郭二庄矿铁路下采煤地表变形监测及沉陷治理

孔旭

摘要：铁路下采煤是“三下”采煤的重点研究问题之一，郭二庄矿针对开采铁路下22208工作面的煤层而引起地表沉陷，从而是否影响行车安全，对地表变形量进行了长期不间断监测，并将所得数据进行总结、处理，根据结果决定对部分路段沉陷进行治理，从而判断在铁路下郭二庄矿段采煤是否安全有效。

关键词：煤矿  铁路  变形监测  数据处理

1 概述

我国是煤炭资源消费利用大国，为了合理有效的开采出矿井的剩余煤炭资源，延长矿井服务年限，“三下”采煤越来越多的引起学者的关注，铁路下采煤是“三下”采煤重点研究的问题之一[1]。铁路线路主要由路基、道床、轨枕和钢轨组成，路线的基础是路基。列车的动荷载通过轨枕和道床传递给路基，因此，路基必须通常保持足够的强度和稳定性。但是，铁路下方的煤层被采出以后，采空区上覆岩层发生变化波及地表以后，位于采空区上方的路基开始下沉，随着回采工作面的进行， 路基下沉量逐渐增大，下沉范围亦不断扩展，为了保证开采阶段的安全生产，必须进行铁路下采煤沉陷观测与治理[2]。

2 研究区概况

郭二庄矿主采2#煤层，沙午铁路为国家Ⅱ级铁路，在郭二庄煤矿井田内铁路为单轨，曲率半径500米，线路坡度为12‰，沙午铁路行车密度小（每日2-3对列车），车速在40-60km/h间。采区铁路沿线北部为山岭沟谷，南部为马会河床，马会河为季节河流，河床北岸较陡，南部为宽阔河滩，植被稀少，铁路沿线基岩零星出露，其他为河流冲积物所覆盖。

22208工作面走向长2125米，倾斜长150米，煤层平均厚度为1.7m，平均倾角16°，属于中厚、倾斜煤层，采煤方法为走向长壁，顶板管理为全陷法，综合机械化采煤工艺。煤层直接顶板为粉砂岩，局部为细砂岩或泥岩，老顶为中细砂岩，老底为灰色中细砂岩，平均厚度2.98m。沙午铁路位于22208工作面的上方660m，铁路在该采区的长度约1.08km，其中采深比为1：388。

表1  22208工作面采矿参数表

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3 研究方法

3.1 变形规律

地下煤层采出后，上覆岩层失去支撑，部分岩石与整体分开，破碎成大小不一的岩块，无规律地充填采空区。岩层不再保持其原有的层状结构。当地下工作面开采达到一定距离后，地下变形破坏便波及地表，使受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷区域，在地表移动盆地的形成过程中，逐渐改变了地表的原有形态，引起地表标高、水平位置发生变化，从而导致位于影响范围内的地面上建筑物、铁路等的破坏[3]。

通过全站仪变形监测，可以基本准确掌握整个煤矿的地表沉陷状况，亦可以通过裂缝或者塌陷反映在地表，但监测整个研究区域的地表沉陷成本太高，工作量太大，不是可行的办法，通过监测典型工作面的方法，可以节约成本[4]。

3.2 测点布置

为掌握铁路下采煤的线路移动和变形规律以及为线路维护提供依据，在采动影响区段铁路沿线设置观测站。

22208工作面上方铁路共设置工作观测点43个，其中14-27号14个观测点在采空区的正上方，其余29个观测点在采空区外，观测线的长度1100m，其中观测点采用直径为15mm，长为30cm的钢棒，其上表面锯成“+”形作为观测标志，在观测地点掘坑后用水泥混凝土浇注作为观测点。测站的控制点 （基点）设在移动盆地范围以外（铁路观测站布置如图1所示。）

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图1  铁路观测站布置示意图

22208工作面观测站开始每个月进行测量，基本稳定以后每隔半年进行测量，均按四等水准测量要求观测。所有测量的内外业各项指标均符合规程要求。地表受采动影响期间，对现场还进行了多次实地巡察，并做了描述和记录，获得了大量详实的地表移动观测资料。现将几次典型数据作图，列举如下：

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图2  地表变形观测曲线

从图1、图2可以看出地表首先是从采空区正上方开始的变形，然后逐渐扩展到两边，随着工作面的推进每次检测发生变形的最大值逐渐向小号观测点偏移，这和工作面的推进方向是一致的。从第五次数据中可以看出当出现最大下沉值714mm后，变形的剧烈程度和区域范围都逐渐减小。

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图3  地表下沉移动盆地范围

图3中四条曲线为对应的发生变化的观测点范围，右侧矩形框内的铁路线正好处于采空区的正上方，斜线为断距1米的一条正断层，根据上图，我们可以更容易的看出，以位于采空区上方的区域为中心断层处的下沉盆地最大，而且下沉范围是逐渐变大的，到达最大变形以后经过处理也会发生局部变形，只是范围和幅度都会逐渐减小。

在铁路下方开采煤炭资源时，主要是为了防止发生剧烈的下沉而影响到行车安全，从图中我们可以看出变形区域的角度比较平缓，这说明下沉的速度是渐变不是突然的，经过后期修复对列车的影响就会减小，这在实际行驶中也得到了验证，列车会安全通过。

4 结论

①由上述可以看出开采初期测点的下沉速度较快，随着开采的进行，测点下沉速度逐渐减小达到最大下沉值并最终稳定，下沉区域的急剧变形区集中在最大下沉点周围150m左右，所以在开采过程中要重点加强该区域的铁路观测和修复。

②该项目顺利的完成了铁路修复工作，在不影响列车正常运行的前提下，解放了铁路下的煤炭。从而为郭二庄矿接下来解放铁路压煤提供技术支持。随着邯郸矿业集团逐步向此类条件开采，该项目成果在理论和技术上具有一定的指导意义，可在类似条件的煤矿推广应用。

参考文献：

[1]许志楠.对“三下”采煤技术的认识与研究[J].电力与能源，2011（6）：240-241.

[2]王唯真.大型煤矿变形监测数据处理及沉陷预测研究[D].长安大学，2011，9：2-5.

[3]彭林军，宋振骐.GPS技术在煤矿开采沉陷观测中的应用[J].煤，2010（10）：15-18.

[4]尚继平.郭二庄矿铁路下采煤地表沉陷预计和铁路修复技术[J].河北煤炭，2010（3）：10-11.