保护煤柱开采期间矿区铁路维护设计模式

邓伟男,张 芳,孙中尉

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 3.中石油煤层气有限责任公司,北京 100028;4.淄博矿业集团有限责任公司许厂煤矿地测科,山东淄博 272173)

保护煤柱开采期间矿区铁路维护设计模式

邓伟男1,2,张 芳3,孙中尉4

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 3.中石油煤层气有限责任公司,北京 100028;4.淄博矿业集团有限责任公司许厂煤矿地测科,山东淄博 272173)

建立了一种在保护煤柱开采期间矿区铁路维护设计模式,通过提出“移动变形曲线”图示法,将开采沉陷动态预计结果转化为铁路维护的时间、范围及工作量大小,并以梧桐庄矿铁路下采煤实践为例介绍了本模式的应用。

铁路压煤;开采沉陷;动态预计;铁路维护;模式

大量铁路下采煤实践得出铁路下采煤的可行性,将铁路下的压煤采出,对各矿的持续发展都有着重要的意义。在保护煤柱的开采过程中,为了保证铁路运输的正常进行,传统做法是铁路维修人员通过不断反复的现场监测才能判断出是否需要维修,维修的幅度有多大。这就导致了大量的人力物力投入到重复性的劳动中,增加了铁路下采煤的成本支出。本文针对此问题,建立了一种在保护煤柱开采期间矿区铁路的维护设计模式,依据此模式,在煤柱开采前,制定开采期间铁路维护方案,避免无计划地、盲目地维护工作,减轻了铁路维护人员的负担,并减少了铁路下采煤的成本,指导铁路及附属设施及时合理地维修。

1 模式的提出

科研工作者根据实践经验揭示出铁路下煤炭开采引起地表移动的规律,能够预计出地表移动的最终形态以及铁路及附属物的变形或破坏情况。一些矿区对铁路下开采引起的地表移动变形进行了预计,得出了变形预计结果,但是,这些结果并不能直接转化为铁路的维护措施。地表移动是一个动态的过程,在煤层开采前对开采期间铁路的变形情况进行动态预计,根据动态预计结果制定相应的维护措施,形成铁路维护的计划书,这就是煤柱开采期间矿区铁路的维护设计模式。此模式的关键在于开采沉陷动态预计与如何建立预计结果与维护措施之间的有机联系。

1.1 开采沉陷动态预计方法

目前成熟的开采沉陷动态预计软件并不多见,本文引入的是波兰西里西亚工业大学矿山测量系的彼亚维克 -杨在布德雷克和克诺特提出的影响函数法的基础上,研究开发出的“彼亚维克 -杨时空开采沉陷预计”软件。此软件在波兰国内得到了大量的应用,证明了其在开采沉陷动态预计中的可靠性,可以解决以下问题[1]:

(1)对由地下开采引起的地表点的不同变形量进行计算,并以表格的形式输出计算结果。

(2)根据计算结果,绘制所需变形量的等值线图。

(3)根据地质采矿条件确定预计参数。

(4)根据工作面的推进,动态显示地表变形等值线的变化。

(5)根据地下开采引起地表移动变形值最小的原则,优化推进工作面的形状。

(6)优化点状及高耸建筑物安全煤柱的尺寸,最大限度地减少煤炭资源的损失。

1.2 “移动变形曲线”图示法

基于对大量铁路下采煤的实例的研究以及动态预计结果本身的特点,本文就此提出了“移动变形曲线”图示法来建立预计结果与维护措施之间的有机联系。

“移动变形曲线图示法”具体操作是:根据动态预计结果,绘制出移动变形动态曲线图 (可以是下沉、倾斜变形、水平移动、水平变形等各种曲线),设定变形参考值 (铁路允许变形值),在动态移动变形曲线图上,画出某一时间段内的变形参考线,参考线与移动变形曲线的交点所对应的平面坐标即为铁路上此时间段内维护范围的起止点坐标,并对变形参考线与曲线包围区域进行填充,填充区域变形值的大小即为本次维护的预计工作量。

2 工程应用

2.1 矿区铁路介绍

梧桐庄矿位于河北省邯郸市峰峰矿区东南部及磁县西部,井田呈三角形展布,北窄南宽,全井田地质储量 440.9Mt,设计可利用储量 210.59Mt,可采储量 134.52Mt,矿井设计生产能力为 1.2Mt/a,设计服务年限 80a。

梧桐庄矿运输专线目前属于工企Ⅲ铁路线,走向大致向北,中途向西北方向转弯。铁路每天平均上下午各有一对列车运行,间或有火车头运行,行车速度一般不超过 45km/h。根据初步估计铁路下工作面开采影响范围内,铁路所处地势高低起伏不平,修筑在高路堤上,路堤为土质结构,两侧为农田或小砖窑。

2.2 铁路保护煤柱开采工作面布置

工作面按照协调式跳采技术布置,现已布置 2个采区共 6个工作面,工作面布置基本情况见表1,工作面与铁路位置关系见图 1。

2.3 开采沉陷动态预计

204工作面开采时间最早,其平面位置距离铁路线路较近,能够充分反映地下开采对铁路线路的影响,本文以 204工作面为例说明动态预计过程。根据梧桐庄矿相似地质采矿条件下已有实测资料,选取地表移动预计参数见表 2。

表1 工作面基本情况

图1 工作面与铁路位置关系

表2 开采沉陷预计参数

铁路属于线状物,最能反应铁路受地下开采影响的方法是沿铁路布设计算线。

为了便于说明,沿梧桐庄矿铁路直线方向布设1条计算线,起点坐标 (19810.8,24085.9),终点坐标 (19916.3,26073.1)。以 10m为间距在计算线上取 200个计算点 (可根据需要和精度要求自行设定)。对于铁路转弯部分可以直接取点计算求出变形值。

204工作面推进速度大约为 5m/d,将开采时间划分为 13个计算时段,见表 3(可根据需要确定具体的时间间隔)。计算方案以 2008年 8月 1日为计算开始时间,以工作面开采完毕稳定 1a后为计算结束时间,计算工作面推进到每个时间段计算线上的下沉、倾斜变形、水平移动、水平变形。经过计算,各计算时间段内计算线移动变形值见表 4。

表3 计算时段工作面推进距离与时间

2.4 “移动变形曲线”图示法的应用

以 204工作面动态下沉曲线为例,说明此方法的应用。如图 2所示。图中,取 50mm下沉值为参考值 (根据现场需要可自行设定参考值的大小),在图上标定下沉参考线。

在 1时间段内,最大下沉值未能达到 50mm,故此时间段内不需要对铁路进行维护。

表4 各时段计算线移动变形值

图 2 “移动变形曲线图示法”标示动态下沉曲线

2时间段内,最大下沉值超过 50mm,将参考线与下沉曲线的交点投影到计算线上,两点间的区域即为此时间段内所要维护的区域,以计算线 1号点为 0点,图中 2时间段维护范围为 530～968m,填充部分即为需要垫起的部分,具体方法可以将此时段最大下沉值点起垫到参考线的高度,然后依次向两边起道顺坡。将超出下沉参考值部分铁路起垫后,在维护阶段起止点位置容易形成竖直方向上的硬弯,造成铁轨的损坏或变形,由于工作面不断向前推进,下沉曲线的影响范围也不断向前推进,维护终点的硬弯可以自然地消失,而维护起点的硬弯因为下沉范围向后扩展不大无法自然消失,这时可以从此点向后顺坡,达到列车安全运行的标准。

3时间段内,铁路维护范围的确定与 2时段相同,由于 2时间段已经对超出下沉参考值的铁路进行了维护,此时段所要维护的即为已维护路段的新增下沉值和未维护路段超限下沉值两部分,图中填充部分即为此时段的工作量,维护范围起止点处理方法与 2时间段相同。

依次类推,12个时间段维护工作完成后,以最后一个时间段的维护起止点为基点,向后或向前顺坡,以便列车能安全平稳运行,第 13个时间段的下沉属于残余变形,基本不会影响正常的运行。

3 结论

(1)保护煤柱开采期间矿区铁路维护设计模式的提出,避免无计划、盲目地维护工作,减轻了铁路维护人员负担,并减少了铁路下采煤的成本。

(2)设计模式关键在于开采沉陷动态预计及建立预计结果与维护措施之间的有机联系。引入了“彼亚维克 -杨时空开采沉陷预计”,并提出了“移动变形曲线”图示法来解决关键问题。

(3)该方法在峰峰矿区梧桐庄矿铁路下采煤得到了成功的应用,取得了显著的经济效益。

[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]开滦煤炭科学研究所.铁路下采煤 [M].北京:煤炭工业出版社,1978.

[3]国家煤炭工业局 .建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 [M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[4]煤炭科学研究院北京开采所 .煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用 [M].北京:煤炭工业出版社,1982.

[5]邓伟男 .矿区铁路及桥涵下采煤沉陷动态预计与防护措施研究 [D].北京:中国矿业大学 (北京),2009.

[责任编辑: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

邓伟男 (1986-),男,河南滑县人,采矿工程博士,主要研究方向为“三下”采煤技术及其理论的研究与应用。