礦區(qū)鐵路專用線開采沉陷規(guī)律研究

戴超

（開灤錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301）

0 引言

開采鐵路下煤炭資源是“三下采煤”的重要組成部分，預(yù)測鐵路沉降并采取合理方案保障鐵路正常運營對煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)至關(guān)重要。我國從20 世紀50 年代開始就對鐵路下采煤進行研究和試驗，在礦區(qū)鐵路專用線下開采沉陷預(yù)計及治理已經(jīng)積累豐富經(jīng)驗。趙琦等通過研究采用放頂煤綜采方式開采鐵路線下煤層，對礦區(qū)自營鐵路進行沉陷預(yù)計，并總結(jié)沉陷后的線路養(yǎng)護治理方式；王喜富等設(shè)計了放頂煤的綜采方式下鐵路沉陷預(yù)計和治理系統(tǒng)對地表及鐵路的移動變形進行準確的預(yù)測，并為鐵路沉陷治理提出相應(yīng)措施；任占營等研究了礦區(qū)鐵路開采沉陷自動繪制系統(tǒng)，將礦區(qū)鐵路專用線開采沉陷預(yù)測與AutoCAD 結(jié)合，助力礦區(qū)鐵路沉陷治理；龍四春等通過ArcGIS 預(yù)測礦區(qū)開采地表沉陷，對沉陷預(yù)測進行可視化處理，為礦山沉陷治理提供有力保障；韓建文根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)，分析了唐山地區(qū)深厚煤層的沉降特點和規(guī)律，并對七灤鐵路沉降提出整治措施[1-8]。

本文以開灤錢家營礦區(qū)鐵路專用線為例，從研究地下開采引起的地表移動和變形規(guī)律出發(fā)，在礦區(qū)回采工作面上方沿鐵路專用線建立傾向地表移動觀測站，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)總結(jié)地表下沉規(guī)律，綜合分析鐵路移動變形規(guī)律并提出治理建議，既保證鐵路專用線的正常使用，又保證礦山生產(chǎn)順利推進。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)鐵路專用線

開灤錢家營礦區(qū)鐵路專用線——錢呂鐵路，與古冶、呂家陀、范各莊礦支線鐵路接通，煤炭經(jīng)錢呂鐵路運輸至古冶站外運，錢呂鐵路承擔(dān)著開灤錢家營礦區(qū)主要煤炭運輸任務(wù)。錢呂鐵路在錢家營礦區(qū)范圍內(nèi)長3 898.0 m，鐵路專用線周圍以農(nóng)田為主，局部地段有散落農(nóng)房，煤系地層為第四系沖積層所覆蓋，厚度為70～140 m，該區(qū)域地面標高+19.6—+22.8 m，平均標高21 m。

1.2 采區(qū)情況

礦區(qū)鐵路專用線位于錢家營礦東翼十采區(qū)，工業(yè)廣場北側(cè)，十采區(qū)作為重復(fù)開采區(qū)域，先后有2077W、2075W、2076W、2096W 等開采工作面，均已開采完畢，對地表沉陷影響已趨于穩(wěn)定。2097W 是目前對礦區(qū)鐵路專線唯一影響的開采工作面，該工作面走向長度1 141.1 m，傾向斜長185.9 m；煤層厚度0.2～4.2 m，平均開采厚度2.3 m；煤層傾角2°～17°，平均4°；工作面標高-682.3—-722.7 m，礦區(qū)鐵路專線橫穿工作面。該工作面采用走向長壁式綜合機械化放頂煤方式回采，頂板管理方式為一次采全高全部垮落法。

2 地表移動觀測

2.1 觀測站設(shè)計

2097W 地表移動觀測站傾向觀測線沿礦區(qū)鐵路專線布設(shè)，設(shè)有68 個工作測點，控制點3 個，觀測路線共2 087 m，工作面與觀測站平面圖如圖1 所示。沿礦區(qū)鐵路專用線建立地表移動觀測站，既可計算地表移動參數(shù)，分析地表移動和變形規(guī)律，又可以監(jiān)測鐵路變形，為今后指導(dǎo)生產(chǎn)、采煤沉陷治理和鐵路維護提供依據(jù)。

圖1 觀測站平面圖Fig.1 Plane of observation station

2.2 埋石情況

觀測站的控制點、工作測點和水準基點采用預(yù)制的觀測樁，觀測樁埋設(shè)深度位于凍土層以下300 mm 處。觀測樁采用現(xiàn)場澆筑方法分段進行，底座+樁體的“凸”字型結(jié)構(gòu)，底座長、寬為500 mm，樁體長度根據(jù)不同埋設(shè)位置分為300、800 和1 200 mm 規(guī)格，頂面預(yù)留20 mm 螺栓，以備后期接點，螺栓中間做十字標志，如圖2 所示。

圖2 觀測點結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of observation point structure

2.3 外業(yè)觀測

采用SOUTHS8+GPS 接受機、LeicaTS09Plus 全站儀和LeicaNA2 自動安平水準儀進行外業(yè)連接測量、全面觀測、水準測量。

2.3.1 連接測量

在回采工作開始前，首先根據(jù)觀測點與2097工作面投影到地表位置的相互關(guān)系，進行控制點和錢家營礦區(qū)控制網(wǎng)的連接測量，獲得控制點準確平面坐標和高程后，再觀測測點和工作測點的平面坐標與高程。因2097W 觀測站控制點繼續(xù)使用2096W 觀測站控制點，為確?？刂泣c未受回采影響，全面觀測前應(yīng)進行點位精度檢核。若精度不滿足規(guī)程要求，則需按照E 級GPS 或三等導(dǎo)線的要求進行控制網(wǎng)聯(lián)測，獲取控制點的平面坐標，并采用水準聯(lián)測獲取控制點的高程。

2.3.2 全面觀測

全面觀測是地表移動觀測的重點，在2097W工作面回采前、回采推進0.7H0（平均采深）、1.4H0、H0、回采完畢且地表下沉已處于穩(wěn)定階段，需進行地表移動觀測站的全面觀測。

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，初始全面觀測應(yīng)在測點受采動影響之前進行，一般在測點埋設(shè)好以后半個月左右進行。工作測點因采動引起的下沉停止后（6 個月內(nèi)下沉值≤30 mm），需進行最后的地表移動觀測站全面觀測，要求如下。

在測站點上安置全站儀，對鄰近工作測點進行觀測，每次2 個測回，測回間水平角互差≤9″，邊長互差≤6 mm，該項工作應(yīng)在7 d 內(nèi)獨立進行2次，或在不同的測站位置進行重復(fù)觀測1 次，獲取各工作測點坐標的平均值作為觀測結(jié)果。控制點（水準基點）與工作測點的高程測量應(yīng)組成網(wǎng)狀或附和線路，所有邊長均應(yīng)加入氣象改正、投影改正，均按三等水準測量的要求進行。

2.3.3 回采過程中的全面觀測

工作測點的高程測量需采用往返測支水準路線或單程閉（附）合路線，均按四等水準要求進行，觀測站的高程測量需在1 個工作日內(nèi)完成。

因工作測點位于地表移動和變形區(qū)內(nèi)，在進行坐標測量前應(yīng)按四等控制測量（或E 級GPS）要求進行測站點與控制點間的聯(lián)測，確定離控制點最近的測站點坐標作為測量其它工作測點的起算數(shù)據(jù)。然后在測站點或控制點上安置全站儀，對鄰近的工作測點進行觀測，每個工作測點進行一測回即可。

2.3.4 水準測量

水準測量按四等水準要求進行觀測，目的是確定采動地表移動的開始、發(fā)展、停止的時間節(jié)點，主要獲取地表移動下沉情況，是求取邊界角的重要依據(jù)，可根據(jù)開采情況確定觀測頻率，一般1 個月進行1 次水準測量。

3 礦區(qū)鐵路專用線沉陷分析

3.1 地表移動和變形曲線

根據(jù)2097W 工作面地表移動觀測站的觀測數(shù)據(jù)，繪制礦區(qū)鐵路專用線下沉曲線，如圖3 所示。

圖3 鐵路下沉曲線Fig.3 Railway subsidence curve

由鐵路下沉曲線可知，2097W 工作面傾向未達到充分采動狀態(tài)，下沉曲線未出現(xiàn)移動盆地，鐵路最大下沉值1 285 mm，位于觀測站28 號點，距工作面上山邊界60.0 m，由于十采區(qū)重復(fù)多煤層影響導(dǎo)致最大下沉點向上山方向偏移約40.8 m。繪制28 號點下沉值和下沉速度曲線，如圖4 所示。

圖4 28 號點下沉值及下沉速度曲線Fig.4 Subsidence value and subsidence speed curve of No.28 point

從圖4 可知，28 號點下沉速度大于1.67 mm/d，開始進入活躍階段，整個階段持續(xù)163 d，期間下沉速度變化較大，累積下沉值占總下沉值的80.3%；28 號點下沉速度最大為12.12 mm/d，此時2097W 工作面已回采過28 點平面位置207.5 m。

所以最大下沉速度滯后角：

式中：H0為平均開采深度；K 為鐵路處于最大下沉速度時，工作面回采經(jīng)過最大下沉點之后的水平距離。計算最大下沉速度滯后角為δ=73°32′40″。

超前影響角：

式中：K′為鐵路下沉10 mm 的點與2097W 工作面回采位置間的水平距，為229.6 m。計算得出超前影響角ψ=71°54′3″。

3.2 開采沉陷規(guī)律分析

錢家營礦十采區(qū)采用概率積分法作為該礦區(qū)的預(yù)計方法，由于2097W 工作面屬于深部開采，導(dǎo)致走向達到充分采動，而傾向處于非充分采動狀態(tài)，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計算得到傾向非充分采動情況下最大下沉系數(shù)：

式中：m 為開采厚度，2 300 mm；α 為煤層傾角，4°；Wmy為最大下沉值，1 285 mm。最終，得到十采區(qū)2097W 工作面傾向非充分采動最大下沉系數(shù)為0.56。

傾向非充分采動采用概率積分法計算時，按照疊加原理可將有限開采的地表移動變形看作2 個半無限開采地表變形問題疊加，因此，得到傾向主斷面上地表下沉值計算公式為：

式中：Wmy為傾向最大下沉值；r1、r2為上下山影響半徑；L 為開采區(qū)域邊界投影到地面后的計算長度；erf 為高斯誤差函數(shù)。

利用matlab 的Curve Fitting Tool 工具，按式（4）進行自定義方程非線性多元最小二乘法擬合，Robust（穩(wěn)健回歸）方式選擇Bisquare（加權(quán)最小二乘法），最終得到擬合方程：

鐵路下沉值擬合曲線如圖5 所示，下沉值擬合標準差（RMSE）為28.83，表明擬合效果較好；擬合方程的確定系數(shù)（R-square）為0.996 2，越接近1 表明方程的變量對自變量的解釋能力強。

圖5 下沉值擬合曲線Fig.5 Fitting curve of subsidence value

4 結(jié)論

（1）錢家營礦區(qū)鐵路專用線移動變形活躍階段持續(xù)163 d，期間鐵路下沉速度快，占總下沉值的80.3%，此階段最大下沉速度12.12 mm/d，鐵路最大下沉速度滯后角73°32′40″，最大下沉滯后距離為207.5 m；鐵路下沉超前影響角71°54′3″，超前影響距離為229.6 m。

（2）錢家營礦區(qū)鐵路專用線受十采區(qū)2097W工作面回采影響最大下沉值為1 285 mm，且因十采區(qū)為多煤層重復(fù)開采區(qū)域，2097W 工作面傾向為非充分采動，導(dǎo)致最大下沉點向上山方向偏移約40.8 m，最大下沉系數(shù)為0.56。

（3）錢家營礦區(qū)鐵路專用線受十采區(qū)2097W工作面回采影響劇烈程度低，未形成地表下沉盆地。因礦區(qū)鐵路專用線技術(shù)標準要求等級不高，錢家營礦區(qū)鐵路一般在移動變形穩(wěn)定后，結(jié)合礦區(qū)鐵路專用線下沉曲線方程式（5）計算出任意位置下沉值，并參照鐵路專用線設(shè)計得到沉陷治理所需土方量，按鐵路部門規(guī)定對線路統(tǒng)一進行維修治理，保證鐵路專用線的運輸安全，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供有力保障，并對今后錢家營礦區(qū)“三下采煤”提供了科學(xué)依據(jù)。