线路 的坡度、走向、轨面高度以及曲率发生变化；路基 发生下沉、局部隆起、裂缝及松动，甚至发生坍塌； 轨缝改变等[18]。针对铁路专线维修和防治提出如下 建议 a. S3-13 工作面已回采完毕，铁路部门应组织 人员对其影响范围内的铁路进行全面检查，对存在 的问题逐一进行维修治理。① 加固路基可选用煤 矸石作为路基充填材料，经济实用，透水性好，根 据相关要求对路基进行加宽、加高，需综合考虑路 基沉降量与预留沉降量，分层进行夯实。② 线路维 修根据工务维修规则和铁路线路维修规则 有关规定，对下沉路段进行起道， 利用顺坡的方法调 ChaoXing 第 6 期 邓念东等 铁路专线下综放开采地表沉陷规律 125 整线路坡度； 通过拔道修整线路的横向移动；调整轨 缝消除线路爬行[19]，使线路恢复到正常可用状态。 b. 后期工作面开采过程中，应以 S3-13 工作面 引起的地表移动规律作为参照，根据实际情况，做 到未雨绸缪。铁路沿线应增设监测点，进行实时动 态监测，根据监测数据对预计参数不断调整，提高 精度；通过采前预计掌握铁路变形区段，在活跃期 应加强警惕，制订及时有效的防治措施，将铁路线 路病害规模控制在允许的界限范围内，同时注意铁 路上列车运行对采空区的活化影响[20]， 实现边开采、 边维修、边运营的最终目的。 5 结 论 a. 地表移动变形值较大，回采中期移动变形剧 烈，前期和后期变形较弱，变形连续，可通过及时 维修保证铁路正常运行。 b. 工作面采动对地表变形影响波及范围较大， 且地表移动变形剧烈，但煤层埋深较大，下沉速度 较小。厚松散层下综放开采的特征较为明显，地表 下沉系数 0.76，主要影响角正切 2.78，最大下沉角 89，拐点偏移距为0.050.14H。 c. 地表移动总持续时间长，活跃期时间占比达 58.7，活跃期下沉量占总下沉量的 89，活跃期 内的移动变形剧烈，初始期和衰退期变形平缓。 d. 铁路部门可先对 S3-13 工作面开采引起的铁 路路基和线路变形进行维修，后期工作面开采中采 用监测预测结合的方式，按区段进行防治。铁路会 对采空区“活化”产生影响， 并使路基产生塑性变化， 本文未考虑到列车运行的影响，有待后续进一步的 研究。 参考文献 [1] 李非. 我国三下采煤技术的应用及发展状况[J]. 技术与市场， 2016，236174. LI Fei. 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