榆樹坡煤業原神高速公路5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 地質測量部，山西 陽泉 045000)

地下煤炭開采破壞了地下巖層的平衡，導致上覆巖層垮落破壞，發育到地面常常形成地裂縫造成地面塌陷。地面重要建筑物、水體及鐵路下開采，一般采用留設保護煤柱方法，避免地下煤炭開采活動造成巖層移動波及到被保護區域。目前采用的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。其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]。為了保護榆樹坡煤業井田范圍內原神高速公路，合理開發煤炭資源，需對榆樹坡煤業原神高速公路進行5號煤層保護煤柱設計。

1 工程概況

榆樹坡煤業位于寧武縣城東北約2 km處，井田東西長9.06 km，南北寬5.40 km，面積15.024 7 km2，目前開采位于太原組下部的5號煤層，區內煤厚8.05～18.45 m，平均14.87 m，采用放頂煤開采。資料顯示，井田范圍上有原神高速公路從東邊南北向通過，為了保護高速公路的安全，合理開發煤炭資源，需對榆樹坡煤業原神高速公路進行5號煤層保護煤柱設計。原神高速公路是靈河高速公路的中間一段，由山西原平到神池，后與河曲高速公路相連，路線全長64.67 km.原神高速公路于2013年5月開工建設，2017年2月通車試行，已運營近5 a.

2 保護煤柱設計

2.1 保護煤柱設計方法選擇

重要建、構筑物下煤層開采，需要留設保護煤柱，目前主要采用垂直剖面法、垂線法和數字標高投影法進行煤柱設計。其中，垂線法是通過在建、構筑物外圍輪廓留設一定的維護邊界，根據維護邊界、巖層移動參數反推基巖移動邊界，從而確定煤柱邊界，主要適用于不規則建、構筑物煤柱設計[5]。榆樹坡煤業井田范圍內原神高速公路為線性構筑物，呈長條狀、曲折分布，因此，宜采用垂線法設計原神高速公路保護煤柱。

2.2 保護煤柱設計參數選取

根據地形圖上圈定的原神高速公路受護邊界，原神高速公路受護邊界由13個拐點連成。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[6]，原神高速公路保護等級屬于Ⅰ級，圍護帶寬度設計為20 m，原神高速公路角量參數根據榆樹坡煤業鄰近礦井的移動角參數確定，具體參數角量如下：5號煤層走向移動角δ、下山移動角γ均為72°，上山移動角根據β=72°-0.6α計算確定(α為煤層傾角)，松散層移動角ψ為45°，原神高速公路沿線松散層厚度依據鉆孔確定為4 m，原神高速公路5號煤層保護煤柱采用垂線法設計，具體設計如下：

1) 計算原神高速公路與井田內5號煤層斜交剖面移動角β′、γ′，采用下列公式計算：

(1)

(2)

式中：β′、γ′為原神高速公路與5號煤層斜交剖面上、下山移動角；β、γ、δ為原神高速公路上、下山和走向移動角；θ為原神高速公路圍護帶邊界與5號煤層走向所夾銳角。

2) 計算原神高速公路基巖邊界拐點煤柱垂直線長度q、L，采用下列公式計算：

(3)

(4)

式中：q、L分別為原神高速公路保護煤柱上、下山方向垂直線長度；h、H分別為原神高速公路沿線松散層厚度和5號煤層埋深；β′、γ′為原神高速公路與5號煤層斜交剖面上、下山移動角，θ為原神高速公路圍護帶邊界與5號煤層走向所夾銳角；α為煤層傾角。

3) 根據計算結果，在各拐點的垂線方向上按比例確定各拐點位置煤柱寬度，連接各點形成的多邊形為原神高速公路保護煤柱邊界線。

表1為原神高速公路5號煤層保護煤柱設計計算結果。

表1 原神高速公路5號煤層煤柱設計計算

3 原神高速公路5號煤層壓煤量分析

原神高速公路5號煤層壓煤量采用地質塊段法進行估算，公式如下：

Q=VC=(A/cosα)mC

(5)

式中：Q為原神高速公路5號煤層壓煤量；A為原神高速公路5號煤層煤柱邊界在平面上的投影面積，根據塊段進行圈定；C為煤的容重，取1.42 t/m3；α為煤層傾角，根據塊段確定。

經計算，原神高速公路5號煤層壓煤量1 225.38萬t，原神高速公路5號煤層保護煤柱壓煤量計算結果見表2.

表2 原神高速公路5號煤層保護煤柱壓煤量計算

4 結 語

榆樹坡煤業井田范圍內原神高速公路從東邊南北向通過，為了保護高速公路的安全，合理開發煤炭資源，需對榆樹坡煤業原神高速公路進行5號煤層保護煤柱設計。基于此，采用垂線法設計了榆樹坡煤業原神高速公路5號煤層保護煤柱，并估算了煤柱壓煤量。經估算，原神高速公路5號煤層保護煤柱壓煤量共計1 225.38萬t.對原神高速公路進行了有效防護。