复杂山区煤矿铁路限制坡度标准研究——以帽帽山矿区铁路为例

■中铁第五勘察设计院集团有限公司 乔响路

限制坡度是货运铁路重要技术标准之一，对线路走向、建设投资、运输能力等均有较大影响。在山区重载货运铁路，选择经济合理、安全可靠的限制坡度尤为关键。本文以帽帽山矿区铁路为研究对象，结合沿线地形地质条件、运输需求，深入分析路网匹配性、工程经济性、运营安全性等影响因素，对山区煤矿限制坡度方案进行系统研究。

1.帽帽山矿区铁路概况

1.1 项目基本情况

线路位于山西省大同市左云县、朔州市怀仁市境内，接轨于北同蒲线里八庄站，全长约31.042km，主要承担帽帽山矿区及周边煤炭外运任务，年运量约1500万t。

1.2 选线控制点及线路方案

（1）沿线采空区范围大：线路附近煤矿企业众多，矿产开采时间久，故以煤矿开采形成的采空区为控制线路方案的最主要因素。

（2）环境敏感点数量多：沿线分布有重要环境敏感区7处，其中国家级风景名胜区1处、省级森林公园2处、国家级湿地1处，其他敏感区3处。

（3）基本农田分布广：本线位于山西省大同市和朔州市境内，沿线基本农田广泛分布。

总之，沿线控制因素较多，线路走向受控，给限制坡度的选择带来了较大难度。经线路走向、接轨点等综合比选，推荐的线路方案如图1所示。

图1 线路方案示意图

2.限制坡度的选择

2.1 影响因素分析

限制坡度选择的影响因素较多，主要包括地形条件、牵引质量、工程投资、运营安全等[1]。

帽帽山矿区铁路沿线地形呈西高东低态势，其中，帽帽山煤矿新建水窑装车站高程较大，里八庄站高程较低，小磨站位于两者之间。线路主要经过两个地貌单元，分别为山前倾斜平原区和晋北高原丘陵区。山前倾斜平原区主要分布在CK0+000～CK15+466，晋北高原丘陵区主要分布在

CZK1+500～CZK16+953。

本线后方运输通道为北同蒲线及大秦线，均开行万吨、2万吨煤炭重载列车，为便于牵引质量的协调统一，本线牵引质量尽可能采用万吨。但由于受山上地形及采空区影响，牵引质量受限制仅满足5000t条件，导致万吨列车贯通运输难度较大，故考虑在中间合适位置进行组合，以实现本线交出至北同蒲线的列车满足万吨要求，减少对后方通道运输效率的影响。

沿线地形呈西高东低的特点，重车方向上坡基本不受制约，主要受下坡制动影响，故此次研究限制坡度选择重点为重车下坡制动[2]。

综合以上因素，结合线路走向方案、牵引质量要求，为尽可能适应地形、节约工程投资[3]，此次将全线分为里八庄至小磨、小磨至水窑两段进行限制坡度研究。

2.2 里八庄至小磨段

2.2.1 沿线地形条件

里八庄至小磨段主要通过山前倾斜平原，沿山脉边缘广泛分布山前洪积扇，构成山前倾斜平原，坡度一般5°～6°，最大可达8°～10°，沿山脉的走向形成起伏不平的波浪状，西高东低，地表多发育浅沟，海拔约1013m～1150m。

从地形条件分析，本段地面自然坡度相对较大，仅有一处500kV高压走廊通道，线路沿500kV托源Ⅰ线北侧向西走行，长度约14.3km。区间CK0+000～CK5+000段相对高差25m，自然坡度为5‰；CK5+000～CK11+000段相对高差80m，自然坡度为14‰；CK11+000～CK13+000段相对高差16m，自然坡度为8‰。因此，本段适应地形的坡度为14‰。

2.2.2 外部运输条件

从运输通路分析，为便于牵引质量的协调统一，本段限制坡度宜与后方通路相统一[4]。本线接轨的北同蒲线限制坡度为6‰，后方通道大秦线为4‰/12‰，区域内神朔、朔黄、准池等重载铁路限制坡度均为4‰/12‰，准朔线限制坡度为6‰/14‰。

2.2.3 限制坡度方案比选

结合沿线地形条件及外部运输条件，本段宜与相关各线限制坡度12‰相统一，但考虑CK5+000～CK11+000段采用14‰坡度可以显著减少桥梁长度，降低路基填高，节省工程投资，故本段主要研究12‰、14‰两个方案。

（1）工程经济性分析

通过两方案对比，线路长度基本相同，14‰方案较12‰方案桥涵长度减少3.595km，工程投资减少1.3亿元，经济性优势明显。

（2）制动安全分析

1）理论计算

①计算原理及公式

根据TB/T 1407.1-2018《列车牵引计算》（以下简称《牵规》）[5]，为了满足列车在长大下坡道上安全平稳运行，采用周期制动时列车充风时间需满足再次制动要求，即在每一个制动周期内，列车缓解后由缓解速度上升到坡道限制速度时的增速时间之和[6]-[7]。

缓解增速时间

②下坡制动坡度检算

采用HXD1型8轴机车牵引万吨进行制动检算，列车编组102辆，列车管空气压量取500kPa，制动限速为80km/h，缓解速度取30km/h，其余参数取值按《牵规》相关规定执行。

12‰方案：减压量取50kPa～70kPa情况下，采用空电联合制动可以满足周期制动要求，保证运输安全。

14‰方案：理论计算一个周期制动距离大约4.9km，本段长大下坡主要应用在CK6+100～CK9+500段，长度分别为3.4km，HXD1单机采用空电联合制动可以满足周期制动要求。

2）牵引模拟计算

经牵引模拟计算，本段在14‰坡度方案下满足制动要求，牵引VS曲线如图2所示。

图2 里八庄至小磨段14‰方案牵引VS曲线

3）运营实践经验

根据国内重载铁路运营情况，大秦、神朔、朔黄等重载铁路限制坡度均为4‰/12‰，目前在12‰下坡开行万吨的运营经验成熟。接轨于北同蒲线宋家庄站的小峪专用线，由HXD系列电力机车牵引万吨列车，重车方向存在部分大于14‰下坡，长约2.86km，可满足列车下坡制动运营要求。

2.2.4 小结

综合分析，14‰方案与12‰方案均能满足运输需求，保证运输安全，且14‰方案与12‰方案投资减少1.3亿元，故里八庄至小磨段限制坡度推荐采用14‰。

2.3 小磨至水窑段

本段主要通过晋北高原丘陵区，线路长度13.7km，地形起伏大。区间CZK0+000～CZK3+000段相对高差34m，自然坡度为11‰；CZK3+000～CZK7+000段相对高差64m，自然坡度为16‰；CZK7+000～CZK13+000段相对高差122m，自然坡度为20.3‰。该段穿越多个煤矿矿区，沿线分布有大量煤矿采空区，线路宜绕避采空区，展线条件困难，选线难度较大，受工程条件限制需采用较大坡度[8]。

根据沿线地形条件，结合牵引质量匹配情况，本段重点研究20‰、24‰两个方案。

2.3.1 方案说明

20‰方案：线路自小磨站引出后，沿鹅毛河河堤外以路基形式上山，于水窑站东侧以20‰坡度展线后，引入水窑站。

24‰方案：线路走向与20‰方案大致相同，于水窑站东侧以24‰坡度展线后，引入水窑站。

2.3.2 工程经济性分析

线路若采用20‰以下限制坡度，则CZK7+000～CZK13+ 000段不能沿鹅毛河河道走行，工程投资急剧增加；若采用24‰以上限制坡度，则大段落线路不能充分利用限制坡度。两方案对比，20‰方案较24‰线路长度增加0.8km，投资增加0.3亿元。

2.3.3 制动性能分析

（1）理论计算

结合线路地形条件，本段坡度受下坡制动限制。根据前述检算原理，列车管空气压量取500kPa、减压量取80kPa，制动限速为60km/h，缓解速度取20km/h其余参数取值按《牵规》相关规定执行。不同坡度牵引质量适应情况计算如表1所示。

表1 不同坡度适应性表

（2）运营实践经验

结合国内既有线运营现状，新疆地区的红岭线为DF8B型机车双机在20‰的下坡地段可满足牵引5000t要求；山西口泉支线、小峪专用线均为DF系列内燃机车单机牵引2500t，坡度在24‰左右。

2.3.4 小结

小磨至水窑段限制坡度采用20‰方案与沿线地形适应性较好，工程投资较24‰方案增加较少，综合经济性能较优，可在小磨站实现万吨组合分解，前后两段的运输协调性较好，故本段限制坡度推荐采用20‰。

2.4 研究结论

综上所述，本线里八庄至小磨段采用14‰方案、小磨至里八庄站采用20‰方案与沿线地形适应性强，运输组织协调性较好，工程投资适中，综合效益较优，故作为限制坡度推荐方案。

3.结语

帽帽山矿区铁路里八庄至小磨段限制坡度采用14‰、小磨至水窑段采用20‰，综合技术经济较优，运输组织协调性好，可以保障运输安全要求。限制坡度的确定，为本线其他铁路主要技术标准、线路方案、工程投资的确定提供了支撑，同时可为复杂山区重载铁路限制坡度选择提供参考。