煤炭开采铁路专用线沉降变形规律及线路维护技术

摘要：中煤新集能源股份有限公司刘庄煤矿111102工作面横穿地面板集煤矿铁路专用线，171305工作面（里段）垂直地面口孜东煤矿铁路专用线。受井下采煤工作面开采影响，地表下沉，不仅导致铁路专用线路基塌陷下沉，还造成轨道线路结构性的破坏，影响列车安全通行。为保障矿区煤炭正常外运，满足铁路专用线安全运行需求，根据开采沉陷预计情况。本文制订铁路专用线塌陷治理施工方案，同时利用CORS参考基站加强轨道的变形监测，创新工程管理方法，引进使用新型设备，合理组织人力、物力等材料调配，摸索出一套塌陷区铁路专用线治理的经验方法，为铁路下煤炭开采治理提供借鉴和参考。

关键词：回采；监测；路基；轨道

DOI：10.12433/zgkjtz.20232441

一、111102工作面和171305工作面（里段）概况

刘庄煤矿111102工作面、171305工作面（里段）布置在巨厚松散层下方，其中111102工作面开采深度为-755.0～-487.6m，工作面长1578m，工作面宽279m，平均倾角为14°，平均采高为4.11m，工作面走向自板集矿铁路专用线下方穿过，夹角49°；171305工作面（里段）倾向长1356.9～1369.1m，工作面斜长308.1m，开采深度-591.9～-522.6m，平均倾角为2°，平均采高为5.52m。工作面走向自口孜东矿铁路专用线下方垂直穿过，夹角81°。

二、煤炭开采岩移变化对地面铁路铁专线的影响

刘庄煤矿111102工作面和171305工作面（里段）回采，造成地面出现台阶式裂缝，进而影响铁路路基下沉，导致轨道出现偏移、瞎缝等情况，严重影响列车安全运行。为指导现场轨道治理，加强轨道沉降、变形监测，沿轨道平行方向设置50个沉降变形监测点（T1～T50，间距50m），利用电子水准仪和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定期对轨道监测，实时反映回采进度与轨道沉降变形关系。板集铁专线受塌陷影响长度约1700m，根据实测数据铁路路基最大下沉4.95m，沉降活跃期路基最大沉降速率为79mm/d，轨道向东最大偏移值1.36m；口孜东铁铁专线受塌陷影响长度2300m，铁路路基最大下沉2.33m，沉降活跃期路基最大沉降速率为31mm/d，轨道向南最大偏移值1.42m。

三、工作面回采影响情况统计分析

（一） 刘庄煤矿111102采煤工作面回采影响统计分析

通过对刘庄煤矿111102采煤工作面回采期间，在沉降区段铁路专用线路基设置监测桩，全过程监测采煤工作面回采期间板集矿铁专线路基沉降变化情况，分析采煤工作面斜穿铁专线造成的影响。当采煤工作面推进至水平距离铁路专用线300m时，铁专线路基开始出现下沉现象，随着开采速率的增大，路基下沉速率也增大；当工作面推进过铁路专用线25m时，路基下沉速率达到峰值；当工作面推进过铁路专用线250m时，路基下沉速率逐渐趋于平缓。具体变化趋势详见111102工作面推进至板集铁专线距离、开采速率与路基下沉速率关系（见图1）。

（二）刘庄煤矿171305采煤工作面（里段）回采影响统计分析

通过对刘庄煤矿171305采煤工作面（里段）回采期间，在沉降区段铁路专用线路基设置监测桩，全过程监测采煤工作面回采期间口孜东矿铁路专用线路基沉降变化情况，分析工作面横穿铁专线造成的影响。当采煤工作面推进至水平距离铁路专用线300m时，铁专线路基开始出现下沉现象，随着开采速率的增大，路基下沉速率也增大；当工作面推进过铁路专用线25m时，路基下沉速率达到峰值；当工作面推进过铁路专用线250m时，路基下沉速率逐渐趋于平缓。具体变化趋势详见171305采煤工作面（里段）距离口孜东铁专线水平距离、开采速率与下沉速率关系图（图2）。

综上所述，铁路专用线影响下沉速率的因素主要包括开采深度、回采速度、工作面回采推进至铁路专用线的水平距离及相互几何位置关系等。准确掌握铁路专用线的下沉速率，可有针对性地开展塌陷治理工作，进一步提升塌陷治理的效果。

四、 铁路专用线总体维护原则

根据铁路塌陷治理的总体施工方案，结合铁路专用线运行的实际状况，本文采取边塌陷边治理保运行的总体施工原则，同时进行井下采煤工作面回采沉降与铁路专用线路基回填轨道维护，确保铁路专用线满足列车正常运行需求。

（一）路基回填

采煤塌陷区段既有铁路专用线均为有砟轨道，其路基断面形状与宽度应符合《铁路专用线设计规范》（试行）（Q/CR 9156—2019）的有关要求。根据采煤工作面回采影响预计路基下沉的最大值，在塌陷影响沉陷前预先进行铁路专用线路基的加宽、加高预回填，轨道道床采用随下沉、随补充道砟逐渐抬高的施工方案。

口孜东铁路专用线路基回填施工采取边沉陷边加固的施工方案，主要选用矿井矸石作为路基加宽和加高的主要回填材料，考虑到运输途径及地方干扰的各种因素，当矿井矸石回填进度无法满足轨道治理施工需求时，在铁路专用线两侧塌陷区域就地开挖土方，并加拌石灰，采用灰土进行路基加固施工。根据车辆运输需求，考虑土方边坡的稳定性，路基上口轨道每侧加宽10m，边坡坡度取1∶1.75，轨道宽度按3m算，塌陷影响下沉前铁路专用线路基底部加宽后总宽度用公式表示为B=2×[1.75×（h1+h2）]+23，式中，B为路基底面总宽度，h1为原路肩高度，h2为预计塌陷影响下沉量，单位均为m。

铁路专用线路基加宽应从底部地面开始，底部路基加宽应一次完成，并分层碾压密实，加高部位应按边坡稳定系数随加高随收缩，严格遵守《铁路工务安全规则》规定的器具、材料堆放要求，并应注重与原路基搭接处的夯实处理。加宽的路肩宽度除应符合《铁路专用线设计规范》（试行）（Q/CR 9156—2019）规定要求外，还应满足施工车辆行驶错车和路基边坡稳定性的要求，确保施工车辆行驶安全。在铁路专用线软弱地基条件下，当安全系数不能满足要求时，加宽可不受限，应采用施工二平台形成反压护道的方法进行加固，加宽的最终宽度可根据现场实际情况，由路基边坡的稳定性确定。铁路专用线路基加宽加高施工应由下向上分层实施，分层压实厚度依据压实机械能力进行控制，宜取300mm。

（二）路基与轨道监测

铁路专用线线路监控指标内容包括轨道变形、轨道不平顺、轨道下沉速率等。铁路专用线塌陷区段线路变形监测宜以自动化监测为主，人工四等水准测量辅测量，四等水准测量每千米水准测量的全中误差不应超过10mm。铁路专用线塌陷区段沉降变形观测点可根据现场实际情况，宜以50m为一间隔设置，局部区段可适当加密至25m，并延长至沉陷区范围两侧各250m左右，每边设置不少于3个控制点，以防塌陷区范围扩大或监测控制点损坏。每处沉降变形观测点至铁路钢轨的距离以4.0～16m为宜，减少路基回填对监测点的破坏，并对损坏的监测点需及时恢复补测。沉降变形观测点宜设在能全面反映铁路沿线变形特征的位置，易于观测且不受施工影响。首期沉降变形观测宜连续进行2次观测，取平均值作为初始值；第二期可采用单程附合测量进行观测。为有效指导路基回填和轨道治理施工，当路基沉降速率大于80mm/d时，每天对塌陷区路基进行监测分析一次；当路基沉降速率为30～80mm/d时，每两天对塌陷区路基进行监测分析一次；当路基沉降速率为10～30mm/d时，每三天对塌陷区路基进行监测分析一次；当路基沉降速率小于10mm/d直至趋于稳定，每周对塌陷区路基进行监测分析一次；当轨道下沉速率连续三周小于1mm/d时，塌陷区段下沉可视为基本稳定。

（三）轨道维护治理

通过对工作面回采期间铁专线的监测进行分析，为铁专线轨道治理提供有力的技术支撑。在铁专线轨道治理过程中，本文创新轨道治理维护的方式方法，合理安排作业工序，提出轨缝量测法、塌陷区段轨缝分解法、统一标高法和预起道法等多种轨道治理方法，确保铁专线塌陷治理工作安全、高效运行，保证列车安全通行，保证煤炭外运销售不受影响。

1.补充道砟、起拨道作业

为便于轨道维护，根据轨道的实际情况，本文采用统一标高法，调整塌陷区段轨道的原设计标高。开采沉降影响前，根据塌陷沉降预计下沉量，采用溜砟车对即将塌陷区段的轨道进行溜砟，利用起道机械设备进行预起道。预起道范围为塌陷速率较快的区段，通过预起道，避免塌陷区段出现“大锅底”，有效减缓造成线路轨道瞎缝的频率。开采沉降影响后，根据轨道沉降变形观测数据，利用侧翻车和铲车，对铁专线沉降段轨道进行补砟，利用水准仪、全站仪配合起道机械设备进行起拨道作业，线路抬升施工可沿轨道走向逐段进行，每次起道高度不大于80mm，拨道量不大于100mm，顺坡不大于2‰ 。同时，根据沉降速率，及时组织人力、设备、材料等进行养护作业，确保轨道质量，满足列车行车安全。

2.调整轨缝

夏季高温天气，轨道温度较高，塌陷区段轨道路基沉降如呈现锅底状极易造成轨道钢轨瞎缝，发生胀轨现象，影响列车安全运行。巡道人员应每天2次测定塌陷区段轨道钢轨轨缝，并根据轨道变化情况，及时调整轨缝，必要时更换短轨，确保轨道不连续出现3处瞎缝，杜绝胀轨现象发生。

3.巡道管理

由于塌陷区轨道沉降变形速率较快，为提前预防轨道轨距变化和塌陷出现的台阶现象，必须在列车通行前后对轨道进行巡查、测量，及时处理轨道出现的瞎缝和台阶现象，消除安全隐患，保证列车安全运行。

4. 线路控制

为有效控制塌陷区线路几何尺寸，确保线路运行质量，结合《普速铁路线路修理规则》（TG/GW 102—2019）相关要求，探索塌陷区线路轨道几何尺寸容许偏差范围，在满足列车安全运行的同时，以降低维护工程量。容许偏差管理值见表1。

五、铁专线塌陷治理建议

塌陷区既有铁路线路工程维护应体现技术经济合理和安全高效的原则，应因地制宜地采用新技术、新工艺、新设备、新材料，推行科学管理，重点做好以下6方面工作：

1.针对矿井开采十年规划，至少提前1年制订铁专线治理方案，并组织实施。

2.根据以往工作面沉降监测数据，结合即将塌陷工作面实际情况，及时对铁专线路基进行预加宽、加高施工。

3.根据工作面与铁专线相互位置关系和铁专线沉降速率，制订合理的轨道、路基监测方案，指导轨道治理施工。

4.根据路基塌陷量、做好轨道治理所需要的物质、设备、人力资源和资金计划。

5.根据沉降速率、开采速率和轨道治理效果，可调节回采速率，确保机车安全通行。

6.面对当前的安全、环保形势，根据现场情况，制订安全、高效的路基回填施工方案，确保快速沉降期间，路基回填量满足轨道治理需要。

六、结语

板集、口孜东铁路专用线采煤塌陷区轨道治理工程通过创新管理方法，解决了路基回填量大、轨道沉降变形速率快、维护难度高等多种因素造成的问题，保证了列车的安全运行和矿区煤炭的正常外运。塌陷治理工程的成功实践，可为工矿铁路专用线的治理提供一定的参考与借鉴。

参考文献：

[1]国家安全监管总局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范 [M].北京：煤炭工业出版社，2017.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部. 工程测量规范：GB 50026—2020[S]. 北京：中国计划出版社， 2021.

[3]中国铁路总公司.普速铁路线路修理规则：TG/GW 102—2019[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2019.

[4]中国铁路总公司.铁路专用线设计规范（试行）：Q/CR 9156—2019[S].北京：中国铁道出版社有限公司，2019.

[5]中国国家铁路集团有限公司.普速铁路工务安全规则：TG/GW 101—2023[M].北京：中国铁道出版社有限公司，2023.

作者简介：胡庆礼（1974），男，安徽省凤台县人，本科，中级工程师，研究方向为煤炭企业地面工程

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