采煤區(qū)不同開采方法地表移動(dòng)對(duì)鐵路的影響研究

房 磊 李 新

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300152)

近年來,隨著我國鐵路工程建設(shè)的飛速發(fā)展,很多鐵路項(xiàng)目都穿越或建在煤礦采區(qū)附近,煤礦采區(qū)對(duì)鐵路建設(shè)的影響越來越大。目前,鐵路工程在采煤區(qū)選線原則主要是以避讓為主,若無法回避則留取很寬的保護(hù)煤柱,以保證鐵路運(yùn)營的安全。這不僅增加了工程建設(shè)成本,同時(shí)也造成大量的煤炭資源被積壓。隨著我國煤炭資源的逐漸枯竭,如何在保證鐵路安全運(yùn)營的前提下,安全、合理的開采這些積壓的煤炭資源,成為一個(gè)急需解決的問題。以煤礦開采引起的地表移動(dòng)變形值為研究點(diǎn),對(duì)同一工作面采用垮落法、條帶法、矸石充填等不同開采方法,研究分析其導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形對(duì)鐵路的影響,從而得出一種適宜的開采方法,為以后鐵路工程建設(shè)提供參考。

1 礦區(qū)地質(zhì)采礦條件及地面鐵路情況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)條件

該礦區(qū)受大斷層聯(lián)合控制成一斷陷區(qū),區(qū)內(nèi)地層呈向北東、向東傾伏的不完整，不對(duì)稱的向斜構(gòu)造。大部分地層被第四系地層覆蓋,偶有基巖出露,為一全隱蔽煤田。地層自上而下為第四系、第三系、侏羅系、二疊系、石炭系和奧陶系等,其中主要含煤地層為二疊系下山西組和石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組組成。

1.2 煤層賦存情況

礦區(qū)內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層平均厚度5.4 m、傾角為3.5°。煤層直接頂厚3.46 m,為灰黑色、塊狀結(jié)構(gòu)粉砂巖；老頂厚14.9 m,為灰—灰白色石英為主細(xì)砂巖,質(zhì)地較硬；煤層直接底厚4.25 m,為灰—灰白色細(xì)砂巖,較硬；老底厚9.63 m,為灰白色、塊狀結(jié)構(gòu)。

1.3 地面鐵路情況

地面鐵路線位位于采區(qū)7321工作面東側(cè),呈東北—西南走向,距離工作面邊界最近處為200 m左右,具體分布情況如圖1所示。

圖1 地面鐵路與工作面分布

2 地表移動(dòng)變形計(jì)算方法及模型參數(shù)

2.1 計(jì)算方法

目前礦區(qū)普遍采用概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì),并且應(yīng)用效果較好。

概率積分法的移動(dòng)變形計(jì)算主要公式

(1)

式中：x為計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)；坐標(biāo)原點(diǎn)為計(jì)算邊界(考慮拐點(diǎn)偏距)在地表的投影。

移動(dòng)和變形的最大值及其位置

(2)

由公式(1)、(2)可知，概率積分法所需要的幾個(gè)預(yù)計(jì)參數(shù)為：下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)角b、最大下沉角θ和拐點(diǎn)偏距s等。

2.2 模型參數(shù)的選取

模型計(jì)算參數(shù)的選取主要由礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站反演得出,同時(shí)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式并參考相鄰礦區(qū)巖層移動(dòng)參數(shù)。礦區(qū)自1985年開始建立地表移動(dòng)觀測(cè)站,到目前為止,已建立和完成各類地表移動(dòng)觀測(cè)站17個(gè),觀測(cè)線37條。

表1 觀測(cè)站反演概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

由表1統(tǒng)計(jì)可以看出,由于各地表移動(dòng)觀測(cè)站的地質(zhì)采礦條件比較接近,擬合求取的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)亦比較吻合。

①垮落法開采預(yù)計(jì)參數(shù)

垮落法開采條件下巖層移動(dòng)參數(shù)如表2所示。

表2 垮落法開采巖移計(jì)算參數(shù)

②條帶法開采預(yù)計(jì)參數(shù)

根據(jù)區(qū)域井下煤層的實(shí)際地質(zhì)開采條件(采深、頂板覆巖巖性等)以及對(duì)地表移動(dòng)關(guān)系的實(shí)際分析,確定本次條帶開采采寬為45 m、留寬為50 m。

則煤柱承壓安全系數(shù)

依據(jù)礦區(qū)覆巖巖性、采出率并結(jié)合垮落法開采巖移計(jì)算參數(shù),確定本次條帶開采巖移計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 條帶法開采巖移計(jì)算參數(shù)

③矸石充填法開采預(yù)計(jì)參數(shù)

充填采空區(qū)的矸石占據(jù)了上覆巖層的下沉空間,相當(dāng)于減小了開采厚度。由此可以將充填開采后采空區(qū)的剩余空間等價(jià)為一個(gè)等厚的薄煤層開采后形成的采空區(qū),即“等價(jià)采厚”。這樣就可以用垮落法經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行充填開采的覆巖破壞高度和地表沉陷預(yù)測(cè)。

矸石充填體等價(jià)采厚

M等=M·ρ-l(1-ρ)

式中M——采厚/m；

ρ——矸石充填體剩余壓縮率/%；

l——充填前頂板移近量/mm。

矸石充填開采巖移計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 矸石充填開采巖移計(jì)算參數(shù)

3 對(duì)比分析

在鐵路線位上每間隔30 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)變化,反映鐵路線位所受到的影響。

3.1 各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形值對(duì)比分析

由于工作面煤層走向基本與鐵路線位垂直,因此取地表移動(dòng)盆地走向主斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)變形值進(jìn)行對(duì)比分析(如圖2、圖3、圖4所示)。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉值對(duì)比分析

圖3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜變形值對(duì)比分析

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平變形值對(duì)比分析

由圖2、圖3、圖4對(duì)比分析可知,垮落法開采各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形值最大且變形幅度較大；充填開采與條帶開采各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線趨于一致,變形幅度較為平緩。但充填開采各變形值更小,下沉值比條帶法減少29.6%,比垮落法開采減少86.4%；傾斜變形值比條帶法減少10%,比垮落法開采減少84.2%；水平變形值比垮落法減少83.8%。

3.2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表變形極值對(duì)比分析

如表5、表6、表7所示。

表5 垮落法開采監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大移動(dòng)變形值

表6 條帶法開采監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大移動(dòng)變形值

表7 充填法開采監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大移動(dòng)變形值

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》對(duì)開采破壞等級(jí)的規(guī)定并結(jié)合鐵路線位設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范,可設(shè)定鐵路線位允許變形極值為：下沉值W≤10 mm、水平變形ε≤1.0 mm/m、傾斜變形≤2.0 mm/m。

由此可知,垮落法開采和條帶法開采下沉值均超過鐵路線位允許變形值,垮落法開采受影響線位長(zhǎng)度為480 m,條帶法開采受影響線位長(zhǎng)度為180 m,矸石充填開采能夠滿足鐵路線位對(duì)地表變形極值的要求。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

由上述結(jié)果可知,垮落法開采各變形值較大不能用于鐵路下開采,而條帶法開采和充填法開采各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形值及變化趨勢(shì)較為一致,下面就兩種開采方法所帶來的經(jīng)濟(jì)效益做一下對(duì)比。

條帶法開采經(jīng)濟(jì)效益：A=S×M/cosα×γ×ρ×a

充填法開采經(jīng)濟(jì)效益：B=S×M/cosα×γ×(a-b)

式中S——工作面面積/m2；

M——煤層厚度/m；

α——煤層傾角/(°)；

γ——煤的容重/(kg/m3)；

ρ——采出率/%；

a——噸煤利潤(rùn)/(元/t);

b——噸煤充填成本/(元/t)。

按照目前市場(chǎng)噸煤利潤(rùn)a為300元/t；噸煤充填成本b為70元/t,則條帶法開采經(jīng)濟(jì)效益A=12 193.5萬元；矸石充填法開采經(jīng)濟(jì)效益B=18 007.2萬元。若采用矸石充填法開采多為企業(yè)帶來利潤(rùn)B-A=5 813.7萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

(1)由不同開采方法對(duì)比分析可知,矸石充填開采各地表移動(dòng)變形值較小,下沉值比條帶法減少29.6%,比垮落法開采減少86.4%；傾斜變形值比條帶法減少10%,比垮落法開采減少84.2%；水平變形值比垮落法減少83.8%,完全能夠滿足鐵路線位對(duì)地表變形的要求。

(2)矸石充填法開采是用矸石充填體置換出煤炭。開采時(shí),充填體支撐上覆巖層緩慢下沉,下沉速度較小,因此,地表鐵路線位各監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形幅度小,比較平緩,這有利于對(duì)鐵路路基的保護(hù)。

(3)運(yùn)用矸石充填開采既能將煤資源全部采出,又能將矸石等廢棄物得到有效處理,減少耕地的占用,是一種綠色環(huán)保的開采方法；同時(shí)也給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)于以后煤礦區(qū)上方鐵路工程建設(shè)有著一定的借鑒意義。

[1]中國礦業(yè)學(xué)院,等.煤礦巖層與地表移動(dòng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1980

[2]煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1981

[3]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑出版社,2007

[4]郭廣禮,繆協(xié)興,査劍鋒，等.長(zhǎng)壁工作面矸石充填開采沉陷控制效果的初步分析[J].中國科技論文在線,2008(11)：806-809

[5]周廣宇.邢臺(tái)采煤區(qū)地表沉陷數(shù)值模擬計(jì)算與規(guī)律[J].河北煤炭,2008(1)：5-6

[6]左功杰,楊 建.矸石井下充填采煤技術(shù)[J].科技與生活,2011(10)：160

[7]肖紀(jì)永.淺談地表移動(dòng)變形計(jì)算方法及建(構(gòu))筑物下開采技術(shù)[J].礦山測(cè)量,2011(3)：75-76

[8]劉志平,紀(jì)道榮.鐵路下采煤引起地表移動(dòng)變形的破壞程度分析[J].煤礦安全,2008(6)：73-75

[9]陳則連.煤礦采空區(qū)地表巖移對(duì)高速鐵路的影響研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009(4):5-8

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