礦區(qū)鐵路專用線開采沉陷規(guī)律研究

戴超

（開灤錢家營(yíng)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(cè)鐵路沉降并采取合理方案保障鐵路正常運(yùn)營(yíng)對(duì)煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)至關(guān)重要。我國(guó)從20 世紀(jì)50 年代開始就對(duì)鐵路下采煤進(jìn)行研究和試驗(yàn)，在礦區(qū)鐵路專用線下開采沉陷預(yù)計(jì)及治理已經(jīng)積累豐富經(jīng)驗(yàn)。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(duì)礦區(qū)自營(yíng)鐵路進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)，并總結(jié)沉陷后的線路養(yǎng)護(hù)治理方式；王喜富等設(shè)計(jì)了放頂煤的綜采方式下鐵路沉陷預(yù)計(jì)和治理系統(tǒng)對(duì)地表及鐵路的移動(dòng)變形進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，并為鐵路沉陷治理提出相應(yīng)措施；任占營(yíng)等研究了礦區(qū)鐵路開采沉陷自動(dòng)繪制系統(tǒng)，將礦區(qū)鐵路專用線開采沉陷預(yù)測(cè)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(cè)礦區(qū)開采地表沉陷，對(duì)沉陷預(yù)測(cè)進(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了唐山地區(qū)深厚煤層的沉降特點(diǎn)和規(guī)律，并對(duì)七灤鐵路沉降提出整治措施[1-8]。

本文以開灤錢家營(yíng)礦區(qū)鐵路專用線為例，從研究地下開采引起的地表移動(dòng)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(dòng)觀測(cè)站，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)地表下沉規(guī)律，綜合分析鐵路移動(dòng)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(jìn)。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)鐵路專用線

開灤錢家營(yíng)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(yùn)輸至古冶站外運(yùn)，錢呂鐵路承擔(dān)著開灤錢家營(yíng)礦區(qū)主要煤炭運(yùn)輸任務(wù)。錢呂鐵路在錢家營(yíng)礦區(qū)范圍內(nèi)長(zhǎng)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(biāo)高+19.6—+22.8 m，平均標(biāo)高21 m。

1.2 采區(qū)情況

礦區(qū)鐵路專用線位于錢家營(yíng)礦東翼十采區(qū)，工業(yè)廣場(chǎng)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(duì)地表沉陷影響已趨于穩(wěn)定。2097W 是目前對(duì)礦區(qū)鐵路專線唯一影響的開采工作面，該工作面走向長(zhǎng)度1 141.1 m，傾向斜長(zhǎng)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(biāo)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(zhǎng)壁式綜合機(jī)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(dòng)觀測(cè)

2.1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)

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

圖1 觀測(cè)站平面圖Fig.1 Plane of observation station

2.2 埋石情況

觀測(cè)站的控制點(diǎn)、工作測(cè)點(diǎn)和水準(zhǔn)基點(diǎn)采用預(yù)制的觀測(cè)樁，觀測(cè)樁埋設(shè)深度位于凍土層以下300 mm 處。觀測(cè)樁采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑方法分段進(jìn)行，底座+樁體的“凸”字型結(jié)構(gòu)，底座長(zhǎng)、寬為500 mm，樁體長(zhǎng)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(diǎn)，螺栓中間做十字標(biāo)志，如圖2 所示。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of observation point structure

2.3 外業(yè)觀測(cè)

采用SOUTHS8+GPS 接受機(jī)、LeicaTS09Plus 全站儀和LeicaNA2 自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀進(jìn)行外業(yè)連接測(cè)量、全面觀測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量。

2.3.1 連接測(cè)量

在回采工作開始前，首先根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)與2097工作面投影到地表位置的相互關(guān)系，進(jìn)行控制點(diǎn)和錢家營(yíng)礦區(qū)控制網(wǎng)的連接測(cè)量，獲得控制點(diǎn)準(zhǔn)確平面坐標(biāo)和高程后，再觀測(cè)測(cè)點(diǎn)和工作測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程。因2097W 觀測(cè)站控制點(diǎn)繼續(xù)使用2096W 觀測(cè)站控制點(diǎn)，為確保控制點(diǎn)未受回采影響，全面觀測(cè)前應(yīng)進(jìn)行點(diǎn)位精度檢核。若精度不滿足規(guī)程要求，則需按照E 級(jí)GPS 或三等導(dǎo)線的要求進(jìn)行控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)，獲取控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并采用水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)獲取控制點(diǎn)的高程。

2.3.2 全面觀測(cè)

全面觀測(cè)是地表移動(dòng)觀測(cè)的重點(diǎn)，在2097W工作面回采前、回采推進(jìn)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(jìn)行地表移動(dòng)觀測(cè)站的全面觀測(cè)。

根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》規(guī)定，初始全面觀測(cè)應(yīng)在測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響之前進(jìn)行，一般在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)好以后半個(gè)月左右進(jìn)行。工作測(cè)點(diǎn)因采動(dòng)引起的下沉停止后（6 個(gè)月內(nèi)下沉值≤30 mm），需進(jìn)行最后的地表移動(dòng)觀測(cè)站全面觀測(cè)，要求如下。

在測(cè)站點(diǎn)上安置全站儀，對(duì)鄰近工作測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，每次2 個(gè)測(cè)回，測(cè)回間水平角互差≤9″，邊長(zhǎng)互差≤6 mm，該項(xiàng)工作應(yīng)在7 d 內(nèi)獨(dú)立進(jìn)行2次，或在不同的測(cè)站位置進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)1 次，獲取各工作測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的平均值作為觀測(cè)結(jié)果。控制點(diǎn)（水準(zhǔn)基點(diǎn)）與工作測(cè)點(diǎn)的高程測(cè)量應(yīng)組成網(wǎng)狀或附和線路，所有邊長(zhǎng)均應(yīng)加入氣象改正、投影改正，均按三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求進(jìn)行。

2.3.3 回采過程中的全面觀測(cè)

工作測(cè)點(diǎn)的高程測(cè)量需采用往返測(cè)支水準(zhǔn)路線或單程閉（附）合路線，均按四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行，觀測(cè)站的高程測(cè)量需在1 個(gè)工作日內(nèi)完成。

因工作測(cè)點(diǎn)位于地表移動(dòng)和變形區(qū)內(nèi)，在進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量前應(yīng)按四等控制測(cè)量（或E 級(jí)GPS）要求進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)與控制點(diǎn)間的聯(lián)測(cè)，確定離控制點(diǎn)最近的測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)作為測(cè)量其它工作測(cè)點(diǎn)的起算數(shù)據(jù)。然后在測(cè)站點(diǎn)或控制點(diǎn)上安置全站儀，對(duì)鄰近的工作測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)工作測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一測(cè)回即可。

2.3.4 水準(zhǔn)測(cè)量

水準(zhǔn)測(cè)量按四等水準(zhǔn)要求進(jìn)行觀測(cè)，目的是確定采動(dòng)地表移動(dòng)的開始、發(fā)展、停止的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，主要獲取地表移動(dòng)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(cè)頻率，一般1 個(gè)月進(jìn)行1 次水準(zhǔn)測(cè)量。

3 礦區(qū)鐵路專用線沉陷分析

3.1 地表移動(dòng)和變形曲線

根據(jù)2097W 工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)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(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，下沉曲線未出現(xiàn)移動(dòng)盆地，鐵路最大下沉值1 285 mm，位于觀測(cè)站28 號(hào)點(diǎn)，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(diǎn)向上山方向偏移約40.8 m。繪制28 號(hào)點(diǎn)下沉值和下沉速度曲線，如圖4 所示。

圖4 28 號(hào)點(diǎn)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(hào)點(diǎn)下沉速度大于1.67 mm/d，開始進(jìn)入活躍階段，整個(gè)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(hào)點(diǎn)下沉速度最大為12.12 mm/d，此時(shí)2097W 工作面已回采過28 點(diǎn)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(shí)，工作面回采經(jīng)過最大下沉點(diǎn)之后的水平距離。計(jì)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(diǎn)與2097W 工作面回采位置間的水平距，為229.6 m。計(jì)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(yíng)礦十采區(qū)采用概率積分法作為該礦區(qū)的預(yù)計(jì)方法，由于2097W 工作面屬于深部開采，導(dǎo)致走向達(dá)到充分采動(dòng)，而傾向處于非充分采動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到傾向非充分采動(dòng)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(dòng)最大下沉系數(shù)為0.56。

傾向非充分采動(dòng)采用概率積分法計(jì)算時(shí)，按照疊加原理可將有限開采的地表移動(dòng)變形看作2 個(gè)半無(wú)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(jì)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(jì)算長(zhǎng)度；erf 為高斯誤差函數(shù)。

利用matlab 的Curve Fitting Tool 工具，按式（4）進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)自變量的解釋能力強(qiáng)。

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

4 結(jié)論

（1）錢家營(yíng)礦區(qū)鐵路專用線移動(dòng)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(yíng)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?yàn)榉浅浞植蓜?dòng)，導(dǎo)致最大下沉點(diǎn)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(yíng)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(biāo)準(zhǔn)要求等級(jí)不高，錢家營(yíng)礦區(qū)鐵路一般在移動(dòng)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(jì)算出任意位置下沉值，并參照鐵路專用線設(shè)計(jì)得到沉陷治理所需土方量，按鐵路部門規(guī)定對(duì)線路統(tǒng)一進(jìn)行維修治理，保證鐵路專用線的運(yùn)輸安全，為礦區(qū)安全生產(chǎn)提供有力保障，并對(duì)今后錢家營(yíng)礦區(qū)“三下采煤”提供了科學(xué)依據(jù)。