煤礦開(kāi)采特高壓線塔保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)與合理留設(shè)研究*

王比比，郭文兵,2，趙高博，徐飛亞，譚 毅

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454000;2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454000)

目前，我國(guó)所有煤礦井田上方幾乎都存在高壓輸電線路，因此，煤礦面臨著高壓輸電線路鐵塔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“線塔”)附近采煤及高壓線塔的保護(hù)問(wèn)題[1-2]。

我國(guó)尚沒(méi)有1 000 kV特高壓線塔下采煤的成功先例，僅有最高220 kV的高壓線路下采煤先例[3]。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)規(guī)定：輸電線路大于220 kV時(shí)，保護(hù)等級(jí)屬于Ⅰ級(jí)[4]。根據(jù)相關(guān)研究表明[5-6]，特高壓線塔對(duì)煤礦開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形極為敏感，將高壓線路的移動(dòng)變形指標(biāo)控制在正常范圍內(nèi)，才能保證線路安全運(yùn)行[7-8]。其中，及時(shí)對(duì)線塔采取維修、調(diào)整和加固處理等技術(shù)[9-11]，可減輕煤礦開(kāi)采對(duì)其損壞影響。另外，合理留設(shè)特高壓線塔保護(hù)煤柱是常用的技術(shù)措施[12]，但其角值參數(shù)的合理選取仍然是難點(diǎn)，尚未解決。

本文采用垂線法對(duì)寺河煤礦特高壓線塔保護(hù)煤柱合理留設(shè)進(jìn)行了研究，對(duì)有效保護(hù)特高壓線塔及線路穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

1 保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)對(duì)象與目的

一條1 000 kV特高壓試驗(yàn)示范線路途經(jīng)寺河煤礦。寺河煤礦正在開(kāi)采的3號(hào)煤層，煤層傾角2°～5°；埋深為357～519 m；煤厚4.45～8.75 m，平均6.31 m。為確定寺河礦地表特高壓線塔的型號(hào)、運(yùn)行編號(hào)以及線塔的位置，對(duì)寺河礦東井區(qū)3號(hào)煤層地表高壓線塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)量，3號(hào)煤層與特高壓線塔(編號(hào)106～116號(hào))位置示意圖如圖1所示，其中113號(hào)與110號(hào)為轉(zhuǎn)角塔，如圖2所示，其余線塔全屬于直線塔。

圖1 3號(hào)煤層與特高壓線塔位置示意圖

圖2 酒杯型特高壓線塔

本研究主要為寺河煤礦煤炭高效利用和地表特高壓線塔穩(wěn)定運(yùn)行做出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并合理計(jì)算出特高壓線塔留設(shè)保護(hù)煤柱的尺寸，促進(jìn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 特高壓線塔保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

2.1 特高壓線塔概況

保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)涉及的煤層為3號(hào)煤層，涉及塔位共計(jì)11座，運(yùn)行編號(hào)依次為106～116。根據(jù)礦方提供的采掘工程平面圖、井上下對(duì)照?qǐng)D以及鉆孔柱狀圖，對(duì)每個(gè)線塔的具體情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、勘查和測(cè)量，其中鉆孔柱狀圖松散層厚度如表1所示，線塔概況如表2所示。

表1 寺河礦東井區(qū)部分鉆孔柱狀圖松散層厚度表

表2 寺河礦東井區(qū)106～116特高壓線塔概況一覽表

2.2 保護(hù)煤柱留設(shè)參數(shù)選取

依據(jù)《規(guī)范》規(guī)定：特高壓輸電線塔屬于國(guó)家Ⅰ級(jí)保護(hù)構(gòu)筑物，其保護(hù)煤柱留設(shè)應(yīng)按移動(dòng)角計(jì)算。文獻(xiàn)[1]中對(duì)輸電線路桿塔的傾斜、水平位移的最大允許值進(jìn)行了詳細(xì)描述：1 000 kV交流直線塔(100 m以下)傾斜度允許值為3%；直線貓頭塔K點(diǎn)水平位移允許值為75 mm。

依據(jù)寺河礦采礦地質(zhì)概況采用經(jīng)驗(yàn)值法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種方案，對(duì)覆巖移動(dòng)角參數(shù)進(jìn)行獲取，結(jié)果如下：

(1)按經(jīng)驗(yàn)值選取移動(dòng)角

寺河礦上覆巖層巖性綜合評(píng)定為軟弱偏中硬巖層[3]，結(jié)合《規(guī)范》，選取走向移動(dòng)角為69°，下山移動(dòng)角為66.5°，上山移動(dòng)角為69°。

(2)根據(jù)4307工作面實(shí)測(cè)值選取移動(dòng)角

通過(guò)工作面現(xiàn)場(chǎng)地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)可推導(dǎo)出移動(dòng)角[13]。寺河煤礦4307工作面為大采高綜采工作面。工作面走向長(zhǎng)約為296 m，傾向長(zhǎng)約為1 042 m，呈“刀把型”。工作面平均采深為566.3 m，煤層煤厚平均為6.0 m，煤層平均傾角5°。工作面采用傾斜長(zhǎng)壁大采高自然冒落后退式綜合機(jī)械化采煤方法。4307工作面地表沉陷觀測(cè)站平面示意圖如圖3所示。

圖3 4307工作面觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到A線和B線的傾斜、水平變形擬合曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 A線傾斜擬合曲線圖

圖5 B線傾斜擬合曲線圖

圖6 A線水平變形擬合曲線

圖7 B線水平變形擬合曲線

根據(jù)移動(dòng)角的定義[1]，從傾斜和水平變形的數(shù)值上，求取傾斜變形3 mm/m、水平變形2 mm/m的最外點(diǎn)，進(jìn)行綜合計(jì)算。由圖4～圖7可知，走向觀測(cè)A線傾斜值在3 mm/m的點(diǎn)距停采線150 m，水平變形值在2 mm/m的點(diǎn)距停采線235 m；傾向觀測(cè)B線傾斜值在3 mm/m的點(diǎn)距下順槽148.6 m，水平變形值在2 mm/m的點(diǎn)距下順槽253.3 m。因此，由最外確定值知，走向觀測(cè)線的臨界變形點(diǎn)距離為235 m；傾向觀測(cè)線的臨界變形點(diǎn)距離為253.3 m。

得到4307工作面移動(dòng)角值計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 地表移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果

(3)根據(jù)4301工作面實(shí)測(cè)值選取移動(dòng)角

寺河煤礦4301工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，位于東四盤(pán)區(qū)，開(kāi)采厚度約6 m，地面標(biāo)高為780～1 104 m，工作面標(biāo)高為488～624 m，傾向長(zhǎng)度為297.5 m，走向長(zhǎng)度為2 353.5 m。該大采高超長(zhǎng)工作面地表沉陷觀測(cè)站平面示意圖如圖8所示。

圖8 4301工作面觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)布置圖

為了求得走向和傾向移動(dòng)角值，通過(guò)對(duì)4301工作面開(kāi)采過(guò)程中及開(kāi)采后2個(gè)月內(nèi)的地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)資料分析，可得移動(dòng)角值參數(shù)，如表4所示。

表4 地表移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述(1)、(2)、(3)移動(dòng)角參數(shù)的求取方法，分析確定最外值，得到寺河礦具體的角值參數(shù)為：走向移動(dòng)角為65°，下山移動(dòng)角為63°，上山移動(dòng)角為65°。

(4)考慮山體采動(dòng)滑移附加影響綜合分析

本文保護(hù)煤柱留設(shè)所涉及的特高壓線塔為山區(qū)建(構(gòu))筑物，需要考慮山體采動(dòng)滑移附加變形對(duì)1 000 kV特高壓線塔的影響。

參照寺河礦方提供的東區(qū)井上下對(duì)照?qǐng)D以及地表地形圖，分別對(duì)東三至東六盤(pán)區(qū)3號(hào)煤層的11座線塔(106～116)塔基上方的地表地形進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：保護(hù)煤柱受護(hù)邊界至煤柱邊界范圍內(nèi)地表平均傾角大于15°的線塔有108、109、110三座。采用采動(dòng)坡體穩(wěn)定性分析方法結(jié)合本礦區(qū)積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定這三座高壓線塔保護(hù)煤柱留設(shè)的移動(dòng)角參數(shù)取值[4]。根據(jù)分析，編號(hào)108和110的高壓線塔塔基移動(dòng)角取值分別減去5°；109號(hào)高壓線塔塔基移動(dòng)角值減去2°。

因此，計(jì)算得出這三座受地質(zhì)條件影響的高壓線塔保護(hù)煤柱留設(shè)移動(dòng)角值分別為：108、110號(hào)高壓線塔煤柱留設(shè)走向移動(dòng)角60°，下山移動(dòng)角58°，上山移動(dòng)角60°；109號(hào)高壓線塔塔基煤柱留設(shè)走向移動(dòng)角63°，下山移動(dòng)角61°，上山移動(dòng)角63°。

綜合上述分析可得，以上11座特高壓線塔塔基留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)，具體的角值參數(shù)取值如表5所示。

表5 地表移動(dòng)角計(jì)算結(jié)果

3 特高壓線塔保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.1 特高壓線塔保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

根據(jù)寺河礦具體地質(zhì)采礦條件以及特高壓線塔的布置情況，本文采用垂線法進(jìn)行保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)。直接在平面圖上得到受護(hù)面積邊界；其次，確定松散層保護(hù)邊界，計(jì)算公式如下[14]：

s=h·cotφ

(1)

式中，s為松散層保護(hù)邊界寬度，m；φ為松散層移動(dòng)角；h為松散層厚度，m。

最后，采用垂線法計(jì)算保護(hù)邊界的垂線長(zhǎng)度。垂線指向煤層上山方向時(shí)，取長(zhǎng)度q；垂線指向煤層下山方向時(shí)，取長(zhǎng)度l。計(jì)算公式如下[1]：

(2)

(3)

式中，H為計(jì)算點(diǎn)處煤層的埋藏深度，m；h為松散層厚度，m；θ為各受護(hù)邊界與煤層走向所夾的銳角，(°)；β′、γ′為斜交剖面上的斜交移動(dòng)角，(°)；α為煤層傾角，(°)。

其中，斜角剖面移動(dòng)角計(jì)算公式如下[1]：

(4)

(5)

式中，β、γ、δ分別為下山、上山、走向移動(dòng)角，(°)。

3.2 特高壓線塔保護(hù)煤柱留設(shè)結(jié)果

以3號(hào)煤層111號(hào)線塔為例說(shuō)明垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱的過(guò)程[14]。

(1)確定受護(hù)邊界。在平面圖(如圖9所示)上先確定需要保護(hù)的范圍，然后加圍護(hù)帶s=20 m，得受護(hù)邊界1234。

圖9 111號(hào)線塔保護(hù)煤柱平面圖

(2)向外劃出矩形1′2′3′4′，即得表土層與基巖接觸面上的受護(hù)邊界。

(3)從1′、2′、3′、4′各點(diǎn)分別作線段1′2′和1′4′、2′1′和2′3′、3′2′和3′4′、4′3′和4′1′的垂線，垂線的長(zhǎng)度q(上山垂線長(zhǎng))、l(下山垂線長(zhǎng))通過(guò)計(jì)算獲得，具體值如表6所示。

表6 運(yùn)行編號(hào)111號(hào)線塔垂線長(zhǎng)q、l的計(jì)算

(4)在各垂線上按比例截取其垂線長(zhǎng)得點(diǎn)5、6、7、8、9、10、11、12，依次連接各點(diǎn)并相交于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。四邊形ⅠⅡⅢⅣ即為用垂線法留設(shè)的保護(hù)煤柱。

根據(jù)以上所述，對(duì)該線段11處塔基(3號(hào)煤層106～116號(hào)高壓線塔)的保護(hù)煤柱范圍依次進(jìn)行計(jì)算，得到3號(hào)煤層高壓線塔的保護(hù)留設(shè)煤柱，其示意圖如圖10所示。

圖10 3號(hào)煤層特高壓線塔的保護(hù)留設(shè)煤柱

4 保護(hù)煤柱壓煤量計(jì)算

根據(jù)寺河煤礦3號(hào)煤層底板等高線及資源儲(chǔ)量估算圖(1:10 000)對(duì)本次11座特高壓線塔的壓煤資源進(jìn)行了劃分，如表7所示。

表7 特高壓線塔壓煤儲(chǔ)量分類(lèi)表

保護(hù)煤柱壓煤量估算采用地質(zhì)塊段法。估算公式如下：

(6)

式中，A平為煤柱面積在平面圖上的投影，m2；γ為煤的容重，t/m3；m為煤層厚度，m；α為煤層傾角，(°)。

利用保護(hù)煤柱各拐點(diǎn)坐標(biāo)求得壓煤面積，根據(jù)式(6)進(jìn)行保護(hù)煤柱壓煤量的計(jì)算，得到采用垂線法留設(shè)特高壓線塔保護(hù)煤柱壓煤量，如表8所示。

表8 采用垂線法留設(shè)特高壓線塔保護(hù)煤柱壓煤量計(jì)算表

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，寺河礦3號(hào)煤層?xùn)|三～東六盤(pán)區(qū)11座線塔塔基(運(yùn)行編號(hào)為106～116)的保護(hù)煤柱受護(hù)面積為3 393 918.48 m2，壓煤量共3 077.34萬(wàn)t。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)寺河礦3號(hào)煤層11座特高壓線塔所處位置煤層的埋深、松散層厚度等地質(zhì)采礦條件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

(2)結(jié)合《規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)值、4301與4307工作面的地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)值，并考慮山體采動(dòng)滑移附加影響，綜合分析得到了寺河煤礦地表特高壓線塔保護(hù)煤柱留設(shè)的角值參數(shù)。

(3)采用垂線法，依次計(jì)算分析了11座特高壓線塔的保護(hù)煤柱尺寸，并通過(guò)地質(zhì)塊段法對(duì)保護(hù)煤柱壓煤量進(jìn)行了估算：寺河礦11座特高壓線塔的保護(hù)煤柱受護(hù)面積為3 393 918.48 m2，壓煤量共3 077.34萬(wàn)t。