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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

2022-10-09吕俊沛

2022年10期
关键词:煤柱煤业垂线

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。

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