采煤区不同开采方法地表移动对铁路的影响研究

房 磊 李 新

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300152)

近年来,随着我国铁路工程建设的飞速发展,很多铁路项目都穿越或建在煤矿采区附近,煤矿采区对铁路建设的影响越来越大。目前,铁路工程在采煤区选线原则主要是以避让为主,若无法回避则留取很宽的保护煤柱,以保证铁路运营的安全。这不仅增加了工程建设成本,同时也造成大量的煤炭资源被积压。随着我国煤炭资源的逐渐枯竭,如何在保证铁路安全运营的前提下,安全、合理的开采这些积压的煤炭资源,成为一个急需解决的问题。以煤矿开采引起的地表移动变形值为研究点,对同一工作面采用垮落法、条带法、矸石充填等不同开采方法,研究分析其导致的地表移动变形对铁路的影响,从而得出一种适宜的开采方法,为以后铁路工程建设提供参考。

1 矿区地质采矿条件及地面铁路情况

1.1 矿区地质条件

该矿区受大断层联合控制成一断陷区,区内地层呈向北东、向东倾伏的不完整，不对称的向斜构造。大部分地层被第四系地层覆盖,偶有基岩出露,为一全隐蔽煤田。地层自上而下为第四系、第三系、侏罗系、二叠系、石炭系和奥陶系等,其中主要含煤地层为二叠系下山西组和石炭系上统太原组、中统本溪组组成。

1.2 煤层赋存情况

矿区内煤层赋存稳定,结构简单,煤层平均厚度5.4 m、倾角为3.5°。煤层直接顶厚3.46 m,为灰黑色、块状结构粉砂岩；老顶厚14.9 m,为灰—灰白色石英为主细砂岩,质地较硬；煤层直接底厚4.25 m,为灰—灰白色细砂岩,较硬；老底厚9.63 m,为灰白色、块状结构。

1.3 地面铁路情况

地面铁路线位位于采区7321工作面东侧,呈东北—西南走向,距离工作面边界最近处为200 m左右,具体分布情况如图1所示。

图1 地面铁路与工作面分布

2 地表移动变形计算方法及模型参数

2.1 计算方法

目前矿区普遍采用概率积分法进行地表移动变形预计,并且应用效果较好。

概率积分法的移动变形计算主要公式

(1)

式中：x为计算点的坐标；坐标原点为计算边界(考虑拐点偏距)在地表的投影。

移动和变形的最大值及其位置

(2)

由公式(1)、(2)可知，概率积分法所需要的几个预计参数为：下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动角b、最大下沉角θ和拐点偏距s等。

2.2 模型参数的选取

模型计算参数的选取主要由矿区地表移动观测站反演得出,同时结合经验公式并参考相邻矿区岩层移动参数。矿区自1985年开始建立地表移动观测站,到目前为止,已建立和完成各类地表移动观测站17个,观测线37条。

表1 观测站反演概率积分法预计参数

由表1统计可以看出,由于各地表移动观测站的地质采矿条件比较接近,拟合求取的概率积分法预计参数亦比较吻合。

①垮落法开采预计参数

垮落法开采条件下岩层移动参数如表2所示。

表2 垮落法开采岩移计算参数

②条带法开采预计参数

根据区域井下煤层的实际地质开采条件(采深、顶板覆岩岩性等)以及对地表移动关系的实际分析,确定本次条带开采采宽为45 m、留宽为50 m。

则煤柱承压安全系数

依据矿区覆岩岩性、采出率并结合垮落法开采岩移计算参数,确定本次条带开采岩移计算参数如表3所示。

表3 条带法开采岩移计算参数

③矸石充填法开采预计参数

充填采空区的矸石占据了上覆岩层的下沉空间,相当于减小了开采厚度。由此可以将充填开采后采空区的剩余空间等价为一个等厚的薄煤层开采后形成的采空区,即“等价采厚”。这样就可以用垮落法经验公式进行充填开采的覆岩破坏高度和地表沉陷预测。

矸石充填体等价采厚

M等=M·ρ-l(1-ρ)

式中M——采厚/m；

ρ——矸石充填体剩余压缩率/%；

l——充填前顶板移近量/mm。

矸石充填开采岩移计算参数如表4所示。

表4 矸石充填开采岩移计算参数

3 对比分析

在铁路线位上每间隔30 m设置一个监测点,通过监测点的移动变化,反映铁路线位所受到的影响。

3.1 各个监测点移动变形值对比分析

由于工作面煤层走向基本与铁路线位垂直,因此取地表移动盆地走向主断面上各监测点的移动变形值进行对比分析(如图2、图3、图4所示)。

图2 各监测点下沉值对比分析

图3 各监测点倾斜变形值对比分析

图4 各监测点水平变形值对比分析

由图2、图3、图4对比分析可知,垮落法开采各监测点变形值最大且变形幅度较大；充填开采与条带开采各监测点变形曲线趋于一致,变形幅度较为平缓。但充填开采各变形值更小,下沉值比条带法减少29.6%,比垮落法开采减少86.4%；倾斜变形值比条带法减少10%,比垮落法开采减少84.2%；水平变形值比垮落法减少83.8%。

3.2 各监测点地表变形极值对比分析

如表5、表6、表7所示。

表5 垮落法开采监测点最大移动变形值

表6 条带法开采监测点最大移动变形值

表7 充填法开采监测点最大移动变形值

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对开采破坏等级的规定并结合铁路线位设计相关规范,可设定铁路线位允许变形极值为：下沉值W≤10 mm、水平变形ε≤1.0 mm/m、倾斜变形≤2.0 mm/m。

由此可知,垮落法开采和条带法开采下沉值均超过铁路线位允许变形值,垮落法开采受影响线位长度为480 m,条带法开采受影响线位长度为180 m,矸石充填开采能够满足铁路线位对地表变形极值的要求。

3.3 经济效益对比分析

由上述结果可知,垮落法开采各变形值较大不能用于铁路下开采,而条带法开采和充填法开采各监测点变形值及变化趋势较为一致,下面就两种开采方法所带来的经济效益做一下对比。

条带法开采经济效益：A=S×M/cosα×γ×ρ×a

充填法开采经济效益：B=S×M/cosα×γ×(a-b)

式中S——工作面面积/m2；

M——煤层厚度/m；

α——煤层倾角/(°)；

γ——煤的容重/(kg/m3)；

ρ——采出率/%；

a——吨煤利润/(元/t);

b——吨煤充填成本/(元/t)。

按照目前市场吨煤利润a为300元/t；吨煤充填成本b为70元/t,则条带法开采经济效益A=12 193.5万元；矸石充填法开采经济效益B=18 007.2万元。若采用矸石充填法开采多为企业带来利润B-A=5 813.7万元,经济效益显著。

4 结论

(1)由不同开采方法对比分析可知,矸石充填开采各地表移动变形值较小,下沉值比条带法减少29.6%,比垮落法开采减少86.4%；倾斜变形值比条带法减少10%,比垮落法开采减少84.2%；水平变形值比垮落法减少83.8%,完全能够满足铁路线位对地表变形的要求。

(2)矸石充填法开采是用矸石充填体置换出煤炭。开采时,充填体支撑上覆岩层缓慢下沉,下沉速度较小,因此,地表铁路线位各监测点移动变形幅度小,比较平缓,这有利于对铁路路基的保护。

(3)运用矸石充填开采既能将煤资源全部采出,又能将矸石等废弃物得到有效处理,减少耕地的占用,是一种绿色环保的开采方法；同时也给企业带来巨大经济效益,对于以后煤矿区上方铁路工程建设有着一定的借鉴意义。

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