铁路桥下工业煤柱安全开采技术研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 铁路桥下工业煤柱安全开采技术研究 姓名梁希峰 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师齐庆杰;梅海斌 20070501 摘要 矿山开采所造成的覆岩破坏、岩层移动及地表沉陷，以致造成建 构 筑物、道路、管线、水体等工程及农田的破坏，影响到工农业 生产、交通运输及人民生活各个方面，是一个重大的社会问题和环境 问题。范各庄矿是开滦的骨干矿井，在开滦的发展中占据举足轻重的 地位，在范各庄矿现有的可采储量中建筑物下压煤量的比例达1 9 ％。 因此研究开采沉陷规律，从多角度减少开采损害，是保障范各庄矿可 持续开采及至整个开滦可持续发展的重要内容。 本文以范各庄矿铁路桥为研究对象，对范各庄矿铁路桥的结构、现 状进行了全面、详实的调查，并对铁路桥下开采与一般工业、民用建 筑下开采的不同特点进行了客观的分析，利用三下开采理论，结合范 各庄矿地质情况，确定了范各庄矿铁路桥下采煤的可行性。 通过全面分析铁路桥下采煤的基本要求，确立了桥下采煤立足当 前，考虑长远的指导思想，提出了桥下采煤的全采、留设煤柱和部分 开采的技术方案，应用概率积分的方法对地表移动与变形进行了科学 预计，并依据实际采煤方法，对岩层破坏特征、移动规律进行了分析， 得出了全面科学的数据。经过对三个方案计算数据的对比、分析，并 结合范各庄矿的实测数据，最终确定了桥下留设煤柱的开采方案。在 确定了留设煤柱开采的基础上，进一步对方案优化设计，确定了合理 的留设煤柱的宽度。同时，给出了线路、桥梁的维修方案。 本文通过对范各庄矿铁路桥煤柱开采的方案优化，最终实现了铁 路桥下煤柱开采的目的，达到了预期的目标，并为同类型矿井的三下 采煤提供借鉴，有着显著的的社会效益和经济效益。 关键词铁路桥梁；工业煤柱；安全开采；地表移动与变形； 开采方案优化； A b s t r a c t M i n e e x p l o i t a t i o nc r e a t e st h ec a pr o c kd e s t r o y s ，t h er o c kl a y e rm i g r a t i o na n dt h e s u r f a c es e t t l e m e n t ，L e a dt oi tc r e a t e sc o n s t r u c t i o na n dt h ef a r m l a n da n ds oo n ，p a t h ， p i p e l i n e ，w a t e rb o d yd e s t r u c t i o n ，I ta f f e c t st ot h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ep r o d u c t i o n ， t h et r a n s p o r t a t i o na n dl i v e so f t h ep e o p l ee a c ha s p e c t , i ti sas i g n i f i c a n ts o c i a lq u e s t i o n a n dt h ee n v i r o n m e n tq u e s t i o n ．F a nG e z h u a n gm i n ei sK a iL u a no f b a c k b o n em i n e ，T h e p r o p o r t i o no c c u p y i n gd e c i s i v ep o s i t i o ni nd e v e l o p m e n to fK a iL u a n ，I nn o wa v a i l a b l e w o r k a b l er e s e r v e so fc o a l ，F a nG e z h u a n go fu n d e rt h eb u i l d i n gp r e s s e st h ec o a l a m o u n tt h ep r o p o r t i o nt or e a c h1 9 ％．T h e r e f o r et h er e s e a r c hm i n i n gs e t t l e m e n t r u l e ，F r o mt h em u l t i p l ep e r s p e c t i v e sr e d u c t i o nm i n i n gh a r m ，i ts a f e g u a r d sF a n G e z h u a n gm i n es u s t a i n a b l em i n i n gu n t i lt h ee n t i r eK a i l u a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i m p o r t a n tc o n t e n t ． T h i sa r t i c l et a k et h eF a nG e z h u a n gm i n er a i l r o a db r i d g ea st h eo b j e c to fs t u d y , T oI n v e s t i g a t i o nS t r u c t u r eo rp r e s e n ts i t u 采i o no fF a nG e z h u e n gm i n er a i l r o a db r i d g e s t r u c t u r ed e t a i l e da n dc o m p r e h e n s i v e l y , a n dh a sc a r r i e do nt h eo b j e c t i v ea n a l y s i st o u n d e rt h er a i l r o a db r i d g eu n d e rm i n i n ga n dt h eg e n e r a li n d u s t r y ，t h ec i v i lc o n s t r u c t i o n m i n ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dd e t e r m i n e dF a nG e z h u a n gu n d e rt h eo r er a i l r o a d b r i d g em i n e sc o a lf e a s i b i l i t yb yu s i n gt h r e em i n e st h et h e o r ya n du n i f i e st h eF a n G e z h u a n gm i n eg e o l o g ys i t u a t i o n ． T h r o u g hc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h eb a s i cr e q u e s tw h i c hu n d e rt h er a i l r o a d b r i d g em i n e sc o a l ，a n de s t a b l i s h e du n d e rt h eb r i d g et om i n ec o a lt h ef o o t h o l d c u r r e n t l y , c o n s i d e r e dt h el o n g - t e r mg u i d i n gi d e o l o g y , p r o p o s e du n d e rt h eb r i d g e m i n e dc o a la l lp i c k s ，r e m a i n ss u p p o s e st h ec o a lc o l u m na n dt h ep a r tm i n i n gt e c h n i c a l p l a n ，t h ea p p l i c a t i o np r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o dh a sc a r r i e do nt h es c i e n c ee s t i m a t e 幻 t h es u r f a c em i g r a t i o na n dt h ed i s t o r t i o n ，i ta c c o r d i n ga so nt h ea c t u a lm i n i n gc o a l m e t h o da n ds t u d yt h er o c kl a y e rd e s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h em o t i o nr u l eh a sc a r r i e d o nt h ea n a l y s i sa n do b t a i n e dt h ec o m p r e h e n s i v es c i e n c ed a t a ．T h r o u g h t h r e ep l a n e s t i m a t e dd a t ac o n t r a Ma n dt h ea n a l y s i s ，a n du n i f i e sF a nG e z h u a n gt h ec o a lt h e m e a s u r e dd a t a ，f i n a l l yw h i c hd e t e r m i n e du n d e rt h eb r i d g er e m a i n ss u p p o s e s ．B a s e do n r e m a i n ss u p p o s e sc o a lc o l u m nm i n i n gd e t e r m i n e d ，a n df u r t h e rt ot h ep l a no p t i m i z a t i o n d e s i g n ，r e m a i n ss u p p o s e sc o a lc o l u m nm i n i n gh a dd e t e r m i n e dr e a s o n a b l et h ew i d t h 。 A tt h es a m et i m e ，g i v e nt h el i n e ，t h eb r i d g es e r v i c ep l a n ． T h i sa r t i c l et h r o u g ht h ep l a no p t i m i z a t i o nw h i c ht h er a i l r o a db r i d g ec o a lc o l u m n t h eF a nG e z h u a n gm i n eh a sr e a l i z e dt h eg o a lw h i c hu n d e rt h er a i l r o a db r i d g et h ec o a l c o l u m nm i n e sa n dr e a l i z e dt h eg o a lw h i c hu n d e rt h er a i l r o a db r i d g et h ec o a lc o l u m n m i n e se n d l y , a n dt h r e em i n e sc o a lf o rt h es a m et y p em i n ep i tp r o v i d e st h em o d e lh a s t h er e m a r k a b l es o c i a l e f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yh a st h er e m a r k a b l e s o c i a le f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ． K e yw o r d s r a i l w a y ．b r i d g e ；i n d u s t r y ．c o a l - p i l l a r ；s e c u r i t ym i n i n g ；g r o u n dm o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ．o f m i n i n gs c h e m e s 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 l 绪论 1 ．1 研究的意义 煤炭资源在国家能源结构中占据着主导地位，今后相当长时间内也 不会从根本上有所改变。但矿山开采所造成的覆岩破坏、岩层移动及地 表沉陷，以致造成建 构 筑物、道路、管线、水体等工程及农田的破 坏，影响到工农业生产、交通运输及人民生活各个方面，是一个重大的 社会问题和环境问题。开采带来的副作用是开采沉陷 m i n i n g s u b s i d e n c e 。开采沉陷学主要研究地下矿体采出后，开采空间、围岩及 地表移动破坏规律以及对地面设施进行保护的原理与方法。它涉及测量、 采矿、力学、建筑学等多门学科。 我国煤炭资源丰富，在能源构成中占一次性能的7 0 ％，煤炭对国民 经济建设和人民生活有着重大的现实意义和深远的历史意义。开滦有着 一百多年的开采历史，多年来为国民经济建设做出了巨大贡献。范各庄 矿是开滦的骨干矿井，在开滦的发展中占据举足轻重的地位，在范各庄 矿现有的可采储量中建筑物下压煤量的比例达1 9 ％。因此研究开采沉陷 规律，从多角度实现减少和控制开采损害，是保障范各庄矿可持续开采 及至整个开滦可持续发展的重要内容。 1 ．2 国内外研究现状及发展方向 1 ．2 ．1 岩层及地表移动观测方法⋯。 对岩层及地表移动和变形的观测是直接分析研究岩层及地表移动规 律的基础。因此，岩层及地表移动观测历来受到矿山科技人员的重视。 其方法主要是建立相应的地表移动观测站和井下观测站，观测地表及岩 体的沉陷过程 边长测量、高程测量和裂缝量测等 ，从中分析、总结出 地表沉陷，岩体破坏规律与开采的关系，以指导实际生产。随着新的测 量仪器和测量技术手段出现，为开采沉陷研究提供了便捷方法。如用G P S 全球定位系统进行地表移动观测，以物探技术手段和方法为主的测量技 术等，在不影响地表移动规律分析的基础上，克服了传统的通过地面打 钻、测量或沿地下巷道布置测点等受到地质条件明显约束的困难，已在 我国矿区开始推广应用，收到了良好的效果。 1 ．2 ．2 开采沉陷预计⋯。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 2 地下矿体开采后，岩层移动破坏发展到地表形成地表下沉盆地，产 生各种移动和变形。根据具体地质采矿条件计算下沉盆地内的各种移动 和变形值是开采沉陷预计的主要内容。其方法有多种，具体如下。 1 ．2 ．2 ．1 经验方法[ 2 6 ，1 4 , z 2 ] 经验方法是通过对大量实测资料进行总结分析，找出地表移动和变 形与地下开采的关系，确定预计各种移动和变形值的函数形式 解析分 式、曲线或表格 等。应用较广且具有代表性的方法主要有典型曲线法 和剖面函数法。 1 典型曲线法 典型曲线法是根据不同开采条件下地表下沉盆地的形状，以表格或 诺模图的形式来表示预计点位置与地表的下沉量的函数关系。 在国外，如前苏联、英国等曾采用典型曲线法进行开采沉降的预计， 特别是英国，编制的地面沉陷工程师手册就是以典型曲线为基础， 来指导开采沉陷的预计。 我国具有代表性的典型曲线法主要有峰峰矿区和平顶山矿区的典 型曲线。 2 剖面函数法 剖面函数法是根据不同开采条件下地表下沉盆地剖面形状确定出同 的剖面函数，以此为公式来预计地表移动和变形的方法。 初期人们主要通过实地测量为手段来认识开采沉陷现象，通过对观 测资料的不断研究分析，逐渐总结出适合不同地质采矿条件下预计地表 移动变形的经验公式。由于对地表移动和变形规律的认识程度及所依据 的实测资料的差异，因此总结出的剖面函数有多种形式，比如前苏联采 用如下剖面函数进行地表下沉预计。 Xl2 z t x 公式∥俐 W m a x 1 7 瓦S i n 了 一 W m a x q m c o s a √n l 胛2 N 1 0 ．9 旦，n 一0 ．9 旦 H aH 式中，s ⋯⋯一工作面走向长度和，m ，P ⋯一一工作面倾斜长度，m ； x ～⋯一下沉盆地中心距预计点的距离，m 1 1 1 - 2 1 3 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 卜⋯一半盆地长，m a - - - 一一煤层倾角， 。 ； m ⋯⋯开采厚度，m q 一⋯下沉系数。 波兰上西里亚煤田使用的剖面函数为 W x W m a xe x p [ 一7 ／“ 圭 2 ] de 卜4 8 B 式中B 一预计参数。 我国许多矿区应用最多最有代表性的主要是负指数函数法 走向方向主断面半盆地下沉计算公式为 工 W X W O e a c i n 卜5 式中W x 一⋯地表移动盆地主断面上任意点下沉值，m m w O ⋯⋯地表最大下沉值，m m ； a 。c ，n - - - 一预计参数，可根据矿区实测资料求得； x ⋯⋯地表下沉盆地主断面上任意点到开采边界的距离，m ． 有了下沉曲线函数式，根据下沉与其移动和变形的关系式，可得出 相应移动和变形的计算公式。由于剖面函数不可能考虑更多的地质采矿 因素，因此大多数剖面函数仅适用于近似矩形工作面开采时的地表移动 和变形的预计。 不论是曲型曲线还是剖面函数，都是建立在实测资料的基础上，对 由地下开采引起的地表沉陷机理研究较少，有些学者将这种方法称为“唯 象说”。由于建立典型曲线和剖面函数需要大量的实测资料，并且所建立 的剖面函数和典型仅适用于和观测资料相类似条件下的地表移动和变形 预计，使这种方法在实践应用中受到很大制约。但是，典型曲线和剖面 函数来源于实测资料，并应用到相似条件下地表移动变形预计中，因此， 在目前的所预计方法中，其预计精度最高。 1 ．2 ．2 ．2 离散随机介质理论一概率积分法[ 卜5 ，2 2 , 2 4 ] 离散随机介质理论认为上覆岩层是被大大小小的裂隙所切割的碎块 体，地下开采引起的岩层与地表规律和随机介质模型中碎块体的移动规 律在宏观上相似。在这一基本假设的基础上，首先由波兰学者李特维尼 提出了预计地表移动和变形的方法。1 9 6 5 年，我国学者刘宝深、廖国华 辽宁工程技术大学J 程硕士学位论文 4 在煤矿地表移动基本规律专著中将这种理论进一步改进、系统和完 善，形成了比较完整的预计地表移动和变形的方法，我国将这种方法称 之为概率积分法。概率积分法计算走向主断面内地表下沉的方法为 w x W Or 1e x p 』孚 d s I ．6 式中W O ⋯～充分采动条件下地表的最大下沉，w o q m ．c o s a q ⋯⋯下沉系数； D ⋯一开采长度 R ⋯一主要影响半径，r 羔 H 一⋯开采深度5 M 一一开采厚度5 a ⋯⋯一煤层倾角 刘天泉，仲惟林、焦传武等系统总结了概率积分在我国实践应用中 的经验，特别分析了概率积分法预计参数与上覆岩力学性质的关系，使 概率积分法在我国得以推广应用。由于概率积分法具有一定的理论基础， 预计的参数完全可以通过实测资料求得，且对于一个矿区参数相对稳定， 参数变化遵循一定的规律。同时概率积分法可适用于任意形状工作面、 地表任意点的移动和变形预计。因此，概率积分法在我国得到了广泛的 应用。特别是在我国最新修订的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采规程中更是将概率积分法作为唯一的一种预计地表移 动和变形的方法加以详细论述，这足见概率积分在我国开采沉陷预计中 起着十分重要的作用。 1 ．2 ．2 ．3 影响函数法 影响函数法的基本原理是假定地下微面积的开采对地表任意一点 的影响与地表点距微面积的水平距离有关，并与开采的微面积成正比， 微面积开采引起的地表的下沉增量可表示为 d w q m f r d h 卜7 式中f r ⋯一影响函数； r ⋯一单元开采面积与地表点的水平距离； q 一一下沉系数 m 一一开采厚度 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 当开采面积为A 时，地表点的下沉为； w q eJ Jf r d x d y 1 8 影响函数的形式可以根据不同的方法确定，即可以根据实测资料分 析求得，也可直接给出，波兰学者克诺特给出的影响函数为高期曲线， 其最终计算地表下沉的公式与概率积分法完全相同，因此有些学者将概 率积分法归结为影响函数法。德国曾根据影响函数法的原理发展了预计 地表移动和变形的积分网格法。 1 ．2 ．2 ．4 连续介质力学方法[ 6 ，1 5 ，2 8 3 0 ] 连续介质力学方法是将上覆岩层视为一种连续介质，按现有的力学 方法求解上覆岩层移动和变形的方程。以连续介质为基础的方法能够较 好地反映岩层及地表沉陷力学发展过程的本质。迄今应用的理论主要包 括弹性理论、塑性理论、粘弹塑性理论、断裂理论等。 萨武斯托维奇将上覆岩层假定为各向同性均质的弹性体，无限拉伸 的上覆岩层，一端支撑在煤层上，另一端支撑在充填体或冒落矸石上， 采用温克提出的弹性地其梁的近似理论可以求解出计算地表下沉的公式 械梆W x 助 W m ；a ；一寿％x p [ 一织咖⋯硼㈤，，一寿‰e x p | 一叫嚣咖斛c o 渊川㈤“ 在煤柱上方5 吣，2 南u x p H 箭s 血肌。s 肛] ] 1 - 1 0 肛a J 南p 4 J 南 式中c ⋯一煤层本身的阻力系数； k ⋯一充填体本身的阻力系数 E _ - 一系数，E 南 E 一～弹性模量 V ⋯⋯一泊松比。 类似萨武斯托维奇理论的连续介质力学方法有很多，在此不再一一 列举。虽然连续介质力学的方法能够揭示地表沉陷的力学本质，但是， 由于上覆岩层本身的复杂性，在建立力学模型的过程中不得不做出一些 假设 比如假定上覆岩层为各向异性各向同性等 这些假设与岩层本身 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 6 的力学发生存在一定的差异。通过试验室试验获取的岩石力学参数与岩 体的力学参数不完全相同，有时差别很大。所有这些使连续介质力学的 方法在开采沉陷预计中受到了限制。因此，目前连续介质力学的方法并 未在实践中得到广泛应用。 随着计算机技术的发展，数值模拟方法在开采沉陷计算中得到应用， 目前，常用的数值计算方法有有限单元法、边界元法和离散单元法。将 这些方法应用到开采沉陷的研究中，促进了开采沉陷学的发展，对由地 下开采而引起的上覆岩层破坏和移动机理有了更加理性的认识。但是， 基于和连续介质力学同样的原因，计算机数值模拟的方法还不能代替传 统开采沉降预计方法。 我国一些学者还从其它角度对地表移动和变形规律进行了研究，在 开采实践中得到应用。何国清提出了下沉盆地剖面的“威布尔分布”函 数法，李增琪采用傅氏变换推导出岩层与地表移动的计算公式；张玉卓 提出了岩层移动的位错理论。邓喀中提出了岩体开采沉陷的结构效应。 杨硕提出了开采沉陷的力学预测模式等。 对正常地质条件下正规条带开采和复杂地质条件下非正规条带开采 地表沉陷问题也都进行了研究，提出了正规，非正规条带开采地表下沉 系数的计算方法，吴立新，王金庄抽出了适合条带开采设计的托板理论， 并在生产实践中应用，取得了较好的效果。 正常地质采矿条件下，地表移动和变形预计方法在我国己比较成熟， 特别是以概率积分法、负指数函数和典型曲线法为代表的传统预计方法 在开采实践中得到了广泛应用。在开展正常地质条件下地表移动研究的 同时，我国也开展了对复杂地质条件下地表移动规律的研究，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，我国对复杂的地质条件下地表移动规律的影响，何万 龙等提出了山区地表移动和变形的计算方法，李永树，王金庄等建立褶 曲构造煤层三维空间开采时地表单元下沉和单元水平移动表达式，结合 概率积分法得到了褶曲构造开采条件下地表移动和变形的计算方法。仲 惟林、戴华阳，王金庄等对急倾开采条件下地表移动规律进行了深入研 究，提出了急倾斜开采条件下地表连续变形和非连续变形计算方法。这 些研究成果丰富了开采沉陷理论。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 复杂地质采矿条件下地表移动规律是开采沉陷研究的难点也是今后 开采沉陷研究的重点。比如，深部开采地表移动规律、厚冲积层条件下 地表移动规律、基岩直接出露地表时地表移动规律以及断层构造对地表 移动规律的影响等方面的研究还较少，需要进一步深入研究，以取得在 实践中具有一定应用价值的成果。 1 ．2 ．3 岩层及地表移动控制C 1 , 2 ，1 7 , 2 2 , 2 4 ] 岩层及地表移动控制是开采沉陷学又一个主要研究方向。其主要的 任务是研究合适的采矿方法，尽可能地减少岩层及地表的移动。目前岩 层及地表移动控制主要有如下几种方法 I 部分开采方法 2 充填开采方法 3 协调开采方法 部分开采方法主要有条带开采和房柱式开采。条带开采就是把要开 采的煤层划分为比较正规或非正规的条带状进行开采，采一条、留一条， 而留下的条带煤柱能够承受上覆岩层的栽荷，使地表只发生轻微的、均 匀的移动和变形。实践表明，条带开采的采出率一般为4 0 ％一6 8 ％，下沉 系数不超过0 ．3 。房柱式开采是在煤层内开掘一系列宽为5 7 m 左右的 煤房，煤房间用联络巷相连，形成近似于长条形的煤柱，煤柱可根据实 际开采条件留下不采或在煤房采完后，将煤柱按一定要求部分采出，剩 余的煤柱用于支撑顶板。美国、南非、澳大利亚和印度等国家比较多的 采用房柱式开采方法，由于缺少配套的技术，在我国极少采用房柱式开 采方法，英国、波兰等国家均有应用条带开采技术进行建筑物下采煤的 实例，在我国条带开采方法首先在蛟河奶子山镇下压煤开采试验成功， 之后在全国范围内推广，先后有峰峰、鹤壁、鹤岗、平顶山、枣庄、开 滦等几十个矿务局 矿 采用，取得了很好的效果，推动了村庄下压煤 开采工作的开展。 充填开采法是在煤炭开采过程中，向工作面后方采空区内充填矸石、 水砂或粉煤灰等充填材料以支撑上覆岩层的顶板管理方法。按充填方式 不同可分为风力充填和水力充填，实测资料表时，水砂充填下沉系统一 般为0 ．1 - 0 ．3 ，矸石充填下沉系数一般为0 ．3 - 0 ．4 。波兰在城镇及工业建 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 筑物下采煤时采用充填法 主要是水砂充填 的采煤量占该国建筑物下 总采煤量的8 0 ％左右，前西德、法国、比利时等国，都不同程度地采用 了风力充填方法。我国在抚顺、新汶、蛟河、辽源、焦作、准南等矿区 不同条件的煤层采用了不同形式的采空区充填方法。但是，由于采空区 充填工艺复杂，对地下工作面开采有不同程度的影响，且运行费用较高， 因此，在我国已极少采用。 在一定的地质采矿条件下，当工作推进到一定尺寸时，在采空区上 覆岩层的某些层位上出现离层带，原苏联开采沉陷学者在5 0 年代末根据 岩体内部移动观测和相似模拟实验发现了矿山岩层移动过程中的层间分 离现象，后来一些学者对采动覆岩内部离层的形成和发展规律进行了实 地观测和理论研究。自8 0 年代后期，我国在抚顺矿务局开始进行覆岩离 层注浆减沉现场试验，近1 0 年来此项技术引起我国从事开采沉陷及“三 下”采煤界专家和现场工程技术人员的重视，先后有大屯徐庄煤矿、新 汶局华丰煤矿、兖州局东滩煤矿和开滦局唐山矿等进行了现场离层注浆 减缓地表沉降试验，并取得了一定的实践经验。波兰在覆岩离层注浆减 沉方面也进行了研究，1 9 8 9 年卡托维茨工业大学j ．p a l a k i 在充填采矿 一文中提到波兰的离层带注浆减沉效果为2 0 3 0 ％。 我国充州矿务局东滩煤矿曾对厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层注 浆减缓地表沉陷进行了大规模试验，试验连续对同一采区的三个综采工 作面进行覆岩离层注浆，注浆固相材料选用电厂粉煤灰。注入浆液体积 占开采体积的2 7 ％一4 5 ％，固相材料的体积为占开采体积的I ．8 ％一9 ％。其 中一个是在工作面开采结束之前进行注浆，另外两个是在工作面开始推 进时进行注浆，试验结束之后，综合评定断面减沉率在2 0 ％一4 0 ％之间。 覆岩离层注浆减缓地表沉陷是一项新技术，目前仍处于试验阶段， 对于上覆岩层离层发育的时空规律，浆液在离层中的作用，浆液的扩散 范围以及减沉效果等一系列问题仍需要迸一步的研究。 协调开采是减少地表变形的一种采矿措施，应用协调开采技术一般 不能减少地表的下沉，但是，在开采过程中通过两个或多个工作的配合， 可以有效地减少变形对地表建筑物的损害。在井筒保护煤柱开采过程中， 为了控制煤柱的偏斜一般采用两个工作面对称协调开采。峰峰矿务局曾 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 9 采用协调开采技术，成功地进行了辛寺庄压煤开采试验。 1 ．2 ．4 建筑物采动损害防护E S , 7 J4 6 , 5 0 ] 采动损害防护涉及的对象相当广泛，主要有地面建筑物采动损害防 护、水体的采动损害防护、铁路采动损害防护等。煤炭科学院院北京开 采所、唐山分院等科研单位进行大量的建筑物采动损害防护试验研究， 对我国建筑物采动损害防护技术的发展起了非常重要的作用。常用的措 施有 1 建筑物加固技术。在煤层开采以后地面已有的建筑物势必会受 到地表移动和变形的影响，有时会影响其正常使用。对于这类建筑物一 般采用采前加固采后维修方法，如增加顶 底 圈梁、构造柱，铺设钢 拉杆或将长建筑物切割形成变形缝等。 2 抗采动变形建筑设计。这种方法是在煤层采动以前在建筑物结 构上采取一些特殊措施以抵抗由于煤层采动引起的变形而附加在建筑物 上的应力，确保建筑物的安全使用，比如，在建筑物基础上设置水平滑 移层。对于高潜水位矿区，为了防止因地表下沉而产生在地面积水，可 在开采之前或开采之后对建筑物所在处进行地基回填处理。抗变形建筑 物的投资较常规建筑物投资大，一般需增加3 0 ％左右。 3 建筑物调平技术。为了抵消地下煤层开采后倾斜变形对建筑物 的影响，可采用“液压调斜系统”和“置换地基”技术。“液压调斜系统” 技术通过位移传感器和压力传感器实现了计算机控制，将建筑物较好的 一侧项起。“置换地基”技术是将原有地基改变为砂质地基，将建筑物较 高的一侧降底。 1 ．3 问题的提出 开滦精煤股份有限公司范各庄矿业分公司是开滦集团所属一座年产 4 5 0 万吨的现代化特大型矿井。该矿古范铁路专用线担负着公司煤炭外 运的任务。铁路线上的沙河大桥位于工业广场西北部的2 1 8 0 采区上方， 距工业广场北围墙约3 5 0 Ⅲ，距工业广场最北建筑物一一轨道车库房约 4 9 0 m ，桥梁煤柱压占煤量仅7 、8 两个煤层储量就约3 8 0 万吨。由于工业 广场保护煤柱与铁路桥保护煤柱基本相连，为缓解开采接续紧张，延长 矿井服务年限，最大限度的将地下煤炭资源采出，创造最佳经济效益， 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 1 0 经充分研究与论证，拟采用“三下”采煤科学技术，对铁路桥保护煤柱 内部分实施铁路桥下采煤。 1 ．4 研究内容和方法 本论文在参考了大量三下采煤的相关文献和继承了前人关于桥下采 煤的研究成果的基础上，针对范各庄矿铁路桥的现状及特点进行了综合 的分析，研究了厚冲击层下采煤工作面的特点，对比分析了全部开采、 桥下留设煤柱、部分开采三种开采方案的地表移动与变形预计，最终采 用了桥下留设煤柱方案，并对方案进行了优化，制定了线路、桥梁的维 修方案与安全措施。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 2 铁路桥梁概况 2 ．1 矿井自然地理概况 范各庄矿矿井位于唐山市古冶南1 0 公里，公路干线四通八达，矿区 铁路与京山铁路相接，南有京唐港，东邻秦皇岛港，公路、铁路、海运 十分方便。 范各庄地理位置见图l 范各庄矿交通位置图。 2 ．2 铁道线路与桥梁概况 古范铁路专用线和沙河大桥为唐山大地震后于七十年代末、八十年 代初重建，对于现代化煤矿生产，铁路运输是非常重要的。关于大桥的一 些情况，详见附图1 全桥正立面图和照片1 ～1 2 线路情况见图2 线路 平面示意图。 2 ．2 ．1 铁道线路概况 铁道线路在空间的位置是用它的线路中心线表示的，因此，线路中 心线是一条空间曲线。线路中心线在水平面上的投影，叫做铁道线路的 平面；线路中心线 展直后 在垂直面上的投影，叫做铁道线路的纵断 面。 2 ．2 ．2 线路的平面 线路在水平面上的投影有两种一种是直线，一种是曲线。直线和 曲线是线路平面的组成要素。古范铁路专用线自范矿工广开始向西北至 沙河大桥的西北台 古台 线路的平面现状见图2 沙河大桥两侧线路 平面示意图。 由图2 可知，该段线路只在工广最北一组道岔附近有一段R 6 0 0 m 的曲线，曲线长8 7 ．2 3 m ，未设缓和曲线。此外直到大桥古台以北均为直 线。曲线组成要素见图3 曲线要素示意图。 2 ．2 ．3 线路纵断面 为了适应地面的起伏，线路上除了平道以外，还修成上坡道和下坡 道，因此，平道与坡道就成为线路纵断面的组成要素。 范矿至古冶站铁路专用线计标里程的起始点 即0 点 为站场中部 精煤仓电了轨道衡的中一t l , 位置，其钢轨面标高为0 。由中心点往西4 2 0 米为营运科办公楼及火车房的东墙，此段站场线为平坡。由运营科办公 翌室三堡垫查查兰三堡堡主堂篁笙苎 圃 咖 趔 赠 似 b 垲 电缸 城 一 圃 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 楼东墙往西至轨道车库东墙的1 8 0 米站场线路为1 ‰的上坡道。由轨道 车库东墙至铁路沙河大桥南3 0 米的铁路正线为2 ％o 的上坡。2 3 4 米长的 铁路沙河大桥线路为平坡。 自工广至沙河大桥西北端的古冶，该段线路的纵断面情况见图4 沙河大桥两侧线路纵断面示意图。由图4 可知桥梁纵断面标高均较两 侧线路纵断面高。 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 l 0 ；l 兽 n 嚣l l 8 i I磊 I “ 鑫 E * l 88 高 里 1 ％ 嚣． I i _ ∥E l 8 高 袅 等 制 t 8 “ ； 立 玲 刊＼ 上f 『I 矩 1 蜷 { 垣 l 8 鬟蓁 { 堕蓁 l ∑ 8 繇 l 8 缝氧 ≈ 鎏霎 罐 鼻鼻 梃* c 8 饕鬻一一JI 品≈ 蓦京 趣“ 8客 摧 品 _ 鲜 ，氆 采 蝌 矧 匾 燃 訾一r 誓 嚣 E ￡ E E *一 一 _ 皿 譬 制 搿剧 懈 斑古 艟 誓 辟 坷 ￡ll ooo 8 萤 8 辽宁 h r 程技术大学工程硕士学位论文 2 ．2 ．4 线路轨道概况 由矿工广校嚣就至渗溺犬褥静铁邋线路均为5 0 k g 垄钢鞔，混凝主轨 枕，曲线地段为术枕线路。全部道岔为5 0 k