榆树坡煤业原神高速公路5号煤层保护煤柱设计及压煤量分析

吕俊沛

(华阳集团新能股份有限公司 地质测量部，山西 阳泉 045000)

地下煤炭开采破坏了地下岩层的平衡，导致上覆岩层垮落破坏，发育到地面常常形成地裂缝造成地面塌陷。地面重要建筑物、水体及铁路下开采，一般采用留设保护煤柱方法，避免地下煤炭开采活动造成岩层移动波及到被保护区域。目前采用的留设煤柱计算方法主要有：垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法。其本质在于利用岩层移动参数对开采影响范围进行估算，从而确定在开采区域与被保护体留设的合适距离[1-5]。为了保护榆树坡煤业井田范围内原神高速公路，合理开发煤炭资源，需对榆树坡煤业原神高速公路进行5号煤层保护煤柱设计。

1 工程概况

榆树坡煤业位于宁武县城东北约2 km处，井田东西长9.06 km，南北宽5.40 km，面积15.024 7 km2，目前开采位于太原组下部的5号煤层，区内煤厚8.05～18.45 m，平均14.87 m，采用放顶煤开采。资料显示，井田范围上有原神高速公路从东边南北向通过，为了保护高速公路的安全，合理开发煤炭资源，需对榆树坡煤业原神高速公路进行5号煤层保护煤柱设计。原神高速公路是灵河高速公路的中间一段，由山西原平到神池，后与河曲高速公路相连，路线全长64.67 km.原神高速公路于2013年5月开工建设，2017年2月通车试行，已运营近5 a.

2 保护煤柱设计

2.1 保护煤柱设计方法选择

重要建、构筑物下煤层开采，需要留设保护煤柱，目前主要采用垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法进行煤柱设计。其中，垂线法是通过在建、构筑物外围轮廓留设一定的维护边界，根据维护边界、岩层移动参数反推基岩移动边界，从而确定煤柱边界，主要适用于不规则建、构筑物煤柱设计[5]。榆树坡煤业井田范围内原神高速公路为线性构筑物，呈长条状、曲折分布，因此，宜采用垂线法设计原神高速公路保护煤柱。

2.2 保护煤柱设计参数选取

根据地形图上圈定的原神高速公路受护边界，原神高速公路受护边界由13个拐点连成。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[6]，原神高速公路保护等级属于Ⅰ级，围护带宽度设计为20 m，原神高速公路角量参数根据榆树坡煤业邻近矿井的移动角参数确定，具体参数角量如下：5号煤层走向移动角δ、下山移动角γ均为72°，上山移动角根据β=72°-0.6α计算确定(α为煤层倾角)，松散层移动角ψ为45°，原神高速公路沿线松散层厚度依据钻孔确定为4 m，原神高速公路5号煤层保护煤柱采用垂线法设计，具体设计如下：

1) 计算原神高速公路与井田内5号煤层斜交剖面移动角β′、γ′，采用下列公式计算：

(1)

(2)

式中：β′、γ′为原神高速公路与5号煤层斜交剖面上、下山移动角；β、γ、δ为原神高速公路上、下山和走向移动角；θ为原神高速公路围护带边界与5号煤层走向所夹锐角。

2) 计算原神高速公路基岩边界拐点煤柱垂直线长度q、L，采用下列公式计算：

(3)

(4)

式中：q、L分别为原神高速公路保护煤柱上、下山方向垂直线长度；h、H分别为原神高速公路沿线松散层厚度和5号煤层埋深；β′、γ′为原神高速公路与5号煤层斜交剖面上、下山移动角，θ为原神高速公路围护带边界与5号煤层走向所夹锐角；α为煤层倾角。

3) 根据计算结果，在各拐点的垂线方向上按比例确定各拐点位置煤柱宽度，连接各点形成的多边形为原神高速公路保护煤柱边界线。

表1为原神高速公路5号煤层保护煤柱设计计算结果。

表1 原神高速公路5号煤层煤柱设计计算

3 原神高速公路5号煤层压煤量分析

原神高速公路5号煤层压煤量采用地质块段法进行估算，公式如下：

Q=VC=(A/cosα)mC

(5)

式中：Q为原神高速公路5号煤层压煤量；A为原神高速公路5号煤层煤柱边界在平面上的投影面积，根据块段进行圈定；C为煤的容重，取1.42 t/m3；α为煤层倾角，根据块段确定。

经计算，原神高速公路5号煤层压煤量1 225.38万t，原神高速公路5号煤层保护煤柱压煤量计算结果见表2.

表2 原神高速公路5号煤层保护煤柱压煤量计算

4 结 语

榆树坡煤业井田范围内原神高速公路从东边南北向通过，为了保护高速公路的安全，合理开发煤炭资源，需对榆树坡煤业原神高速公路进行5号煤层保护煤柱设计。基于此，采用垂线法设计了榆树坡煤业原神高速公路5号煤层保护煤柱，并估算了煤柱压煤量。经估算，原神高速公路5号煤层保护煤柱压煤量共计1 225.38万t.对原神高速公路进行了有效防护。