（系统工程专业论文）专用铁路及站场变形预计系统研究与实现.pdf

t ： 二4 一y 1 7 e 0 4 肌1 “缪 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：二；靖钝痨 导师签名： 签字日期：_ i o 年6 月见日 签字日期：印l 口年易月i 罗日 l i 学位类别：工学 学科专业：系统工程 学位级别：硕士 研究方向：管理系统工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师王喜富教授的悉心指导下完成的，王喜富教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢王老师 对我论文的关心和指导。 王喜富教授在我攻读硕士期间悉心指导完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助。自己一方面继承了他严谨的治学态度， 更重要的是和王老师学到很多做人的道理，在此向王老师表示衷心的谢意。 在撰写论文期间，老师及同学对我论文中的系统开发工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。另外，在两年的科研与学习中，实验室的同门们 给我了很大的鼓励和帮助，更是怀念在实验室一同工作的美好时光，谢谢你们。 最后，感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使自己能够在学校专心完成 学业，没有你们的教诲和鼓励就没有自己今天的成绩。今天我以你们为光荣，明 天你们因我而骄傲! 中文摘要 摘要：专用铁路运输是我国铁路运输的重要组成部分，目前，我国许多专用 铁路都座落在矿区，承担着矿区煤炭运输的任务。由于我国的许多矿区都拥有多 座一流的现代化生产矿井，综合机械化程度均较高，因此矿区专用铁路的运输量 逐渐增大。随着专用铁路的发展和各矿采煤工作面的不断推进，许多矿井的工作 面均已开采到或将开采到矿区专用铁路下部。这些工作面的开采，直接威胁着矿 区铁路运输生产的安全。同时，厚煤层综采放顶煤下沉区地表变形量大，下沉速 度快，且铁路运输不能中断，线路维修工作复杂，工作量大，对铁路线路及站场 的变形维护与治理工作复杂程度要求更高。 论文通过研究国内外开采沉陷理论和技术的发展现状，结合我国矿区专用铁 路受其下部开采工作面影响的具体情况和条件，应用概率积分法研究地表移动规 律，进而研究了铁路线路变形的规律和变形预计的方法技术，并在此基础上建立 了专用铁路及站场变形预计系统。同时，应用铁路运输理论及铁路技术管理规程 等，研究矿区铁路及车站的线路变形规律，提出线路及站场的垂直移动、横向移 动及纵向水平移动的维修处理措施，进而提出铁路运输维护保障系统及若干安全 运输技术。以兴隆庄矿区专用铁路运输开采变形预计及治理工作进行了案例分析， 表明了论文成果的先进性和实用性。 本论文提出了厚煤层条件下放顶煤开采区的矿区铁路线路及站场路基线路的 变形预计系统，掌握铁路线路下沉变形特点及动态变化规律，从而提出合理的线 路维护措施尤其是铁路站场线路变形的治理技术，可保障铁路运输生产的正常进 行及行车安全，显著减少铁路站场及路基维护费用，能够提高我国矿区铁路下厚 煤层综放开采的总体经济效益。 图3 4 幅，表8 个，参考文献4 8 篇。 关键词：矿区铁路运输，专用铁路，开采变形，参数预计，治理措施 分类号：u 2 1 2 3 ， a bs t r a c t a b s t r a c t ：e x c l u s i v er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o ni nc h i n a , a tp r e s e n t , m a n ye x c l u s i v er a i l w a ya r el o c a t e di nt h ec o a l m i n i n ga r e a , u n d e r t a k i n gt h et a s ko fc o a lt r a n s p o r t a t i o n b e c a u s em a n ym i m n gd i s t r i c t s o fc h i n a p o s s e s so fm a n yh i g h - c l a s sm o d e r n i z e dm i l l e ，a n d t h e d e g r e e o f c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z a t i o ni sq u i t eh i g h , s ot h ee x c l u s i v er a i l w a yt r a f f i cv o l u m e i s g e t t i n gm o r e a st h ed e v e l o p m e n to fe x c l u s i v er a i l w a ya n dt h ee x c a v a t i n gc o a lo fe a c h m i l l e ，m a n ym i n e s w o r k i n gf a c e sh a v ee x c a v a t e do rw i l le x c a v a t i n gu n d e rm i n i n g a r e a sr a i h o a d t l l ee x c a v a t i o no fw o r k i n gf a c e s ，h a v et h r e a t e n e dt h es a f e t yo f m i n i n g d i s t r i c t sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h es u r f a c eo ff u l l y - m e c h a n i z e d s u b l e v e lc a v i n gm i n i n go ft h i c kc o a ls e a m ss u b s i d e n c ea r e ah a v eh u g ed i s t o r t i o n , a n d t h er a t eo fs u b s i d e n c ei sf a s t , t r a n s p o r t a t i o nc a n ti n t e r r u p t , t h em a i n t a i no fl i n ei s c o m p l e x t h ew o r ko nm a i n t e n a n c ea n dh a r n e s s i n go fr a i l w a yl i n e a n ds t a t i o n s d e f o r m a t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e d t h r o u g ht h es t u d y o np r e s e n ts i t u a t i o no fe x c a v a t i o n s u b s i d e n c et h e o r ya n d t e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a t e r i a ls t a t u sa n dt h ec o n d i t i o no fm i n i n gd i s t r i c t s e x c l u s i v er a i l w a yb e i n ga f f e c t e db yt h ee x c a v a t i o nw o r k i n gf a c ew h i c hi su n d e ri ti n c h i n a , a p p l y st h em e t h o do fp r o b a b i l i t ya n di n t e g r a lt os t u d yt h em o v i n gr u l eo fe a r t h s s u r f a c e ，s t u d i e st h er u l ea n dm e t h o do fr a i l w a yl i n es u b s i d e n c e ，a n dd e v e l o p st h e e x c a v a t es u b s i d e n c ee s t i m a t i o ns y s t e m a tt h es a m et i m e ，a p p l y i n gt h et h e o r yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n dt h er u l e so fr a i l w a y st e c h n o l o g ym a n a g e m e n t ，p u tf o r w a r d t h em a i n t a i n i n g ，d i s p o s u r ea n dm e a s b r ef o rt h ev e r t i c a l l ym o v i n g ，b r e a d t h w i s em o v i n g a n dl e n g t h w a y sf l a t l ym o v i n g ，c o n s e q u e n t l y ，p u tf o r w a r dt h em a i n t e n a n c ea n ds a f e g u a r d o fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n ds o m es a f et r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y ac a s es t u d yi sm a d e o ft h ee x c a v a t i o ns u b s i d e n c e sh a r n e s s i n go fe x c l u s i v er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n x i n g l o n g z h u a n gm i n i n gg r o u p t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea d v a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t yo f i t sp r o g e n y t h i sp a p e rp o i n t so u tt h es u b s i d e n c ee s t i m a t i o ns y s t e mf o rt h em i n i n gd i s t r i c t s r a i l w a yl i n ea n ds t a t i o n i nf u l l y m e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n gm i n i n go f 廿1 i c kc o a l s e a m sa r e a , a n d 鲥pt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cr u l eo fr a i l w a y s s u b s i d e n c e a n dt h a np o i n t so u tr e a s o n a b l em a i n t e n a n c em e a s u r eo f l i n e ，e s p e c i a l l yt h e h a r n e s s i n gt e c h n o l o g yo fd e f o r m a t i o no fr a i l w a ys t a t i o n st u r n o u t s t h i st e c h n o l o g y m a k e ss u r er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nb eo nt h er a i l sa n dt h et r a v e l i n gc r a n eb es a f e ，r e d u c e s e v i d e n t l yt h em a i n t e n a n c ee x p e n s eo nr a i l w a ys t a t i o na n dr o a d b e d ，a n di tc a ni m p r o v e t h ec o l l e c t i v i t ye c o n o m i cb e n e f i to fe x c a v a t i o no ff u l l y m e c h a n i z e ds u b l e v e lc a v i n g m i n i n go f t h i c kc o a ls e e n lu n d e rm i n i n gd i s t r i c t sr a i l w a yi nc h i n a n l i r 哆一f o u rf i g u r e s ，e i g h tt a b l e s ，f o r 哆e i g h tr e f e r e n c e s k e y w o r d s ：m i n i n g d i s t r i c t sr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ；e x c l u s i v er a i l w a y ；e x c a v a t i o n s u b s i d e n c e ；p a r a m e t e re s t i m a t e s ；g o v e r n m e n tm e t h o d c i a s s n o ：t j 2 1 2 3 v 、 ， 目录 中文摘要i i i a b s l r a c t 。i v 1 绪论1 1 1 研究背景与问题的提出1 1 2 国内外研究综述2 1 2 1 开采沉陷基本理论及其发展2 1 2 2 开采沉陷预计方法综述3 1 2 3 国内外相关研究分析4 1 3 论文的研究内容和主要框架5 1 4 本章小结6 2 铁路变形预计概述7 2 1 变形预计理论研究7 2 1 1 变形预计基本原理7 2 1 2 开采变形预计概率积分法8 2 2 路基变形预计研究1 3 2 2 1 路基变形规律分析1 4 2 2 2 路基变形预计方法l5 2 3 铁路变形预计技术。15 2 4 本章小结_ 。16 3 铁路及站场变形预计系统分析1 7 3 1 系统需求调查1 7 3 2 系统需求分析。1 7 3 2 1 用户需求分析1 8 3 2 2 功能需求分析。1 8 3 2 3 软件需求分析1 8 3 3 系统数据流程分析1 9 3 4 本章小结2 3 4 铁路及站场变形预计系统设计与实现2 5 4 1 系统设计2 5 4 1 1 系统设计的概念和原则。2 5 4 1 2 系统主要逻辑流程和总体结构设计一2 6 4 1 3 系统模块功能设计。2 8 4 1 4 数据库设计一3 0 4 2 系统实现3 4 4 3 本章小结4 1 5 案例分析4 2 5 1 工作面概述4 2 5 2 线路观测点布设4 2 5 3 线路变形预计分析4 3 5 3 1 线路变形特点4 3 5 3 2 变形预计结果分析一4 4 5 4 线路维修措施分析一4 9 5 4 1 铁路线路治理综述4 9 5 4 2 维修标准综述5 0 5 4 3 兴隆庄4 3 2 2 工作面维修方案5 1 5 5 本章小结一5 1 6 总结与展望5 3 6 1 研究工作总结。5 3 6 2 进一步研究展望。5 4 参考文献5 5 作者简历5 7 独创性声明5 8 学位论文数据集5 9 1 绪论 1 1 研究背景与问题的提出 专用铁路是指由企业或者其他单位管理，专门为本企业或者本单位内部提供 运输服务的铁路。一般来说，专用铁路大都是大中型企业自己投资修建，自备机 车车辆，用来完成企业自身的运输任务的铁路。目前，我国共有专用铁路2 5 0 0 0 多公里。矿区专用铁路主要是为煤炭运输服务，由煤矿企业自主经营管理，它既 是国家铁路的重要组成部分，也是煤矿企业正常生产的一项重要基础设施。由于 我国目前的能源主要依赖于煤炭，而铁路运输是对煤炭这种大宗散装货物最有效 的运输方式，因此，随着各个矿区采煤业的不断发展，专用铁路的运输量也逐渐 增加，从而专用铁路线路的负担也越来越大。 我国的许多矿区如兖州、淄博等矿业集团都拥有多座我国一流的现代化生产 矿井，综合机械化程度较高。随着各矿采煤工作面的不断推进，许多矿井的煤矿 工作面均已开采到或将开采到矿区专用铁路下部。这些工作面的放顶煤开采，导 致了地面沉陷，会带来地面塌陷、地表裂缝、山体滑坡、泥石流、地下水位下降 等隐患，直接威胁着矿区铁路运输生产的安全。 综放开采技术是在中厚煤层一次采全高综采技术上发展起来的采煤技术，我 国经过十几年的探索，已经处于国际领先水平【l 】。特厚煤层综采放顶煤下沉区地表 变形量大，下沉速度快，并且铁路运输不能中断，线路维修工作复杂，工作量大， 对铁路站场的变形维护与治理工作的要求更高。为了保障铁路站场下特厚煤层的 放顶煤开采的安全，实现矿区铁路行车安全，降低线路维护费用，需要对专用铁 路线路的变形进行精确的预计分析，因此，建立可靠实用的铁路及站场变形预计 系统是十分必要的，也是目前需要重点解决的问题。 通过本论文的研究，提出特厚煤层各放顶煤开采区的专用铁路及站场的变形 预计系统，掌握铁路线路下沉变形特点及规律，从而提出合理的线路维修措施。 如何保证铁路运输生产的正常进行及行车安全，并且尽量减少铁路站场及路基维 护费用，是提高我国矿区铁路下特厚煤层综放开采总体经济效益的关键环节。 进行“专用铁路及站场变形预计系统研究与实现工作，不仅对我国矿区实 现安全高效开采铁路下特厚煤层具有现实意义，而且对于国内外类似条件的矿区 更好地推广应用铁路及站场下特厚煤层进行综放采煤这一高效采煤方法，也具有 深远的指导意义和现实意义。 1 2 国内外研究综述 随着专用铁路和煤矿产业的发展，国内外的开采沉陷理论及采煤技术也不断 发展。我国铁路线下采煤主要分为三种类型，分别是矿区铁路下采煤、国铁支线 下采煤和国铁干线下采煤。早在五、六十年代，各矿区在铁路专用线下采煤已成 为工程技术人员探索的对象【2 】。如何保证铁路运输生产的正常进行及行车安全，并 且尽量减少铁路站场及路基维护费用，开发针对特厚煤层放顶煤开采的铁路站场 道岔群的沉陷预计与治理技术，是提高铁路下特厚煤层综放开采总体经济效益的 亟待解决的新课题。 1 2 1 开采沉陷基本理论及其发展 开采沉陷学是矿业工程中的一个传统的学科分支，它是一门研究地下有用矿 物开采引起地表和岩层移动变形现象及其相关问题的科学。它是- l - j 交叉学科， 主要涉及采矿、地质、测量、岩石力学、统计学和计算科学等诸多学科。开采沉 陷的影响因素是开采方法、煤层倾角、厚度、埋藏深度以及岩石的力学性质等。 早起的开采沉陷理论主要包括： ( 1 ) 将采空区上方的岩层看作是悬臂梁，从而得出地表的应变很可能是由于下 沉引起的，其大小与地表的曲率半径成反比。 ( 2 ) 将采空区上的岩体视为由不同厚度和力学性质的分层所组成，岩层移动的 基本形式是这些分层的弯曲，应用两端固定梁的理论，将移动过程看作是各个分 层的逐层弯曲，从而计算出移动过程的要素。 早在十九世纪中叶以来，由于采矿业的发展，因采矿引起地表塌陷，给地面 建筑物和农业带来严重损害，引起人们的关注。通过人们对地表移动的研究，1 9 世纪末就产生开采沉陷学这一新的学科领域。简单来说，开采沉陷学的发展大致 有两个阶段【4 副： 第一阶段为1 9 世纪末到第二次世界大战期间，为初始阶段，采矿业刚刚涉及 到“三下 开采问题，人们依据实测数据提出地表下沉的经验公式。 第二阶段为第二次世界大战到现在，为迅速发展阶段。自从1 9 5 7 年波兰学者 李特威尼申提出随机介质理论后，本学科产生质的飞跃，从理论上奠定了基础 1 9 j 2 3 1 】；到2 0 世纪6 0 年代，由于计算机技术的应用，解决了复杂繁重的计算问题， 使理论和实践结合有了衔接的契机，把手工计算难于解决的计算问题变成了现实， 因此在实践中得到迅速的应用，同时进一步促进了学科的发展；7 0 年代联邦德国 的克拉茨将有限元法应用到本学科，使其应用范围扩大，计算精度提高【6 7 1 。 2 我国开采沉陷研究工作是从新中国成立以后才开始的。1 9 5 9 年煤炭科学研究 院北京开采所矿压室成立了水体下采煤组专门从事开采沉陷及防护的研究试验工 作。刘宝坤院士在水平煤层开采的基础上，发展了倾斜煤层开采后地表移动的时 间过程m ，4 7 删；1 9 6 5 年唐山煤炭科学研究分院的邹国铨提出了负指数法，在国内应 用广泛；1 9 8 1 年中国矿业大学何国清教授提出克威布尔函数法；1 9 9 7 年赵经彻和 何满朝博士提出了跨学科研究方式，将环境经济学、采矿学、开采沉陷学、数学、 力学及计算机等学科联系起来。 1 2 2 开采沉陷预计方法综述 开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一，它对开采沉陷的理论研 究和生产实践都有重要意义。开采沉陷预计方法主要有以下几种： ( 1 ) 经验方法：是在特定的地质采矿条件下，通过大量的开采沉陷实测资料的 数据处理，确定各种移动和变形的预计函数形式和预计函数的经验公式。经验方 法主要包括剖面函数法和典型曲线法。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，确定不同的剖面函数来描述下沉盆地，作为预计地表移动和变 形的公式。它的优点是使用直观方便，利用数学公式便于进行数学分析和解算， 利用较少的实测资料就可以确定预报公式的参数值。但是，剖面函数法最大的缺 点是要求工作面是矩形或近似矩形，它对任意形状工作面的地表移动变形预测则 不适用。而影响函数法对于任意形状工作面的预测却是适用的【1 0 】。因此近年来， 剖面函数法有逐渐被影响函数法取代的趋势。就我国而言，煤矿区绝大多数均采 用概率积分法就说明了这一点。典型曲线法的基本原理与剖面函数法完全相同， 只是剖面函数是通过解析函数的形式来表述地表下沉和预计点位置的函数关系， 而典型曲线是以表格或诺谟图的形式表示地表的下沉和预计点位置的函数关系。 ( 2 ) 随机介质理论概率积分法：开采沉陷的随机介质理论于2 0 世纪5 0 年 代由波兰学者李特维尼申提出。2 0 世纪6 0 年代初期我国学者刘宝琛、廖国华在随 机介质理论基础上解决了地表移动剖面预计问题【1 2 】。近3 0 年来，又成功地解决了 地表移动预计空间问题、覆岩内移动预计问题、露天开采移动预计问题，发展为 概率积分法特殊地表地形问题的预计体系，目前已成为我国较为成熟、应用最广 泛的预计方法之一。 ( 3 ) 数值计算方法：数值计算法是随着计算机技术的发展而建立起来的一种方 法，它可以解决某些理论研究的计算过于复杂而实际无法计算的问题。近年来， 随着计算机技术的发展，数值计算方法在开采沉陷预计中得到广泛应用。目前， 常用的计算方法有有限单元法、离散单元法、边界元法、拉格朗日元法等。这些 3 方法应用于开采沉陷预计与研究中，促进了开采沉陷学的发展，对由地下开采引 起的地表移动及变形机理有了更准确的认识【3 】。 采用数值计算的关键是岩体参数的选取，对于此问题，吴戈等采用了模型识 别和参数识别的方法，先通过实测资料确定参数，然后进行计算。有些人考虑到 岩体存在层面，在层面处设置节理单元，然后在不改变岩体力学参数的前提下进 行地表移动的有限单元计算，获得了与现场实测相吻合的结果。考虑层面后计算 的移动量是不考虑层面情况的5 倍。邓喀q j ( 1 9 9 3 年) 在预先计算得到可能产生滑移 的层面上设置节理单元，进行了现场实测和预测比较，在不改变岩体力学参数前 提下获得了与实测一致的结果【l 引。 由于单元的灵活性，数值计算法对于任意形状的工作面都能进行计算，是一 种很有发展前途的方法，关键是要建立符合实际的介质模型和选取恰当的预测参 数。如果能解决这一问题，它必将会得到广泛的应用。 我国开采沉陷工作者经过几十年的努力，已建立了适合我国实际情况的多种 预计方法。根据我国各矿区的实际情况在这些预计方法中选择合适的预计模型， 对于一般地质采矿条件下的预计，其精度是能满足沉陷治理工程需要的。对于存 在特殊地质采矿条件时，仍然没有较成熟的预计方法，实际工程中一般采用数值 模拟和物理模拟作定性或半定量的分析。近几年来，概率积分法的线积分运算方 法，对提高计算精度、计算任意形状工作面的开采预计非常有益。许多开采沉陷 工作者在改进常用预计方法存在的一些与实际不符的问题方面作了许多工作【2 1 1 。 计算机技术日新月异，数值计算方法将会越来越多地应用于矿山地面沉陷预 测。但是，由于数值计算方法存在一定的缺陷，它并不能完全代替传统的预计方 法。因此，在今后很长一段时间，在矿山地面沉陷预测研究及应用中，传统的概 率积分法和数值计算方法将占主导地位。两种方法的计算结果相互比较和分析， 可以提高矿山地面沉陷预测的可靠性 9 , 1 1 】。 1 2 3 国内外相关研究分析 目前，我国在开采沉陷方面的研究已经日渐成熟，但与国外的研究相比，还 存在一些不足。在开采沉陷理论上，我国已经取得了一定程度的进展，但主要还 是理论基础、模型与计算方法方面，并没有完整的系统与实证研究对应；在开采 沉陷技术上，是根据矿区的具体情况选择与预计方法相对应的预计模型，还不能 适用于特殊地质和采矿条件下的沉陷预计；在信息系统方面，目前的系统功能仅 仅停留在单一的地表变形预计和建筑物的变形治理上，一些系统软件也主要研究 从开采煤层到地表的岩层破坏情况及移动情况，系统建设还有待完掣1 7 捌。 4 通过对国内外相关的研究，本论文结合现状，对地表变形以及路基铁轨变形 进行准确的预计，并对特厚煤层综放开采条件下铁路及站场变形治理措施进行研 究，从而形成特厚煤层综放开采条件下铁路及站场变形预计与治理综合性的系统。 1 3 论文的研究内容和主要框架 本文结合目前矿区煤炭开采的实际情况，通过对现有技术资料的整理与研究， 综合应用概率积分法及其他基本理论，对地表变形进行预计，并建立专用铁路及 站场变形预计系统。本文具体的研究流程图如图1 - 1 所示。 第一章绪论 1p 第二章开采变形预计基本原理研究 r 第三章铁路及站场变形预计系统分析 1r 第四章铁路及站场变形预计系统设计与实现 1r 第五章案例分析 1 r 第六章总结与展望 提出问题 理论基础 分析问题 解决问题 后续研究 图1 - 1 本文研究流程图 f i g 1 - 1r e s e a r c hf l o wc h a r to f t h ep a p e r 论文各章的具体内容如下： 第一章主要介绍本文的研究背景，国内外关于开采沉陷基本理论及技术的研 究现状以及论文的主要内容。 第二章为变形预计综述研究，介绍变形预计的基本原理、变形预计的概率积 5 ， ， 分法以及路基变形研究等，为本文所研究的专用铁路及站场变形预计系统的建立 打下理论基础。 第三章在基础理论研究的基础上，明确专用铁路及站场变形预计系统建立的 必要性，并进行系统分析，为系统的设计、实现和应用提供了依据和前提。本章 特别进行了系统需求分析和业务、数据流程的分析。 第四章在系统需求分析的基础上进行系统的总体结构、功能模块以及数据库 的设计，从而完成系统的实现过程，简要介绍了专用铁路及站场变形预计系统各 子系统的开发和实现。 第五章以兴隆庄4 3 2 2 工作面为例，利用专用铁路及站场变形预计系统对线路 变形进行预计，然后根据预计结果，结合铁路运输理论及铁路技术管理规程等相 关规定，提出铁路线路的维修治理方案。 第六章对本文的研究工作进行总结，指出本文研究中存在的不足，并对未来 的研究方向进行展望。 1 4 本章小结 本章通过查阅大量的文献，分析国内外在开采沉陷方面的研究现状，综合论 述了铁路我国铁路开采变形治理技术的发展，开采沉陷基本理论的发展历程，如 连续介质理论和非连续介质理论的发展与应用，开采沉陷预计方法的现状、发展 和开采预计技术，如经验法、概率积分法和数值计算方法。本章特别对矿区专用 铁路及站场变形预计信息系统的发展和应用进行了具体的阐述，提出了研究的基 本框架和研究思路，列出了详细的研究内容。 6 2 铁路变形预计概述 专用铁路运输是我国铁路运输的重要组成部分，近年来，随着铁路运输业的 发展，专用铁路的效率有所提高，并且随着矿区采煤业的发展，专用铁路的运输 量不断增加。铁路线下采煤会对铁路线路产生一定的影响，随着采煤工作面的推 进，采空区上方的岩石和地表都会产生一定程度的位移，从而也就引起铁路线路、 站场以及其他建筑物的相应位移1 8 】。本章主要内容是得出铁路路基和轨道的相对准 确的变形预计结果，以便可以根据具体情况采取相应的保护措施，从而保证铁路 运行的安全。 2 1 变形预计理论研究 2 1 1 变形预计基本原理 铁路是国民经济的命脉，而矿区铁路是铁路系统中不可或缺的一个部分。近 年来，随着矿区铁路的发展，长期大量的煤炭地下开采，造成了大范围的地表沉 陷变形，改变了原有的地形地貌，并且给地面建筑物及设施等造成较大伤害，直 接威胁着人民群众的财产和生产安全。为了有效地保护地表建筑物及铁路站场， 需要在地下采煤之前对开采后的地表变形和移动做出预计，从而预计出铁路路基 和轨道的变形规律，以采取适当的措施保证行车安全及建筑物的正常使用。 地表移动是地质采矿因素与地形因素共同作用的结果。影响地表移动的因素 有几个方面，分别是表土性质、采出厚度、煤层倾角、开采深度、采区形状和大 小以及地质构造等，这些因素都在一定程度上影响了地表变形和移动量的大小及 其分布【8 刀】。一般来说，由于所开采煤层的深厚比相当大，地表的移动无论在时间 上还是在空间上都是连续的。在某些情况下，只在位于采区边界上方的地表处， 因受拉伸变形而出现一些小的裂缝，它上宽下窄，一般在几米深处就会自然消失。 这种地表裂缝一般不会延伸到铁路路基， 在这种条件下，路基由完整的地层支托， 路基和上部建筑物的移动也是缓和的， 其坚固性和稳定性得到保证1 1 4 1 5 】。 铁路及站场变形预计系统是在上述原理的基础上建立的。由于路基由完整的 地层支托，其坚固性和稳定性在煤层开采过程中未受到破坏，所以我们可以通过 明确地表移动及变形规律，推导出路基和轨道的变形规律。因此，利用这一基本 原理，研究铁路及其上部建筑物的变形规律，以便为铁路变形维护提供技术依据。 7 2 1 2 开采变形预计概率积分法 由于矿山开采引起的地表移动和变形越来越多的影响了人们的生活，因此进 行地表移动和变形预计研究也成为一个日趋重要的研究课题。在进行地表移动和 变形预计时，根据我国煤矿的实际情况，可以选用典型曲线法、负指数函数法、 概率积分法、数值计算等方法【1 6 1 。 概率积分法是我国常用的地表移动变形预计方法之一，该方法是因其所用的 移动和变形预计公式中含有概率积分( 或其导数) 而得名。由于这种方法的基础 是随机介质理论，所以又叫随机介质理论法阴】。 岩体是开采沉陷变形预计的研究主体，它可以用两种完全不同的介质模型来 模拟，一个是连续介质模型，一个是非连续介质模型。连续介质模型假设在运动 过程中，介质始终具有连续性，介质单元之间的联系关系保持不变；非连续介质 模型假设在移动过程中，介质不再保持连续性，介质单元之间不再保持原有的联 系关系，单元相互分离并发生相对运动。在这里，我们考虑到岩体中存在的一些 裂缝和其他非连续面，用非连续介质模型来研究开采变形的问题。颗粒体介质理 论模型如图2 - 1 所示。 第5 分层 第4 分层 第3 分层 第2 分层 第1 分层 、p ( ) ( z ) 八 忒 彳”1 r 入 j 叫l a r o ( a ) ( b ) a 一理论模型；b 一颗粒移动概率的分布 图2 1 颗粒体介质的理论模型 f i g2 1t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fg r a n u l em e d i u m 3 李特威尼中等认为岩层及地表的移动规律类似于颗粒体介质模型表示的规 律，从而应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学来研究岩层和地表的移动。我 们可以将图2 - 1 所表示的理论模型当作颗粒体介质。该理论模型认为，介质是由 类似于沙粒或相对来说较小的岩石块组成；颗粒之间没有任何联系，可以相对运 动。我们用颗粒的随机移动来代表颗粒体介质的运动，并且认为大量的颗粒体介 质的移动是随机过程。 图2 1 所示的理论模型中，假设所有介质颗粒是大小相同、质量相等的小球， 并被装在大小相同的均匀排列的方格内。一个方格内的小球被移走时( a 1 ) ，由于重 力作用，上一层的两个相邻方格内的小球之中的一个( a 2 或b 2 ) 将滚入此s 方格。假 设此方格上一层的两个相邻方格中的哪一个小球滚入此方格完全是随机的，并具 有相同的概率l 2 。 若图2 1 ( a ) 中的a l 格内的小球被移走后，a 2 格内的小球滚入a i 格，则a 2 格将 被一个从第3 分层的a 3 或b 3 格滚来的小球所占据；同样，若是b 2 格内的小球滚入 a l 格，则b 2 格将被一个从第3 分层的b 3 或c 3 格滚来的小球所占据。根据概率相乘 和相加定理，a l 格小球的放出，排空a 3 、b 3 或c 3 格这三个事件发生的概率分别为 1 4 、2 4 和1 4 ；同理，排空第四分层卧b 4 、c 4 或d 4 格这四个事件发生的概率分 别为1 8 、3 8 、3 8 和1 8 ；如此类推，把各个格子由于a l 格小球的放出而排空的 概率写在相应的格子中，构成了图2 1 ( b ) 下方的颗粒移动概率分布图。若选取图 2 1 ( b ) 中的坐标x o z ，则介质内任意一个z 水平的概率分布可以绘成图2 一l ( b ) 上方虚 线所示的概率分布直方图。若格子的尺寸非常小，则这个直方图趋近于一条光滑 的曲线。如果在a l 格处( 中心坐标为x = z - - - o ) 放出数量相当多的、其总体积为单 位体积的小球，则z 水平的概率分布曲线p ( x ，z ) 趋近于一条正态分布概率密度曲线。 ( 1 ) 单元垂直位移 为了进一步研究p ( x ，z ) 的具体形式和物理意义，取图2 。1 中的任意三个相邻的 格子a 、b 和c ，它们的中点坐标分别为( x ，z + b ) 、( x a 2 ，z ) 和( x + a 2 ，z ) ，设格子的宽 和长分别为a 和b ，见图2 2 所示，这个图形称为随机游动模型。 9 z z + b z o a x - ax a 2xx + a 2x + a x 图2 2 随机介质的随机游动模型 f i g2 - 2r a n d o mf l o a t i n gm o d e lo fr a d o mm e d i u m 若格子b 和c 中的小球都被移走了，格子b 和c 中均出现空位，则格子a 中 的小球在自重作用下可能向b 或c 空位移动，其概率为1 2 。设p ( x ，z + b ) 、p ( x a 2 ，z ) 和p ( x + a 2 ，z ) 分别表示图2 1 ( a ) 中的a l 格放出若干个小球时，图2 2 中的a 、b 和c 格子中的小球发生移动使相应格子出现空位的概率，则根据概率相加和相乘的意 义，可写出如下等式： p ( x ，z + b ) - - - - ( 1 2 ) p ( x a 2 ，z ) + ( 1 2 ) p ( x + a 2 ，z ) ( 2 1 ) 若格子的尺寸非常小，a 、b 和x 、z 相比可以认为是极小量，则上式中含有概 率p 的项可在点( x ，z ) 附近用泰勒公式展开，并取前2 项，经整理后可得： 塑垡：型：生芝旦 兰：型 岔8 6苏2 令 一2 瓜纫去 6 _ o 则上式可简化为： 亟盟：彳鲫7 瑟 叙2 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 为描述图2 1 这类随机介质理论模型岩层移动的基本微分方程式，式中 a 为一个反映格子尺寸的常数，其解p ( x 力为一个连续函数，表示点( x ，z ) 附近的无 穷小格子出现空位的概率。 式( 2 2 ) 是一个二阶的抛物线型的偏微分方程，为了求得其特解，可根据该理 论模型的假设和采矿实际列出以下边值条件： 1 0 p ( x q ) = 6 t x ) 讯，= 恶蔷 6 ( x ) 出= 1 j 式( 2 3 ) 的物理意义是：只在图2 1 所示的理论模型中的格子a l ( 其中点坐标为 x = o ，萨o ) 处排出数量相当多而总体积为单位体积( 公式中表示为1 ) 的小球，其它 任何点均不排出小球。这个情况相当于采矿中的单元开采。按式( 2 3 ) 的边值条件， 从式( 2 1 ) 解出的p ( x ，z ) 表示在单元开采时，点( x ，z ) 附近的格子出现空格的概率，表 达式为： 1 l 。 p ( x ，z ) = 1 兰p “2 4 4 a a z 令 乞= 瓜 则上式可简化为 r 2 p(x,zj：le-x虿(2-4) 此时p ( x ，z ) 在数值上等于单元开采引起( x ，z ) 点的垂直位移量w e ( x , z ) 。所以， 有： r 2 形似，z j ：p f ，五z j ：三p ”一r l( 2 5 ) v ( x ，z ) 表示单元开采引起( x ，z ) 点的下沉，所以称此函数为下沉影响函数。 对地表来说，z 等于开采深度h ，为常数，则r z 也是常数，等于衄称为主要 影响半径) ，则式( 2 5 ) 变为： 呒俐：! p ”7 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 就是地表单元垂直位移的表达式，该正态分布概率密度函数即为单元 开采的单元垂直位移的影响函数。 ( 2 ) 单元水平位移 为了确定单元开采引起的水平移动，作如下假设：在单元开采影响下，岩体 产生的移动和变形很小，并且是连续分布的；在单元开采作用下，岩石虽发生变 形，但总体积保持不变。 根据弹性力学，材料的体积应变可表示为沿三个轴的线应变之和： e 2 l + 6 y + s z 对平面l 司题，考虑上述体积不变假设，根据弹性力学理论，上式n - - j 写作： 岛+ 乞= o( 2 7 ) 假设岩体内( x ，z ) 点受单元开采影响产生的水平移动为u 巴( x ，z ) ，根据弹性力学 的公式并考虑本理论模型的假设，有： 占：曼丝! 兰! 塑 占：一o r v , _ ( x 一, z ) 乞式中的”号是由于w 轴与z 轴方向相反，将上面两式代入式( 2 7 ) ，可得： a 呒( 石，z )o u e ( x ，z ) 一= = 一 瑟缸 ( 2 8 )