矿区铁路专用线开采沉陷规律研究

戴超

（开滦钱家营矿业分公司，河北 唐山 063301）

0 引言

开采铁路下煤炭资源是“三下采煤”的重要组成部分，预测铁路沉降并采取合理方案保障铁路正常运营对煤矿企业的正常生产至关重要。我国从20 世纪50 年代开始就对铁路下采煤进行研究和试验，在矿区铁路专用线下开采沉陷预计及治理已经积累丰富经验。赵琦等通过研究采用放顶煤综采方式开采铁路线下煤层，对矿区自营铁路进行沉陷预计，并总结沉陷后的线路养护治理方式；王喜富等设计了放顶煤的综采方式下铁路沉陷预计和治理系统对地表及铁路的移动变形进行准确的预测，并为铁路沉陷治理提出相应措施；任占营等研究了矿区铁路开采沉陷自动绘制系统，将矿区铁路专用线开采沉陷预测与AutoCAD 结合，助力矿区铁路沉陷治理；龙四春等通过ArcGIS 预测矿区开采地表沉陷，对沉陷预测进行可视化处理，为矿山沉陷治理提供有力保障；韩建文根据大量实测数据，分析了唐山地区深厚煤层的沉降特点和规律，并对七滦铁路沉降提出整治措施[1-8]。

本文以开滦钱家营矿区铁路专用线为例，从研究地下开采引起的地表移动和变形规律出发，在矿区回采工作面上方沿铁路专用线建立倾向地表移动观测站，根据观测数据总结地表下沉规律，综合分析铁路移动变形规律并提出治理建议，既保证铁路专用线的正常使用，又保证矿山生产顺利推进。

1 工程概况

1.1 矿区铁路专用线

开滦钱家营矿区铁路专用线——钱吕铁路，与古冶、吕家陀、范各庄矿支线铁路接通，煤炭经钱吕铁路运输至古冶站外运，钱吕铁路承担着开滦钱家营矿区主要煤炭运输任务。钱吕铁路在钱家营矿区范围内长3 898.0 m，铁路专用线周围以农田为主，局部地段有散落农房，煤系地层为第四系冲积层所覆盖，厚度为70～140 m，该区域地面标高+19.6—+22.8 m，平均标高21 m。

1.2 采区情况

矿区铁路专用线位于钱家营矿东翼十采区，工业广场北侧，十采区作为重复开采区域，先后有2077W、2075W、2076W、2096W 等开采工作面，均已开采完毕，对地表沉陷影响已趋于稳定。2097W 是目前对矿区铁路专线唯一影响的开采工作面，该工作面走向长度1 141.1 m，倾向斜长185.9 m；煤层厚度0.2～4.2 m，平均开采厚度2.3 m；煤层倾角2°～17°，平均4°；工作面标高-682.3—-722.7 m，矿区铁路专线横穿工作面。该工作面采用走向长壁式综合机械化放顶煤方式回采，顶板管理方式为一次采全高全部垮落法。

2 地表移动观测

2.1 观测站设计

2097W 地表移动观测站倾向观测线沿矿区铁路专线布设，设有68 个工作测点，控制点3 个，观测路线共2 087 m，工作面与观测站平面图如图1 所示。沿矿区铁路专用线建立地表移动观测站，既可计算地表移动参数，分析地表移动和变形规律，又可以监测铁路变形，为今后指导生产、采煤沉陷治理和铁路维护提供依据。

图1 观测站平面图Fig.1 Plane of observation station

2.2 埋石情况

观测站的控制点、工作测点和水准基点采用预制的观测桩，观测桩埋设深度位于冻土层以下300 mm 处。观测桩采用现场浇筑方法分段进行，底座+桩体的“凸”字型结构，底座长、宽为500 mm，桩体长度根据不同埋设位置分为300、800 和1 200 mm 规格，顶面预留20 mm 螺栓，以备后期接点，螺栓中间做十字标志，如图2 所示。

图2 观测点结构示意Fig.2 Schematic of observation point structure

2.3 外业观测

采用SOUTHS8+GPS 接受机、LeicaTS09Plus 全站仪和LeicaNA2 自动安平水准仪进行外业连接测量、全面观测、水准测量。

2.3.1 连接测量

在回采工作开始前，首先根据观测点与2097工作面投影到地表位置的相互关系，进行控制点和钱家营矿区控制网的连接测量，获得控制点准确平面坐标和高程后，再观测测点和工作测点的平面坐标与高程。因2097W 观测站控制点继续使用2096W 观测站控制点，为确保控制点未受回采影响，全面观测前应进行点位精度检核。若精度不满足规程要求，则需按照E 级GPS 或三等导线的要求进行控制网联测，获取控制点的平面坐标，并采用水准联测获取控制点的高程。

2.3.2 全面观测

全面观测是地表移动观测的重点，在2097W工作面回采前、回采推进0.7H0（平均采深）、1.4H0、H0、回采完毕且地表下沉已处于稳定阶段，需进行地表移动观测站的全面观测。

根据《煤矿测量规程》规定，初始全面观测应在测点受采动影响之前进行，一般在测点埋设好以后半个月左右进行。工作测点因采动引起的下沉停止后（6 个月内下沉值≤30 mm），需进行最后的地表移动观测站全面观测，要求如下。

在测站点上安置全站仪，对邻近工作测点进行观测，每次2 个测回，测回间水平角互差≤9″，边长互差≤6 mm，该项工作应在7 d 内独立进行2次，或在不同的测站位置进行重复观测1 次，获取各工作测点坐标的平均值作为观测结果。控制点（水准基点）与工作测点的高程测量应组成网状或附和线路，所有边长均应加入气象改正、投影改正，均按三等水准测量的要求进行。

2.3.3 回采过程中的全面观测

工作测点的高程测量需采用往返测支水准路线或单程闭（附）合路线，均按四等水准要求进行，观测站的高程测量需在1 个工作日内完成。

因工作测点位于地表移动和变形区内，在进行坐标测量前应按四等控制测量（或E 级GPS）要求进行测站点与控制点间的联测，确定离控制点最近的测站点坐标作为测量其它工作测点的起算数据。然后在测站点或控制点上安置全站仪，对邻近的工作测点进行观测，每个工作测点进行一测回即可。

2.3.4 水准测量

水准测量按四等水准要求进行观测，目的是确定采动地表移动的开始、发展、停止的时间节点，主要获取地表移动下沉情况，是求取边界角的重要依据，可根据开采情况确定观测频率，一般1 个月进行1 次水准测量。

3 矿区铁路专用线沉陷分析

3.1 地表移动和变形曲线

根据2097W 工作面地表移动观测站的观测数据，绘制矿区铁路专用线下沉曲线，如图3 所示。

图3 铁路下沉曲线Fig.3 Railway subsidence curve

由铁路下沉曲线可知，2097W 工作面倾向未达到充分采动状态，下沉曲线未出现移动盆地，铁路最大下沉值1 285 mm，位于观测站28 号点，距工作面上山边界60.0 m，由于十采区重复多煤层影响导致最大下沉点向上山方向偏移约40.8 m。绘制28 号点下沉值和下沉速度曲线，如图4 所示。

图4 28 号点下沉值及下沉速度曲线Fig.4 Subsidence value and subsidence speed curve of No.28 point

从图4 可知，28 号点下沉速度大于1.67 mm/d，开始进入活跃阶段，整个阶段持续163 d，期间下沉速度变化较大，累积下沉值占总下沉值的80.3%；28 号点下沉速度最大为12.12 mm/d，此时2097W 工作面已回采过28 点平面位置207.5 m。

所以最大下沉速度滞后角：

式中：H0为平均开采深度；K 为铁路处于最大下沉速度时，工作面回采经过最大下沉点之后的水平距离。计算最大下沉速度滞后角为δ=73°32′40″。

超前影响角：

式中：K′为铁路下沉10 mm 的点与2097W 工作面回采位置间的水平距，为229.6 m。计算得出超前影响角ψ=71°54′3″。

3.2 开采沉陷规律分析

钱家营矿十采区采用概率积分法作为该矿区的预计方法，由于2097W 工作面属于深部开采，导致走向达到充分采动，而倾向处于非充分采动状态，根据观测数据计算得到倾向非充分采动情况下最大下沉系数：

式中：m 为开采厚度，2 300 mm；α 为煤层倾角，4°；Wmy为最大下沉值，1 285 mm。最终，得到十采区2097W 工作面倾向非充分采动最大下沉系数为0.56。

倾向非充分采动采用概率积分法计算时，按照叠加原理可将有限开采的地表移动变形看作2 个半无限开采地表变形问题叠加，因此，得到倾向主断面上地表下沉值计算公式为：

式中：Wmy为倾向最大下沉值；r1、r2为上下山影响半径；L 为开采区域边界投影到地面后的计算长度；erf 为高斯误差函数。

利用matlab 的Curve Fitting Tool 工具，按式（4）进行自定义方程非线性多元最小二乘法拟合，Robust（稳健回归）方式选择Bisquare（加权最小二乘法），最终得到拟合方程：

铁路下沉值拟合曲线如图5 所示，下沉值拟合标准差（RMSE）为28.83，表明拟合效果较好；拟合方程的确定系数（R-square）为0.996 2，越接近1 表明方程的变量对自变量的解释能力强。

图5 下沉值拟合曲线Fig.5 Fitting curve of subsidence value

4 结论

（1）钱家营矿区铁路专用线移动变形活跃阶段持续163 d，期间铁路下沉速度快，占总下沉值的80.3%，此阶段最大下沉速度12.12 mm/d，铁路最大下沉速度滞后角73°32′40″，最大下沉滞后距离为207.5 m；铁路下沉超前影响角71°54′3″，超前影响距离为229.6 m。

（2）钱家营矿区铁路专用线受十采区2097W工作面回采影响最大下沉值为1 285 mm，且因十采区为多煤层重复开采区域，2097W 工作面倾向为非充分采动，导致最大下沉点向上山方向偏移约40.8 m，最大下沉系数为0.56。

（3）钱家营矿区铁路专用线受十采区2097W工作面回采影响剧烈程度低，未形成地表下沉盆地。因矿区铁路专用线技术标准要求等级不高，钱家营矿区铁路一般在移动变形稳定后，结合矿区铁路专用线下沉曲线方程式（5）计算出任意位置下沉值，并参照铁路专用线设计得到沉陷治理所需土方量，按铁路部门规定对线路统一进行维修治理，保证铁路专用线的运输安全，为矿区安全生产提供有力保障，并对今后钱家营矿区“三下采煤”提供了科学依据。