寺家莊煤礦秦山水庫15 號煤層保護煤柱設計及壓煤量分析

呂俊沛

（華陽集團新能股份有限公司，山西 陽泉 045000）

目前留設煤柱計算方法主要有垂直剖面法、垂線法和數字標高投影法。這幾種方法的本質在于利用巖層移動參數對開采影響范圍進行估算，從而確定在開采區域與被保護體留設的合適距離[1-5]。

1 工程概況

陽煤集團寺家莊煤礦位于山西昔陽，礦井設計生產能力5.0 Mt/a，礦井采用斜立混合開拓方式、大采高綜采工藝，主采15 號煤。寺家莊煤礦井田范圍內存在秦山水庫，是昔陽縣主要飲用水源之一，為保護秦山水庫的安全，保證寺家莊煤礦井下采掘生產安全，最大限度地開發寺家莊煤礦煤炭資源，需對寺家莊煤礦秦山水庫進行15 號煤層保護煤柱設計。秦山水庫位于上秦山村西，為松溪河上游支流城西河中游，是昔陽縣主要飲用水源之一，水庫壩體為均質碾壓土壩，長374 m，寬5 m，壩底長300 m，寬148m，設計總容量750 萬m3，水庫正常水位為958.25 m。

2 保護煤柱設計方法選擇

目前留設煤柱計算方法主要有3 種，包括垂直剖面法、垂線法和數字標高投影法。其中，垂直剖面法是根據建筑物外圍輪廓以及煤層走向、傾向，從而采用巖層移動參數計算確定保護煤柱邊界；垂線法是通過在建筑物外圍輪廓留設一定的維護邊界，采用巖層移動參數計算基巖移動邊界，并確定邊界垂線長度，從而確定保護煤柱邊界；數字標高投影法是根據保護煤柱側平面與煤層等高線的交點確定保護煤柱邊界[5]。寺家莊煤礦秦山水庫受護邊界由20 個點連成的多邊形圈定，形狀不規則，適用于垂線法，因此確定采用垂線法設計秦山水庫15號煤層保護煤柱。

3 保護煤柱設計參數選取

根據地形圖上秦山水庫最高洪水位線對水庫圈定受護對象邊界，秦山水庫受護邊界由20 個拐點連成的多邊形圈定。據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》的規定[6]，秦山水庫保護等級屬于Ⅰ級，設計圍護帶寬度應為20 m。秦山水庫角量參數根據鄰近陽煤集團老區已有的移動角參數確定，確定參數如下，煤層走向移動角δ取72°，下山移動角γ取72°，上山移動角采用公式β=72°-0.5α 確定，α為煤層傾角，松散層移動角ψ 取45°。地質資料顯示，秦山水庫圍護帶邊界松散層厚度在5～15m 范圍，取上限15 m。秦山水庫保護煤柱設計采用垂線法，具體設計步驟如下：

（1）計算秦山水庫與煤層斜交剖面移動角β'、γ'，采用公式（1）和（2）計算，公式如下：

ctgβ' =（ctg2β·cos2θ+ctg2δ·sin2θ）1/2（1）

式中：β'、γ'分別表示秦山水庫與煤層斜交剖面上山移動角和下山移動角；β、γ、δ分別表示秦山水庫上山移動角、下山移動角和走向移動角；θ表示秦山水庫圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角。

（2）計算基巖邊界拐點煤柱垂直線長度q、l，采用公式（3）和（4）計算，公式如下：

式中：q、l分別表示秦山水庫保護煤柱上山和下山方向垂直線長度；h、H分別表示松散層厚度和煤層埋深；β'、γ'分別表示秦山水庫與煤層斜交剖面上山移動角和下山移動角；θ表示秦山水庫圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角；α為煤層傾角。

（3）在各點的垂線上按比例截取各計算長度，連接垂線各點形成的多邊形為秦山水庫保護煤柱邊界線。

表1 給出了秦山水庫保護煤柱垂直線長度計算結果，圖1 給出了秦山水庫保護煤柱留設示意圖。

圖1 秦山水庫保護煤柱留設示意圖

表1 秦山水庫煤柱設計計算表

續表：

4 秦山水庫壓煤量分析

秦山水庫壓煤量采用地質塊段法進行估算，采用公式（5）計算，公式如下：

Q=V·C=（A平面積/cosα）·m·C（5）

式中：Q表示秦山水庫壓煤量；A平面積表示秦山水庫保護煤柱邊界在平面上的投影面積；C表示煤的容重；α表示煤層傾角。

經計算，秦山水庫保護煤柱壓煤量1 361.32 萬t。秦山水庫保護煤柱壓煤量計算表見表2。

表2 秦山水庫保護煤柱壓煤量計算表

5 結論

寺家莊煤礦井田范圍內存在秦山水庫，是昔陽縣主要飲用水源之一，為保護秦山水庫的安全，也為了保證寺家莊煤礦井下采掘生產安全，最大限度地開發寺家莊煤礦煤炭資源，采用垂線法設計了秦山水庫保護煤柱。經估算，秦山水庫15 號煤層保護煤柱壓煤量共計1 361.32 萬t，秦山水庫保護煤柱設計有效地防護了寺家莊煤礦15 號煤層開采對其造成的影響。