南水北调中线工程禹州煤矿采空区保护设计

□申黎平 （河南省水利勘测设计研究有限公司）

□王志刚 （南水北调中线建管局河南直管建管部）

□胡伟伟 （中国有色金属工业六冶洛阳公司）

一、工程概述

南水北调中线工程是缓解河南、河北和京津地区水资源危机的特大型跨流域调水工程，该工程以城市供水为主要目标，兼顾农业与生态。工程线路长，地质条件复杂，特别是渠道沿线穿越煤矿区，其中较大的就有两处，焦作煤矿区和禹州煤矿区。

南水北调中线一期工程总干渠在禹州市西南约7km处通过禹州煤矿区，禹州煤矿区目前涉及的生产矿井有：许昌新龙公司梁北煤矿；平煤集团新峰四矿；梁北镇郭村煤矿；梁北镇煤矿等大型煤矿。其中有些煤矿已开采多年存在采空区，有些煤矿在总干渠外侧开采，有向总干渠靠近的趋势。

总干渠从煤矿区上穿过，如不对沿线总干渠进行保护，易造成渠道沉陷、裂缝、漏水等，对工程的安全运行产生严重危害。为了总干渠的运行安全，须对渠道下面采空区进行处理，并对两侧正在开采的煤矿进行限制开采。为了达到处理采空区的效果，以及减少对当地煤矿企业的影响，确定煤矿区对总干渠的影响范围，就十分重要。

二、煤矿区特征

禹州煤矿采区，地下有多煤层结构，主要分布有二1煤层、六2煤层、六4煤层。

六2煤层、六4煤层属于浅层煤层，煤层埋藏深度155.0～361.0m。

二1煤层为深层煤层，煤层埋藏深度159.4～1151.1m。

禹州采空区主要位于六2煤层、六4煤层中，已停产多年，深层煤层二1煤层正在开采，局部也在下一步规划中。

根据现有煤矿区与总干渠的关系，南水北调工程要求，保护实施是迫在眉睫的事情。

三、压煤渠段保护设计

（一）渠线保护宽度确定

南水北调中线工程作为大型水工建筑物，其保护煤柱等级按I级考虑。根据“三下”采煤规程的规定，渠线围护带的宽度为20m。填方及半填半挖段渠线地表受护宽度及全挖方段渠线地表受护宽度由下式进行计算，渠线受保护宽度示意图见图1。

图1 渠线受保护宽度示意图

填方及半填半挖段渠线地表受护宽度：

式中：B—渠线受保护宽度，m；

b—1/2渠底宽，m；

A—内边坡宽，m；

Cl—外边坡宽，m；

C21、C22-一、二级马道上渠道边坡的宽度，m；

5—堤面、一级马道宽度，m；

2—二级马道宽度，m；

S—渠道防护宽度，m；

W—围护带宽，20m。

（二）保护煤柱宽度的确定

根据工程的特点，按“三下”采煤规程中的垂线法圈定保护煤柱边界。在表土层内采用φ角、基岩内则分别以斜交剖面移动角β′、γ′代替β、γ角计算垂线长度。计算参数根据许昌均州煤炭咨询设计研究院的《禹州煤矿区渠段地下压煤、采空区分布核查报告》选用。煤柱保护宽度见图2。

图2 煤柱保护宽度示意图

以表土层确定的煤柱宽度按下式计算：S=h·ctgφ

式中：h—表土层深度，m；

φ—表土层移动角，度。

以基岩确定的煤柱宽度按下式计算：

式中：K1、K2—分别为煤柱在上山、下山方向垂线长度，m；

H—煤层到地表的垂深，m；

α—煤层倾角，度。

式中：

β′、γ′—分别为任一方位下山、上山方向移动角，度；

β、γ、δ—分别为下山、上山、走向方向岩层移动角，度；

θ—围护带边界与煤层走向之间所夹的锐角，度。渠线保护煤柱宽度按下式确定：

式中各符号意义同前述公式，并参见图2。

现列举禹州矿区段局部深层和浅层渠线保护煤柱宽度计算成果，见表1。

四、保护煤柱的利用

保护煤柱宽度的确定，为渠道下一步施工实施提供了依据，具体利用有3个方面。

表1 渠线保护煤柱宽度 （单位：m）

（一）采空区处理范围的确定

因采空区主要产生于地表下的浅煤层，根据工程的特点，按“三下”采煤规程圈定保护煤柱边界。按勘测资料提供的浅层煤层的参数计算的保护煤柱宽度与采空区的实际分布区域，交集部分即为采空区处理注浆范围。

（二）渠道两侧的永久保护

对渠道以后运行产生长远影响的，主要还是深层煤层以后的开采，在确定渠道两侧的永久保护宽度时，需采用深层煤层的参数计算的保护煤柱宽度。保护宽度确定后，为了保证中线一期工程总干渠的安全，须禁止所有煤炭单位在渠道保护煤柱的范围内进行开采活动，以防止煤田的开采造成地表的各种变形，给渠道带来不利的影响。

（三）渠道压煤量的统计

总干渠穿越煤矿区，圈定的保护范围，必将会对当地煤炭企业开采造成不利影响，根据煤层倾角，煤层厚度即可计算出渠道占压的压煤量，也可为下一步国家补偿提供依据。