郭二莊礦鐵路下采煤地表變形監測及沉陷治理

孔旭

摘要：鐵路下采煤是“三下”采煤的重點研究問題之一，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，對地表變形量進行了長期不間斷監測，并將所得數據進行總結、處理，根據結果決定對部分路段沉陷進行治理，從而判斷在鐵路下郭二莊礦段采煤是否安全有效。

關鍵詞：煤礦 ?鐵路 ?變形監測 ?數據處理

1 概述

我國是煤炭資源消費利用大國，為了合理有效的開采出礦井的剩余煤炭資源，延長礦井服務年限，“三下”采煤越來越多的引起學者的關注，鐵路下采煤是“三下”采煤重點研究的問題之一[1]。鐵路線路主要由路基、道床、軌枕和鋼軌組成，路線的基礎是路基。列車的動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度和穩定性。但是，鐵路下方的煤層被采出以后，采空區上覆巖層發生變化波及地表以后，位于采空區上方的路基開始下沉，隨著回采工作面的進行， 路基下沉量逐漸增大，下沉范圍亦不斷擴展，為了保證開采階段的安全生產，必須進行鐵路下采煤沉陷觀測與治理[2]。

2 研究區概況

郭二莊礦主采2#煤層，沙午鐵路為國家Ⅱ級鐵路，在郭二莊煤礦井田內鐵路為單軌，曲率半徑500米，線路坡度為12‰，沙午鐵路行車密度小（每日2-3對列車），車速在40-60km/h間。采區鐵路沿線北部為山嶺溝谷，南部為馬會河床，馬會河為季節河流，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，綜合機械化采煤工藝。煤層直接頂板為粉砂巖，局部為細砂巖或泥巖，老頂為中細砂巖，老底為灰色中細砂巖，平均厚度2.98m。沙午鐵路位于22208工作面的上方660m，鐵路在該采區的長度約1.08km，其中采深比為1：388。

表1 ?22208工作面采礦參數表

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3 研究方法

3.1 變形規律

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，無規律地充填采空區。巖層不再保持其原有的層狀結構。當地下工作面開采達到一定距離后，地下變形破壞便波及地表，使受采動影響的地表從原有標高向下沉降，從而在采空區上方地表形成一個比采空區大得多的沉陷區域，在地表移動盆地的形成過程中，逐漸改變了地表的原有形態，引起地表標高、水平位置發生變化，從而導致位于影響范圍內的地面上建筑物、鐵路等的破壞[3]。

通過全站儀變形監測，可以基本準確掌握整個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，但監測整個研究區域的地表沉陷成本太高，工作量太大，不是可行的辦法，通過監測典型工作面的方法，可以節約成本[4]。

3.2 測點布置

為掌握鐵路下采煤的線路移動和變形規律以及為線路維護提供依據，在采動影響區段鐵路沿線設置觀測站。

22208工作面上方鐵路共設置工作觀測點43個，其中14-27號14個觀測點在采空區的正上方，其余29個觀測點在采空區外，觀測線的長度1100m，其中觀測點采用直徑為15mm，長為30cm的鋼棒，其上表面鋸成“+”形作為觀測標志，在觀測地點掘坑后用水泥混凝土澆注作為觀測點。測站的控制點 （基點）設在移動盆地范圍以外（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月進行測量，基本穩定以后每隔半年進行測量，均按四等水準測量要求觀測。所有測量的內外業各項指標均符合規程要求。地表受采動影響期間，對現場還進行了多次實地巡察，并做了描述和記錄，獲得了大量詳實的地表移動觀測資料。現將幾次典型數據作圖，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正上方開始的變形，然后逐漸擴展到兩邊，隨著工作面的推進每次檢測發生變形的最大值逐漸向小號觀測點偏移，這和工作面的推進方向是一致的。從第五次數據中可以看出當出現最大下沉值714mm后，變形的劇烈程度和區域范圍都逐漸減小。

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圖3 ?地表下沉移動盆地范圍

圖3中四條曲線為對應的發生變化的觀測點范圍，右側矩形框內的鐵路線正好處于采空區的正上方，斜線為斷距1米的一條正斷層，根據上圖，我們可以更容易的看出，以位于采空區上方的區域為中心斷層處的下沉盆地最大，而且下沉范圍是逐漸變大的，到達最大變形以后經過處理也會發生局部變形，只是范圍和幅度都會逐漸減小。

在鐵路下方開采煤炭資源時，主要是為了防止發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，經過后期修復對列車的影響就會減小，這在實際行駛中也得到了驗證，列車會安全通過。

4 結論

①由上述可以看出開采初期測點的下沉速度較快，隨著開采的進行，測點下沉速度逐漸減小達到最大下沉值并最終穩定，下沉區域的急劇變形區集中在最大下沉點周圍150m左右，所以在開采過程中要重點加強該區域的鐵路觀測和修復。

②該項目順利的完成了鐵路修復工作，在不影響列車正常運行的前提下，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支持。隨著邯鄲礦業集團逐步向此類條件開采，該項目成果在理論和技術上具有一定的指導意義，可在類似條件的煤礦推廣應用。

參考文獻：

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

[2]王唯真.大型煤礦變形監測數據處理及沉陷預測研究[D].長安大學，2011，9：2-5.

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

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