煤炭开采对侯西铁路影响分析及保护煤柱设计

刘 明 张 峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

煤炭开采对侯西铁路影响分析及保护煤柱设计

刘 明 张 峰

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

王村煤矿按设计的侯西铁路保护煤柱开采后地表出现了大量裂缝，导致侯西铁路局部路段的路基产生下沉开裂，影响了路基的稳定及列车的安全运行。为确保王村井田内侯西铁路保护煤柱设计的科学、合理，对地表产生裂缝的原因进行了分析，主要由于该区域采深小、基岩薄、第四系黄土层塑性小等特殊地质条件，以及13506工作面开采后区段煤柱垮落，达到充分采动，从而导致地表移动变形加剧，地表裂缝比较发育。并根据分析结果对铁路保护煤柱进行了重新划定。

黄土层 地表裂缝 铁路下采煤 煤柱设计

王村煤矿位于陕西渭北高原，井田为第四系黄土层覆盖，地形复杂。侯西铁路线在近南北方向上纵贯王村煤矿井田，按照其两侧的煤炭开采情况，分为南段已开采部分(13505工作面以南)和北段规划开采部分(13505工作面以北)。南段西侧为王家河村庄保护煤柱，东侧从南往北依次为13507、13506和13505工作面等工作面，已按原铁路保护煤柱开采结束。在13506工作面开采过程中，侯西铁路K180+380～K180+580段路基下沉开裂，影响了路基的稳定及列车的安全运行。为了确保北段规划区煤炭开采不影响铁路路基的稳定，需要对路基下沉开裂的原因进行分析，并根据分析结果重新划定铁路保护煤柱。

1 侯西铁路路基地表损坏情况

根据西安铁路局关于侯西线K180+380～K180+580线路路基下沉开裂加固相关资料，2011年1月5日，该段线路东侧距线路中心3～8 m保护区内地面出现裂缝，裂缝宽20～30 mm，2011年1月19日和27日地表裂缝宽度增加了7 mm，最宽处裂缝达37 mm，路肩下沉量为16 mm，累计下沉31 mm。2011年2月20日，王村煤矿对该线路段东侧及周边地表的裂缝进行了实地测量，在13505和13506工作面停采线至铁路线间的地面上，实测了1组走向为南北方向的裂缝，该组裂缝与工作面推进方向夹角约18°，规律性裂缝共计6条，从工作面停采线至铁路线方向上裂缝宽度逐渐减小，见图1。

2 侯西铁路路基地表损坏原因分析

图1 实测地表裂缝分布与工作面位置关系

为了保护铁路安全，王村煤矿按照相关设计在铁路两侧留设了一定宽度的保护煤柱， 在铁路两侧的煤炭开采过程中均严格按照设计在留设的保护煤柱线外进行开采，且多年的开采均未对铁路线产生影响。

根据实测的地表裂缝位置及出现时间分析，地表裂缝发生时间为2011年1月，与王村煤矿13506工作面在该区域的开采时间相吻合，且裂缝方向与13506工作面推进方向基本一致。因此推断该区域的地表裂缝是由于王村煤矿13506工作面开采引起。对于侯西线K180+380～K180+580段出现的损坏，分析其成因主要有以下几个方面。

(1)地层结构及岩性影响。首先，该区域第四系厚度187 m，基岩厚72 m，第四系厚度占地层总厚度的72.2%，第四系厚度大、基岩薄，覆岩岩性以中砂岩和粉砂岩为主，夹薄层泥岩，覆岩岩性为中等偏硬。在该地层条件下，致使其开采影响半径增大。其次，地表裂缝一般出现在地表移动盆地的外边缘，地表裂缝的发生和第四系的厚度、性质和变形大小均密切相关；塑性大的黏性土，一般地表拉伸变形值超过6～10 mm/m时，才产生裂缝；塑性小的砂质黏土、黏土质砂等地表拉伸变形达到2～3 mm/m时，地表即可产生裂缝[1]。该区域地表为巨厚黄土层，黄土的塑性较弱，塑性指数一般在10左右，再加上干旱等原因，致使表层黄土塑性降低，因此当出现微小的拉伸变形时，地表便产生裂缝，使裂缝的范围扩大到了铁路边缘。

(2)13506工作面采动影响。根据威尔逊煤柱核区理论，当煤柱宽度满足下述公式时，煤柱能够稳定支撑上覆岩层，即

a>0.01MH+s，

式中，M为采厚；H为采深；s为核区宽度，根据实测资料可取s=8.4m。根据计算当该区域保留煤柱宽度超过15m时，煤柱一般不会垮塌。一般充分开采的采空区宽度为1.2～1.4H，即工作面采空区长度超过310.8～362.6 m，王村煤矿在开采过程中，一般相邻的工作面间区段煤柱留设宽度为20 m左右，单个工作面宽度一般在100～130 m，其单个工作面开采为有限开采(非充分开采)，相邻多个工作面开采后，由于保留的区段煤柱影响致使其开采始终处于有限开采状态，而有限开采地表的移动变形值比充分开采小。由于13506工作面与13507工作面间煤柱宽度较窄，仅为9.8 m，在13506开采过程中，该区段煤柱垮落，其相邻的13507工作面的采空区活化，该区域达到近充分采动状态，导致该区域地表移动变形相对临近区域的地表变形范围及强度增加。

(3)地表移动变形分析。一般的铁路煤柱是以地表移动盆地外边界倾斜值3.0 mm/m，曲率值 0.2×10-3/m，水平变形2.0 mm/m来留设的，但对于黄土覆盖地区，由于黄土的塑性弱，当地表受到微小的拉伸变形时，即可产生裂缝。根据该区域取得的实测岩移参数[2，4]，采用概率积分法对13506工作面开采前13505、13504和13507工作面开采影响和13506开采后分别进行地表变形预计见图2、图3。根据预计，13506开采后侯西铁路地表拉伸变形增大的路段与实测地表裂缝特征一致。因此，可以断定该路段的地表裂缝是由13506工作面开采引起的。

图2 13506工作面开采前地表水平拉伸变形示意

图3 13506工作面开采前地表水平拉伸变形示意

综上分析，侯西铁路K180+380～K180+580段地表局部出现下沉和开裂，主要是由于隐伏构造的影响，且该区域采深小、基岩薄等特殊地层结构，导致王村矿13506工作面开采过程中地表移动变形加剧，地表裂缝比较发育。

3 铁路保护煤柱设计

为了确保划定的铁路保护煤柱能够有效地保护侯西铁路的安全运行，本次提出了2个设计方案：垂直剖面法留设保护煤柱方案和概率积分法留设保护煤柱方案。

(1)垂直剖面法保护煤柱设计。①确定保护区域：路堤坡脚外1 m、路堑坡顶、桥涵外边缘，为保护边界，按I级铁路保护等级，沿保护对象边界向外扩20 m为维护带[2-3]；②移动角、边界角确定：依据本区域的地表移动观测资料和王村煤矿13506工作面地表移动特征，选定第四系冲积层移动角取42°，基岩岩层移动角取70°，基岩岩层边界角取61°。

(2)概率积分法保护煤柱设计。采用概率积分法预计王村煤矿在侯西铁路线两侧进行煤炭开采过程中对铁路线的影响，逐步调整铁路线两侧工作面的开采边界，直至满足铁路线路的安全要求，调整后各工作面在铁路方向的开采边界线即为侯西铁路的保护煤柱线。铁路的影响边界按照下沉值10 mm的边界线确定，地表下沉大于10 mm区域为受煤层开采影响区，小于10 mm区域为不受开采影响区。

综合分析以上垂直剖面法划定和概率积分法计算2种方法的计算结果，按最大限度保护铁路安全的原则，以2种方法确定的最外保护煤柱线作为最终的侯西铁路保护煤柱范围，见图4。

4 结 语

王村煤矿井田内侯西铁路地表局部出现下沉和开裂，主要是由于该区域采深小、基岩薄、第四系黄土层塑性小等特殊地质条件，以及工作面开采后区段煤柱垮落，使开采达到充分采动，从而导致王村煤矿13506工作面开采过程中地表移动变形加剧，地表裂缝比较发育。本研究采用垂直剖面法和概率积分法，重新对铁路保护煤柱进行了设计，并以最外保护煤柱线作为侯西铁路保护煤柱范围，以确保划定的铁路保护煤柱能够有效地保护侯西铁路的安全运行。

图4 侯西铁路保护煤柱综合划定图

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(责任编辑 石海林)

Influence Analysis of Coal Mining to Houxi Railway and Design of Protective Coal Pillar

Liu Ming Zhang Feng

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063000，China)

A large number of cracks appear after the coal resources are mined out according to the design of protective coal pillar under Houxi railway in Wangcun coal mine，leading to subsidence and crack in local sections of Houxi railway roadbed.This affects the stability of roadbed and the stable operation of the train.In order to make sure the design of protective coal pillar under railway more scientific and reasonable，the reasons for cracks are analyzed.Due to the special geological conditions，including the small depth，thin bedrock，less plastic of Quaternary loess layer，and the failure of coal pillars resulted from the mining of 13506 working face to reach full-scale mining，the surface movement and deformation increased，and surface cracks are well developed.According to the analysis，the proactive coal pillar will be re-planned.

Loess layer，Surface crack，Coal mining under railway，Coal pillar design

2015-02-04

刘 明(1981—)，男，助理研究员。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-018-03