郭二莊礦鐵路下采煤地表變形監(jiān)測及沉陷治理

孔旭

摘要：鐵路下采煤是“三下”采煤的重點(diǎn)研究問題之一，郭二莊礦針對開采鐵路下22208工作面的煤層而引起地表沉陷，從而是否影響行車安全，對地表變形量進(jìn)行了長期不間斷監(jiān)測，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)、處理，根據(jù)結(jié)果決定對部分路段沉陷進(jìn)行治理，從而判斷在鐵路下郭二莊礦段采煤是否安全有效。

關(guān)鍵詞：煤礦 ?鐵路 ?變形監(jiān)測 ?數(shù)據(jù)處理

1 概述

我國是煤炭資源消費(fèi)利用大國，為了合理有效的開采出礦井的剩余煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，“三下”采煤越來越多的引起學(xué)者的關(guān)注，鐵路下采煤是“三下”采煤重點(diǎn)研究的問題之一[1]。鐵路線路主要由路基、道床、軌枕和鋼軌組成，路線的基礎(chǔ)是路基。列車的動(dòng)荷載通過軌枕和道床傳遞給路基，因此，路基必須通常保持足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。但是，鐵路下方的煤層被采出以后，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生變化波及地表以后，位于采空區(qū)上方的路基開始下沉，隨著回采工作面的進(jìn)行， 路基下沉量逐漸增大，下沉范圍亦不斷擴(kuò)展，為了保證開采階段的安全生產(chǎn)，必須進(jìn)行鐵路下采煤沉陷觀測與治理[2]。

2 研究區(qū)概況

郭二莊礦主采2#煤層，沙午鐵路為國家Ⅱ級(jí)鐵路，在郭二莊煤礦井田內(nèi)鐵路為單軌，曲率半徑500米，線路坡度為12‰，沙午鐵路行車密度?。咳?-3對列車），車速在40-60km/h間。采區(qū)鐵路沿線北部為山嶺溝谷，南部為馬會(huì)河床，馬會(huì)河為季節(jié)河流，河床北岸較陡，南部為寬闊河灘，植被稀少，鐵路沿線基巖零星出露，其他為河流沖積物所覆蓋。

22208工作面走向長2125米，傾斜長150米，煤層平均厚度為1.7m，平均傾角16°，屬于中厚、傾斜煤層，采煤方法為走向長壁，頂板管理為全陷法，綜合機(jī)械化采煤工藝。煤層直接頂板為粉砂巖，局部為細(xì)砂巖或泥巖，老頂為中細(xì)砂巖，老底為灰色中細(xì)砂巖，平均厚度2.98m。沙午鐵路位于22208工作面的上方660m，鐵路在該采區(qū)的長度約1.08km，其中采深比為1：388。

表1 ?22208工作面采礦參數(shù)表

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3 研究方法

3.1 變形規(guī)律

地下煤層采出后，上覆巖層失去支撐，部分巖石與整體分開，破碎成大小不一的巖塊，無規(guī)律地充填采空區(qū)。巖層不再保持其原有的層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅骈_采達(dá)到一定距離后，地下變形破壞便波及地表，使受采動(dòng)影響的地表從原有標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方地表形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，在地表移動(dòng)盆地的形成過程中，逐漸改變了地表的原有形態(tài)，引起地表標(biāo)高、水平位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致位于影響范圍內(nèi)的地面上建筑物、鐵路等的破壞[3]。

通過全站儀變形監(jiān)測，可以基本準(zhǔn)確掌握整個(gè)煤礦的地表沉陷狀況，亦可以通過裂縫或者塌陷反映在地表，但監(jiān)測整個(gè)研究區(qū)域的地表沉陷成本太高，工作量太大，不是可行的辦法，通過監(jiān)測典型工作面的方法，可以節(jié)約成本[4]。

3.2 測點(diǎn)布置

為掌握鐵路下采煤的線路移動(dòng)和變形規(guī)律以及為線路維護(hù)提供依據(jù)，在采動(dòng)影響區(qū)段鐵路沿線設(shè)置觀測站。

22208工作面上方鐵路共設(shè)置工作觀測點(diǎn)43個(gè)，其中14-27號(hào)14個(gè)觀測點(diǎn)在采空區(qū)的正上方，其余29個(gè)觀測點(diǎn)在采空區(qū)外，觀測線的長度1100m，其中觀測點(diǎn)采用直徑為15mm，長為30cm的鋼棒，其上表面鋸成“+”形作為觀測標(biāo)志，在觀測地點(diǎn)掘坑后用水泥混凝土澆注作為觀測點(diǎn)。測站的控制點(diǎn) （基點(diǎn)）設(shè)在移動(dòng)盆地范圍以外（鐵路觀測站布置如圖1所示。）

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圖1 ?鐵路觀測站布置示意圖

22208工作面觀測站開始每個(gè)月進(jìn)行測量，基本穩(wěn)定以后每隔半年進(jìn)行測量，均按四等水準(zhǔn)測量要求觀測。所有測量的內(nèi)外業(yè)各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)程要求。地表受采動(dòng)影響期間，對現(xiàn)場還進(jìn)行了多次實(shí)地巡察，并做了描述和記錄，獲得了大量詳實(shí)的地表移動(dòng)觀測資料。現(xiàn)將幾次典型數(shù)據(jù)作圖，列舉如下：

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圖2 ?地表變形觀測曲線

從圖1、圖2可以看出地表首先是從采空區(qū)正上方開始的變形，然后逐漸擴(kuò)展到兩邊，隨著工作面的推進(jìn)每次檢測發(fā)生變形的最大值逐漸向小號(hào)觀測點(diǎn)偏移，這和工作面的推進(jìn)方向是一致的。從第五次數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)出現(xiàn)最大下沉值714mm后，變形的劇烈程度和區(qū)域范圍都逐漸減小。

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圖3 ?地表下沉移動(dòng)盆地范圍

圖3中四條曲線為對應(yīng)的發(fā)生變化的觀測點(diǎn)范圍，右側(cè)矩形框內(nèi)的鐵路線正好處于采空區(qū)的正上方，斜線為斷距1米的一條正斷層，根據(jù)上圖，我們可以更容易的看出，以位于采空區(qū)上方的區(qū)域?yàn)橹行臄鄬犹幍南鲁僚璧刈畲?，而且下沉范圍是逐漸變大的，到達(dá)最大變形以后經(jīng)過處理也會(huì)發(fā)生局部變形，只是范圍和幅度都會(huì)逐漸減小。

在鐵路下方開采煤炭資源時(shí)，主要是為了防止發(fā)生劇烈的下沉而影響到行車安全，從圖中我們可以看出變形區(qū)域的角度比較平緩，這說明下沉的速度是漸變不是突然的，經(jīng)過后期修復(fù)對列車的影響就會(huì)減小，這在實(shí)際行駛中也得到了驗(yàn)證，列車會(huì)安全通過。

4 結(jié)論

①由上述可以看出開采初期測點(diǎn)的下沉速度較快，隨著開采的進(jìn)行，測點(diǎn)下沉速度逐漸減小達(dá)到最大下沉值并最終穩(wěn)定，下沉區(qū)域的急劇變形區(qū)集中在最大下沉點(diǎn)周圍150m左右，所以在開采過程中要重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域的鐵路觀測和修復(fù)。

②該項(xiàng)目順利的完成了鐵路修復(fù)工作，在不影響列車正常運(yùn)行的前提下，解放了鐵路下的煤炭。從而為郭二莊礦接下來解放鐵路壓煤提供技術(shù)支持。隨著邯鄲礦業(yè)集團(tuán)逐步向此類條件開采，該項(xiàng)目成果在理論和技術(shù)上具有一定的指導(dǎo)意義，可在類似條件的煤礦推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]許志楠.對“三下”采煤技術(shù)的認(rèn)識(shí)與研究[J].電力與能源，2011（6）：240-241.

[2]王唯真.大型煤礦變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及沉陷預(yù)測研究[D].長安大學(xué)，2011，9：2-5.

[3]彭林軍，宋振騏.GPS技術(shù)在煤礦開采沉陷觀測中的應(yīng)用[J].煤，2010（10）：15-18.

[4]尚繼平.郭二莊礦鐵路下采煤地表沉陷預(yù)計(jì)和鐵路修復(fù)技術(shù)[J].河北煤炭，2010（3）：10-11.