保護煤柱開采期間礦區(qū)鐵路維護設計模式

鄧偉男,張 芳,孫中尉

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013; 3.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028;4.淄博礦業(yè)集團有限責任公司許廠煤礦地測科,山東淄博 272173)

保護煤柱開采期間礦區(qū)鐵路維護設計模式

鄧偉男1,2,張 芳3,孫中尉4

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部,北京 100013; 3.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028;4.淄博礦業(yè)集團有限責任公司許廠煤礦地測科,山東淄博 272173)

建立了一種在保護煤柱開采期間礦區(qū)鐵路維護設計模式,通過提出“移動變形曲線”圖示法,將開采沉陷動態(tài)預計結果轉化為鐵路維護的時間、范圍及工作量大小,并以梧桐莊礦鐵路下采煤實踐為例介紹了本模式的應用。

鐵路壓煤;開采沉陷;動態(tài)預計;鐵路維護;模式

大量鐵路下采煤實踐得出鐵路下采煤的可行性,將鐵路下的壓煤采出,對各礦的持續(xù)發(fā)展都有著重要的意義。在保護煤柱的開采過程中,為了保證鐵路運輸的正常進行,傳統(tǒng)做法是鐵路維修人員通過不斷反復的現場監(jiān)測才能判斷出是否需要維修,維修的幅度有多大。這就導致了大量的人力物力投入到重復性的勞動中,增加了鐵路下采煤的成本支出。本文針對此問題,建立了一種在保護煤柱開采期間礦區(qū)鐵路的維護設計模式,依據此模式,在煤柱開采前,制定開采期間鐵路維護方案,避免無計劃地、盲目地維護工作,減輕了鐵路維護人員的負擔,并減少了鐵路下采煤的成本,指導鐵路及附屬設施及時合理地維修。

1 模式的提出

科研工作者根據實踐經驗揭示出鐵路下煤炭開采引起地表移動的規(guī)律,能夠預計出地表移動的最終形態(tài)以及鐵路及附屬物的變形或破壞情況。一些礦區(qū)對鐵路下開采引起的地表移動變形進行了預計,得出了變形預計結果,但是,這些結果并不能直接轉化為鐵路的維護措施。地表移動是一個動態(tài)的過程,在煤層開采前對開采期間鐵路的變形情況進行動態(tài)預計,根據動態(tài)預計結果制定相應的維護措施,形成鐵路維護的計劃書,這就是煤柱開采期間礦區(qū)鐵路的維護設計模式。此模式的關鍵在于開采沉陷動態(tài)預計與如何建立預計結果與維護措施之間的有機聯(lián)系。

1.1 開采沉陷動態(tài)預計方法

目前成熟的開采沉陷動態(tài)預計軟件并不多見,本文引入的是波蘭西里西亞工業(yè)大學礦山測量系的彼亞維克 -楊在布德雷克和克諾特提出的影響函數法的基礎上,研究開發(fā)出的“彼亞維克 -楊時空開采沉陷預計”軟件。此軟件在波蘭國內得到了大量的應用,證明了其在開采沉陷動態(tài)預計中的可靠性,可以解決以下問題[1]:

(1)對由地下開采引起的地表點的不同變形量進行計算,并以表格的形式輸出計算結果。

(2)根據計算結果,繪制所需變形量的等值線圖。

(3)根據地質采礦條件確定預計參數。

(4)根據工作面的推進,動態(tài)顯示地表變形等值線的變化。

(5)根據地下開采引起地表移動變形值最小的原則,優(yōu)化推進工作面的形狀。

(6)優(yōu)化點狀及高聳建筑物安全煤柱的尺寸,最大限度地減少煤炭資源的損失。

1.2 “移動變形曲線”圖示法

基于對大量鐵路下采煤的實例的研究以及動態(tài)預計結果本身的特點,本文就此提出了“移動變形曲線”圖示法來建立預計結果與維護措施之間的有機聯(lián)系。

“移動變形曲線圖示法”具體操作是:根據動態(tài)預計結果,繪制出移動變形動態(tài)曲線圖 (可以是下沉、傾斜變形、水平移動、水平變形等各種曲線),設定變形參考值 (鐵路允許變形值),在動態(tài)移動變形曲線圖上,畫出某一時間段內的變形參考線,參考線與移動變形曲線的交點所對應的平面坐標即為鐵路上此時間段內維護范圍的起止點坐標,并對變形參考線與曲線包圍區(qū)域進行填充,填充區(qū)域變形值的大小即為本次維護的預計工作量。

2 工程應用

2.1 礦區(qū)鐵路介紹

梧桐莊礦位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)東南部及磁縣西部,井田呈三角形展布,北窄南寬,全井田地質儲量 440.9Mt,設計可利用儲量 210.59Mt,可采儲量 134.52Mt,礦井設計生產能力為 1.2Mt/a,設計服務年限 80a。

梧桐莊礦運輸專線目前屬于工企Ⅲ鐵路線,走向大致向北,中途向西北方向轉彎。鐵路每天平均上下午各有一對列車運行,間或有火車頭運行,行車速度一般不超過 45km/h。根據初步估計鐵路下工作面開采影響范圍內,鐵路所處地勢高低起伏不平,修筑在高路堤上,路堤為土質結構,兩側為農田或小磚窯。

2.2 鐵路保護煤柱開采工作面布置

工作面按照協(xié)調式跳采技術布置,現已布置 2個采區(qū)共 6個工作面,工作面布置基本情況見表1,工作面與鐵路位置關系見圖 1。

2.3 開采沉陷動態(tài)預計

204工作面開采時間最早,其平面位置距離鐵路線路較近,能夠充分反映地下開采對鐵路線路的影響,本文以 204工作面為例說明動態(tài)預計過程。根據梧桐莊礦相似地質采礦條件下已有實測資料,選取地表移動預計參數見表 2。

表1 工作面基本情況

圖1 工作面與鐵路位置關系

表2 開采沉陷預計參數

鐵路屬于線狀物,最能反應鐵路受地下開采影響的方法是沿鐵路布設計算線。

為了便于說明,沿梧桐莊礦鐵路直線方向布設1條計算線,起點坐標 (19810.8,24085.9),終點坐標 (19916.3,26073.1)。以 10m為間距在計算線上取 200個計算點 (可根據需要和精度要求自行設定)。對于鐵路轉彎部分可以直接取點計算求出變形值。

204工作面推進速度大約為 5m/d,將開采時間劃分為 13個計算時段,見表 3(可根據需要確定具體的時間間隔)。計算方案以 2008年 8月 1日為計算開始時間,以工作面開采完畢穩(wěn)定 1a后為計算結束時間,計算工作面推進到每個時間段計算線上的下沉、傾斜變形、水平移動、水平變形。經過計算,各計算時間段內計算線移動變形值見表 4。

表3 計算時段工作面推進距離與時間

2.4 “移動變形曲線”圖示法的應用

以 204工作面動態(tài)下沉曲線為例,說明此方法的應用。如圖 2所示。圖中,取 50mm下沉值為參考值 (根據現場需要可自行設定參考值的大小),在圖上標定下沉參考線。

在 1時間段內,最大下沉值未能達到 50mm,故此時間段內不需要對鐵路進行維護。

表4 各時段計算線移動變形值

圖 2 “移動變形曲線圖示法”標示動態(tài)下沉曲線

2時間段內,最大下沉值超過 50mm,將參考線與下沉曲線的交點投影到計算線上,兩點間的區(qū)域即為此時間段內所要維護的區(qū)域,以計算線 1號點為 0點,圖中 2時間段維護范圍為 530～968m,填充部分即為需要墊起的部分,具體方法可以將此時段最大下沉值點起墊到參考線的高度,然后依次向兩邊起道順坡。將超出下沉參考值部分鐵路起墊后,在維護階段起止點位置容易形成豎直方向上的硬彎,造成鐵軌的損壞或變形,由于工作面不斷向前推進,下沉曲線的影響范圍也不斷向前推進,維護終點的硬彎可以自然地消失,而維護起點的硬彎因為下沉范圍向后擴展不大無法自然消失,這時可以從此點向后順坡,達到列車安全運行的標準。

3時間段內,鐵路維護范圍的確定與 2時段相同,由于 2時間段已經對超出下沉參考值的鐵路進行了維護,此時段所要維護的即為已維護路段的新增下沉值和未維護路段超限下沉值兩部分,圖中填充部分即為此時段的工作量,維護范圍起止點處理方法與 2時間段相同。

依次類推,12個時間段維護工作完成后,以最后一個時間段的維護起止點為基點,向后或向前順坡,以便列車能安全平穩(wěn)運行,第 13個時間段的下沉屬于殘余變形,基本不會影響正常的運行。

3 結論

(1)保護煤柱開采期間礦區(qū)鐵路維護設計模式的提出,避免無計劃、盲目地維護工作,減輕了鐵路維護人員負擔,并減少了鐵路下采煤的成本。

(2)設計模式關鍵在于開采沉陷動態(tài)預計及建立預計結果與維護措施之間的有機聯(lián)系。引入了“彼亞維克 -楊時空開采沉陷預計”,并提出了“移動變形曲線”圖示法來解決關鍵問題。

(3)該方法在峰峰礦區(qū)梧桐莊礦鐵路下采煤得到了成功的應用,取得了顯著的經濟效益。

[1]B IALEK Jan.Computer Programs for Prediction ofMiningArea Deformation with Time Factor Taken into Consideration[J].Journal ofUniversity ofMining&Technology,Jun 2002,6-11.

[2]開灤煤炭科學研究所.鐵路下采煤 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1978.

[3]國家煤炭工業(yè)局 .建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[4]煤炭科學研究院北京開采所 .煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應用 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1982.

[5]鄧偉男 .礦區(qū)鐵路及橋涵下采煤沉陷動態(tài)預計與防護措施研究 [D].北京:中國礦業(yè)大學 (北京),2009.

[責任編輯:徐乃忠]

Ra ilwayMa intenance Design M ode in M in ing Protective Coal Pillar

DENGWei-nan1,2,ZHANG Fang3,SUN Zhong-wei4

(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100011 China; 2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology,Beijing 100013,China;3.Petro-China Coalbed Methane Co.,Ltd,Beijing 100028;4.Geological SurveyDepartment,Xuchang Colliery,ZiboMining Group Co.,Ltd,Zibo 272173,China)

This paper set up a railwaymaintenance mode duringmining protective coal pillar.It transferred dynamic prediction results of mining subsidence into rai lwaymaintenance time,range and workload by put forward"movement defor mation curve"method.This mode was applied in mining under rai lway inWutongzhuang Colliery.

coal under rai lway;mining subsidence;dynamic prediction;rai lwaymaintenance;mode

TD823.83

A

1006-6225(2010)05-0042-03

2010-07-13

鄧偉男 (1986-),男,河南滑縣人,采礦工程博士,主要研究方向為“三下”采煤技術及其理論的研究與應用。