煤矿开采特高压线塔保护煤柱设计与合理留设研究*

王比比，郭文兵,2，赵高博，徐飞亚，谭 毅

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作 454000;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心, 河南 焦作 454000)

目前，我国所有煤矿井田上方几乎都存在高压输电线路，因此，煤矿面临着高压输电线路铁塔(以下简称“线塔”)附近采煤及高压线塔的保护问题[1-2]。

我国尚没有1 000 kV特高压线塔下采煤的成功先例，仅有最高220 kV的高压线路下采煤先例[3]。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(简称《规范》)规定：输电线路大于220 kV时，保护等级属于Ⅰ级[4]。根据相关研究表明[5-6]，特高压线塔对煤矿开采引起的地表移动变形极为敏感，将高压线路的移动变形指标控制在正常范围内，才能保证线路安全运行[7-8]。其中，及时对线塔采取维修、调整和加固处理等技术[9-11]，可减轻煤矿开采对其损坏影响。另外，合理留设特高压线塔保护煤柱是常用的技术措施[12]，但其角值参数的合理选取仍然是难点，尚未解决。

本文采用垂线法对寺河煤矿特高压线塔保护煤柱合理留设进行了研究，对有效保护特高压线塔及线路稳定运行具有重要的实际意义。

1 保护煤柱设计对象与目的

一条1 000 kV特高压试验示范线路途经寺河煤矿。寺河煤矿正在开采的3号煤层，煤层倾角2°～5°；埋深为357～519 m；煤厚4.45～8.75 m，平均6.31 m。为确定寺河矿地表特高压线塔的型号、运行编号以及线塔的位置，对寺河矿东井区3号煤层地表高压线塔进行现场调查、测量，3号煤层与特高压线塔(编号106～116号)位置示意图如图1所示，其中113号与110号为转角塔，如图2所示，其余线塔全属于直线塔。

图1 3号煤层与特高压线塔位置示意图

图2 酒杯型特高压线塔

本研究主要为寺河煤矿煤炭高效利用和地表特高压线塔稳定运行做出最优设计方案，并合理计算出特高压线塔留设保护煤柱的尺寸，促进矿区经济发展。

2 特高压线塔保护煤柱设计

2.1 特高压线塔概况

保护煤柱设计涉及的煤层为3号煤层，涉及塔位共计11座，运行编号依次为106～116。根据矿方提供的采掘工程平面图、井上下对照图以及钻孔柱状图，对每个线塔的具体情况进行了统计、勘查和测量，其中钻孔柱状图松散层厚度如表1所示，线塔概况如表2所示。

表1 寺河矿东井区部分钻孔柱状图松散层厚度表

表2 寺河矿东井区106～116特高压线塔概况一览表

2.2 保护煤柱留设参数选取

依据《规范》规定：特高压输电线塔属于国家Ⅰ级保护构筑物，其保护煤柱留设应按移动角计算。文献[1]中对输电线路杆塔的倾斜、水平位移的最大允许值进行了详细描述：1 000 kV交流直线塔(100 m以下)倾斜度允许值为3%；直线猫头塔K点水平位移允许值为75 mm。

依据寺河矿采矿地质概况采用经验值法和现场实测两种方案，对覆岩移动角参数进行获取，结果如下：

(1)按经验值选取移动角

寺河矿上覆岩层岩性综合评定为软弱偏中硬岩层[3]，结合《规范》，选取走向移动角为69°，下山移动角为66.5°，上山移动角为69°。

(2)根据4307工作面实测值选取移动角

通过工作面现场地表移动变形实测可推导出移动角[13]。寺河煤矿4307工作面为大采高综采工作面。工作面走向长约为296 m，倾向长约为1 042 m，呈“刀把型”。工作面平均采深为566.3 m，煤层煤厚平均为6.0 m，煤层平均倾角5°。工作面采用倾斜长壁大采高自然冒落后退式综合机械化采煤方法。4307工作面地表沉陷观测站平面示意图如图3所示。

图3 4307工作面观测站测点布置图

根据现场实测得到A线和B线的倾斜、水平变形拟合曲线，如图4～图7所示。

图4 A线倾斜拟合曲线图

图5 B线倾斜拟合曲线图

图6 A线水平变形拟合曲线

图7 B线水平变形拟合曲线

根据移动角的定义[1]，从倾斜和水平变形的数值上，求取倾斜变形3 mm/m、水平变形2 mm/m的最外点，进行综合计算。由图4～图7可知，走向观测A线倾斜值在3 mm/m的点距停采线150 m，水平变形值在2 mm/m的点距停采线235 m；倾向观测B线倾斜值在3 mm/m的点距下顺槽148.6 m，水平变形值在2 mm/m的点距下顺槽253.3 m。因此，由最外确定值知，走向观测线的临界变形点距离为235 m；倾向观测线的临界变形点距离为253.3 m。

得到4307工作面移动角值计算结果，如表3所示。

表3 地表移动角计算结果

(3)根据4301工作面实测值选取移动角

寺河煤矿4301工作面开采3号煤层，位于东四盘区，开采厚度约6 m，地面标高为780～1 104 m，工作面标高为488～624 m，倾向长度为297.5 m，走向长度为2 353.5 m。该大采高超长工作面地表沉陷观测站平面示意图如图8所示。

图8 4301工作面观测站测点布置图

为了求得走向和倾向移动角值，通过对4301工作面开采过程中及开采后2个月内的地表移动变形实测资料分析，可得移动角值参数，如表4所示。

表4 地表移动角计算结果

通过上述(1)、(2)、(3)移动角参数的求取方法，分析确定最外值，得到寺河矿具体的角值参数为：走向移动角为65°，下山移动角为63°，上山移动角为65°。

(4)考虑山体采动滑移附加影响综合分析

本文保护煤柱留设所涉及的特高压线塔为山区建(构)筑物，需要考虑山体采动滑移附加变形对1 000 kV特高压线塔的影响。

参照寺河矿方提供的东区井上下对照图以及地表地形图，分别对东三至东六盘区3号煤层的11座线塔(106～116)塔基上方的地表地形进行了分析，结果表明：保护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表平均倾角大于15°的线塔有108、109、110三座。采用采动坡体稳定性分析方法结合本矿区积累的实践经验来确定这三座高压线塔保护煤柱留设的移动角参数取值[4]。根据分析，编号108和110的高压线塔塔基移动角取值分别减去5°；109号高压线塔塔基移动角值减去2°。

因此，计算得出这三座受地质条件影响的高压线塔保护煤柱留设移动角值分别为：108、110号高压线塔煤柱留设走向移动角60°，下山移动角58°，上山移动角60°；109号高压线塔塔基煤柱留设走向移动角63°，下山移动角61°，上山移动角63°。

综合上述分析可得，以上11座特高压线塔塔基留设保护煤柱时，具体的角值参数取值如表5所示。

表5 地表移动角计算结果

3 特高压线塔保护煤柱设计与结果

3.1 特高压线塔保护煤柱设计

根据寺河矿具体地质采矿条件以及特高压线塔的布置情况，本文采用垂线法进行保护煤柱的设计。直接在平面图上得到受护面积边界；其次，确定松散层保护边界，计算公式如下[14]：

s=h·cotφ

(1)

式中，s为松散层保护边界宽度，m；φ为松散层移动角；h为松散层厚度，m。

最后，采用垂线法计算保护边界的垂线长度。垂线指向煤层上山方向时，取长度q；垂线指向煤层下山方向时，取长度l。计算公式如下[1]：

(2)

(3)

式中，H为计算点处煤层的埋藏深度，m；h为松散层厚度，m；θ为各受护边界与煤层走向所夹的锐角，(°)；β′、γ′为斜交剖面上的斜交移动角，(°)；α为煤层倾角，(°)。

其中，斜角剖面移动角计算公式如下[1]：

(4)

(5)

式中，β、γ、δ分别为下山、上山、走向移动角，(°)。

3.2 特高压线塔保护煤柱留设结果

以3号煤层111号线塔为例说明垂线法留设保护煤柱的过程[14]。

(1)确定受护边界。在平面图(如图9所示)上先确定需要保护的范围，然后加围护带s=20 m，得受护边界1234。

图9 111号线塔保护煤柱平面图

(2)向外划出矩形1′2′3′4′，即得表土层与基岩接触面上的受护边界。

(3)从1′、2′、3′、4′各点分别作线段1′2′和1′4′、2′1′和2′3′、3′2′和3′4′、4′3′和4′1′的垂线，垂线的长度q(上山垂线长)、l(下山垂线长)通过计算获得，具体值如表6所示。

表6 运行编号111号线塔垂线长q、l的计算

(4)在各垂线上按比例截取其垂线长得点5、6、7、8、9、10、11、12，依次连接各点并相交于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。四边形ⅠⅡⅢⅣ即为用垂线法留设的保护煤柱。

根据以上所述，对该线段11处塔基(3号煤层106～116号高压线塔)的保护煤柱范围依次进行计算，得到3号煤层高压线塔的保护留设煤柱，其示意图如图10所示。

图10 3号煤层特高压线塔的保护留设煤柱

4 保护煤柱压煤量计算

根据寺河煤矿3号煤层底板等高线及资源储量估算图(1:10 000)对本次11座特高压线塔的压煤资源进行了划分，如表7所示。

表7 特高压线塔压煤储量分类表

保护煤柱压煤量估算采用地质块段法。估算公式如下：

(6)

式中，A平为煤柱面积在平面图上的投影，m2；γ为煤的容重，t/m3；m为煤层厚度，m；α为煤层倾角，(°)。

利用保护煤柱各拐点坐标求得压煤面积，根据式(6)进行保护煤柱压煤量的计算，得到采用垂线法留设特高压线塔保护煤柱压煤量，如表8所示。

表8 采用垂线法留设特高压线塔保护煤柱压煤量计算表

经过计算可得，寺河矿3号煤层东三～东六盘区11座线塔塔基(运行编号为106～116)的保护煤柱受护面积为3 393 918.48 m2，压煤量共3 077.34万t。

5 结 论

(1)对寺河矿3号煤层11座特高压线塔所处位置煤层的埋深、松散层厚度等地质采矿条件进行了统计分析。

(2)结合《规范》经验值、4301与4307工作面的地表移动变形实测值，并考虑山体采动滑移附加影响，综合分析得到了寺河煤矿地表特高压线塔保护煤柱留设的角值参数。

(3)采用垂线法，依次计算分析了11座特高压线塔的保护煤柱尺寸，并通过地质块段法对保护煤柱压煤量进行了估算：寺河矿11座特高压线塔的保护煤柱受护面积为3 393 918.48 m2，压煤量共3 077.34万t。