煤炭開采鐵路專用線沉降變形規(guī)律及線路維護技術

摘要：中煤新集能源股份有限公司劉莊煤礦111102工作面橫穿地面板集煤礦鐵路專用線，171305工作面（里段）垂直地面口孜東煤礦鐵路專用線。受井下采煤工作面開采影響，地表下沉，不僅導致鐵路專用線路基塌陷下沉，還造成軌道線路結構性的破壞，影響列車安全通行。為保障礦區(qū)煤炭正常外運，滿足鐵路專用線安全運行需求，根據(jù)開采沉陷預計情況。本文制訂鐵路專用線塌陷治理施工方案，同時利用CORS參考基站加強軌道的變形監(jiān)測，創(chuàng)新工程管理方法，引進使用新型設備，合理組織人力、物力等材料調(diào)配，摸索出一套塌陷區(qū)鐵路專用線治理的經(jīng)驗方法，為鐵路下煤炭開采治理提供借鑒和參考。

關鍵詞：回采；監(jiān)測；路基；軌道

DOI：10.12433/zgkjtz.20232441

一、111102工作面和171305工作面（里段）概況

劉莊煤礦111102工作面、171305工作面（里段）布置在巨厚松散層下方，其中111102工作面開采深度為-755.0～-487.6m，工作面長1578m，工作面寬279m，平均傾角為14°，平均采高為4.11m，工作面走向自板集礦鐵路專用線下方穿過，夾角49°；171305工作面（里段）傾向長1356.9～1369.1m，工作面斜長308.1m，開采深度-591.9～-522.6m，平均傾角為2°，平均采高為5.52m。工作面走向自口孜東礦鐵路專用線下方垂直穿過，夾角81°。

二、煤炭開采巖移變化對地面鐵路鐵專線的影響

劉莊煤礦111102工作面和171305工作面（里段）回采，造成地面出現(xiàn)臺階式裂縫，進而影響鐵路路基下沉，導致軌道出現(xiàn)偏移、瞎縫等情況，嚴重影響列車安全運行。為指導現(xiàn)場軌道治理，加強軌道沉降、變形監(jiān)測，沿軌道平行方向設置50個沉降變形監(jiān)測點（T1～T50，間距50m），利用電子水準儀和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定期對軌道監(jiān)測，實時反映回采進度與軌道沉降變形關系。板集鐵專線受塌陷影響長度約1700m，根據(jù)實測數(shù)據(jù)鐵路路基最大下沉4.95m，沉降活躍期路基最大沉降速率為79mm/d，軌道向東最大偏移值1.36m；口孜東鐵鐵專線受塌陷影響長度2300m，鐵路路基最大下沉2.33m，沉降活躍期路基最大沉降速率為31mm/d，軌道向南最大偏移值1.42m。

三、工作面回采影響情況統(tǒng)計分析

（一） 劉莊煤礦111102采煤工作面回采影響統(tǒng)計分析

通過對劉莊煤礦111102采煤工作面回采期間，在沉降區(qū)段鐵路專用線路基設置監(jiān)測樁，全過程監(jiān)測采煤工作面回采期間板集礦鐵專線路基沉降變化情況，分析采煤工作面斜穿鐵專線造成的影響。當采煤工作面推進至水平距離鐵路專用線300m時，鐵專線路基開始出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，隨著開采速率的增大，路基下沉速率也增大；當工作面推進過鐵路專用線25m時，路基下沉速率達到峰值；當工作面推進過鐵路專用線250m時，路基下沉速率逐漸趨于平緩。具體變化趨勢詳見111102工作面推進至板集鐵專線距離、開采速率與路基下沉速率關系（見圖1）。

（二）劉莊煤礦171305采煤工作面（里段）回采影響統(tǒng)計分析

通過對劉莊煤礦171305采煤工作面（里段）回采期間，在沉降區(qū)段鐵路專用線路基設置監(jiān)測樁，全過程監(jiān)測采煤工作面回采期間口孜東礦鐵路專用線路基沉降變化情況，分析工作面橫穿鐵專線造成的影響。當采煤工作面推進至水平距離鐵路專用線300m時，鐵專線路基開始出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，隨著開采速率的增大，路基下沉速率也增大；當工作面推進過鐵路專用線25m時，路基下沉速率達到峰值；當工作面推進過鐵路專用線250m時，路基下沉速率逐漸趨于平緩。具體變化趨勢詳見171305采煤工作面（里段）距離口孜東鐵專線水平距離、開采速率與下沉速率關系圖（圖2）。

綜上所述，鐵路專用線影響下沉速率的因素主要包括開采深度、回采速度、工作面回采推進至鐵路專用線的水平距離及相互幾何位置關系等。準確掌握鐵路專用線的下沉速率，可有針對性地開展塌陷治理工作，進一步提升塌陷治理的效果。

四、 鐵路專用線總體維護原則

根據(jù)鐵路塌陷治理的總體施工方案，結合鐵路專用線運行的實際狀況，本文采取邊塌陷邊治理保運行的總體施工原則，同時進行井下采煤工作面回采沉降與鐵路專用線路基回填軌道維護，確保鐵路專用線滿足列車正常運行需求。

（一）路基回填

采煤塌陷區(qū)段既有鐵路專用線均為有砟軌道，其路基斷面形狀與寬度應符合《鐵路專用線設計規(guī)范》（試行）（Q/CR 9156—2019）的有關要求。根據(jù)采煤工作面回采影響預計路基下沉的最大值，在塌陷影響沉陷前預先進行鐵路專用線路基的加寬、加高預回填，軌道道床采用隨下沉、隨補充道砟逐漸抬高的施工方案。

口孜東鐵路專用線路基回填施工采取邊沉陷邊加固的施工方案，主要選用礦井矸石作為路基加寬和加高的主要回填材料，考慮到運輸途徑及地方干擾的各種因素，當?shù)V井矸石回填進度無法滿足軌道治理施工需求時，在鐵路專用線兩側塌陷區(qū)域就地開挖土方，并加拌石灰，采用灰土進行路基加固施工。根據(jù)車輛運輸需求，考慮土方邊坡的穩(wěn)定性，路基上口軌道每側加寬10m，邊坡坡度取1∶1.75，軌道寬度按3m算，塌陷影響下沉前鐵路專用線路基底部加寬后總寬度用公式表示為B=2×[1.75×（h1+h2）]+23，式中，B為路基底面總寬度，h1為原路肩高度，h2為預計塌陷影響下沉量，單位均為m。

鐵路專用線路基加寬應從底部地面開始，底部路基加寬應一次完成，并分層碾壓密實，加高部位應按邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨加高隨收縮，嚴格遵守《鐵路工務安全規(guī)則》規(guī)定的器具、材料堆放要求，并應注重與原路基搭接處的夯實處理。加寬的路肩寬度除應符合《鐵路專用線設計規(guī)范》（試行）（Q/CR 9156—2019）規(guī)定要求外，還應滿足施工車輛行駛錯車和路基邊坡穩(wěn)定性的要求，確保施工車輛行駛安全。在鐵路專用線軟弱地基條件下，當安全系數(shù)不能滿足要求時，加寬可不受限，應采用施工二平臺形成反壓護道的方法進行加固，加寬的最終寬度可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，由路基邊坡的穩(wěn)定性確定。鐵路專用線路基加寬加高施工應由下向上分層實施，分層壓實厚度依據(jù)壓實機械能力進行控制，宜取300mm。

（二）路基與軌道監(jiān)測

鐵路專用線線路監(jiān)控指標內(nèi)容包括軌道變形、軌道不平順、軌道下沉速率等。鐵路專用線塌陷區(qū)段線路變形監(jiān)測宜以自動化監(jiān)測為主，人工四等水準測量輔測量，四等水準測量每千米水準測量的全中誤差不應超過10mm。鐵路專用線塌陷區(qū)段沉降變形觀測點可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，宜以50m為一間隔設置，局部區(qū)段可適當加密至25m，并延長至沉陷區(qū)范圍兩側各250m左右，每邊設置不少于3個控制點，以防塌陷區(qū)范圍擴大或監(jiān)測控制點損壞。每處沉降變形觀測點至鐵路鋼軌的距離以4.0～16m為宜，減少路基回填對監(jiān)測點的破壞，并對損壞的監(jiān)測點需及時恢復補測。沉降變形觀測點宜設在能全面反映鐵路沿線變形特征的位置，易于觀測且不受施工影響。首期沉降變形觀測宜連續(xù)進行2次觀測，取平均值作為初始值；第二期可采用單程附合測量進行觀測。為有效指導路基回填和軌道治理施工，當路基沉降速率大于80mm/d時，每天對塌陷區(qū)路基進行監(jiān)測分析一次；當路基沉降速率為30～80mm/d時，每兩天對塌陷區(qū)路基進行監(jiān)測分析一次；當路基沉降速率為10～30mm/d時，每三天對塌陷區(qū)路基進行監(jiān)測分析一次；當路基沉降速率小于10mm/d直至趨于穩(wěn)定，每周對塌陷區(qū)路基進行監(jiān)測分析一次；當軌道下沉速率連續(xù)三周小于1mm/d時，塌陷區(qū)段下沉可視為基本穩(wěn)定。

（三）軌道維護治理

通過對工作面回采期間鐵專線的監(jiān)測進行分析，為鐵專線軌道治理提供有力的技術支撐。在鐵專線軌道治理過程中，本文創(chuàng)新軌道治理維護的方式方法，合理安排作業(yè)工序，提出軌縫量測法、塌陷區(qū)段軌縫分解法、統(tǒng)一標高法和預起道法等多種軌道治理方法，確保鐵專線塌陷治理工作安全、高效運行，保證列車安全通行，保證煤炭外運銷售不受影響。

1.補充道砟、起撥道作業(yè)

為便于軌道維護，根據(jù)軌道的實際情況，本文采用統(tǒng)一標高法，調(diào)整塌陷區(qū)段軌道的原設計標高。開采沉降影響前，根據(jù)塌陷沉降預計下沉量，采用溜砟車對即將塌陷區(qū)段的軌道進行溜砟，利用起道機械設備進行預起道。預起道范圍為塌陷速率較快的區(qū)段，通過預起道，避免塌陷區(qū)段出現(xiàn)“大鍋底”，有效減緩造成線路軌道瞎縫的頻率。開采沉降影響后，根據(jù)軌道沉降變形觀測數(shù)據(jù)，利用側翻車和鏟車，對鐵專線沉降段軌道進行補砟，利用水準儀、全站儀配合起道機械設備進行起撥道作業(yè)，線路抬升施工可沿軌道走向逐段進行，每次起道高度不大于80mm，撥道量不大于100mm，順坡不大于2‰ 。同時，根據(jù)沉降速率，及時組織人力、設備、材料等進行養(yǎng)護作業(yè)，確保軌道質(zhì)量，滿足列車行車安全。

2.調(diào)整軌縫

夏季高溫天氣，軌道溫度較高，塌陷區(qū)段軌道路基沉降如呈現(xiàn)鍋底狀極易造成軌道鋼軌瞎縫，發(fā)生脹軌現(xiàn)象，影響列車安全運行。巡道人員應每天2次測定塌陷區(qū)段軌道鋼軌軌縫，并根據(jù)軌道變化情況，及時調(diào)整軌縫，必要時更換短軌，確保軌道不連續(xù)出現(xiàn)3處瞎縫，杜絕脹軌現(xiàn)象發(fā)生。

3.巡道管理

由于塌陷區(qū)軌道沉降變形速率較快，為提前預防軌道軌距變化和塌陷出現(xiàn)的臺階現(xiàn)象，必須在列車通行前后對軌道進行巡查、測量，及時處理軌道出現(xiàn)的瞎縫和臺階現(xiàn)象，消除安全隱患，保證列車安全運行。

4. 線路控制

為有效控制塌陷區(qū)線路幾何尺寸，確保線路運行質(zhì)量，結合《普速鐵路線路修理規(guī)則》（TG/GW 102—2019）相關要求，探索塌陷區(qū)線路軌道幾何尺寸容許偏差范圍，在滿足列車安全運行的同時，以降低維護工程量。容許偏差管理值見表1。

五、鐵專線塌陷治理建議

塌陷區(qū)既有鐵路線路工程維護應體現(xiàn)技術經(jīng)濟合理和安全高效的原則，應因地制宜地采用新技術、新工藝、新設備、新材料，推行科學管理，重點做好以下6方面工作：

1.針對礦井開采十年規(guī)劃，至少提前1年制訂鐵專線治理方案，并組織實施。

2.根據(jù)以往工作面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合即將塌陷工作面實際情況，及時對鐵專線路基進行預加寬、加高施工。

3.根據(jù)工作面與鐵專線相互位置關系和鐵專線沉降速率，制訂合理的軌道、路基監(jiān)測方案，指導軌道治理施工。

4.根據(jù)路基塌陷量、做好軌道治理所需要的物質(zhì)、設備、人力資源和資金計劃。

5.根據(jù)沉降速率、開采速率和軌道治理效果，可調(diào)節(jié)回采速率，確保機車安全通行。

6.面對當前的安全、環(huán)保形勢，根據(jù)現(xiàn)場情況，制訂安全、高效的路基回填施工方案，確?？焖俪两灯陂g，路基回填量滿足軌道治理需要。

六、結語

板集、口孜東鐵路專用線采煤塌陷區(qū)軌道治理工程通過創(chuàng)新管理方法，解決了路基回填量大、軌道沉降變形速率快、維護難度高等多種因素造成的問題，保證了列車的安全運行和礦區(qū)煤炭的正常外運。塌陷治理工程的成功實踐，可為工礦鐵路專用線的治理提供一定的參考與借鑒。

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作者簡介：胡慶禮（1974），男，安徽省鳳臺縣人，本科，中級工程師，研究方向為煤炭企業(yè)地面工程

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