石村礦村莊保護煤柱留設方法的對比研究

吳曉明

（華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000）

石村礦村莊保護煤柱留設方法的對比研究

吳曉明

（華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000）

摘 要保護煤柱是指專門留設在井下不予采出的、目的是保護其上方巖層內部和地表的保護對象不受開采影響的煤炭資源。保護煤柱的留設方法主要有兩種：垂直斷面法和垂線法。選擇合理的留設方法對高效利用煤炭資源、保障煤礦生產安全有重要意義。本文以石村礦村莊保護煤柱的留設為例，對垂直斷面法和垂線法進行壓煤量對比，確定該礦村莊保護煤柱設計所選用的垂線法是比較合理的留設方法，以最少的壓煤量保證了礦井的安全生產。

關鍵詞保護煤柱；留設方法；對比

石村礦井田范圍內查明的村莊及工業廠地中包含有常德洗煤廠，2013年5月26日石村礦利用GPS測量儀對洗煤廠進行了實地測量，并將測得的坐標點逐一上圖，確定了井田范圍內洗煤廠范圍。

為了保證礦井能夠安全生產，避免因地下采礦引發的房屋裂縫、倒塌等威脅居民生命財產安全的地質災害發生，石村礦于2014年7月對保護煤柱進行了設計，確定了4個村莊和常德洗煤廠的受保護范圍，計算了保護煤柱所占用的煤炭儲量。石村礦所用的保護煤柱留設方法是垂線法，通過對礦井垂直剖面法和垂線法留設保護煤柱進行比較，選擇最優的留設方法。下面以常德洗煤廠保護煤柱的留設為例，分別用垂直剖面法和垂線法計算保護范圍，確定能以最少的壓煤量保證礦井安全生產的方法。

1　保護煤柱留設

1.1保護煤柱設計參數

1）移動角。

正確選取移動角是保護煤柱設計的關鍵。移動角是指在充分采動或接近充分采動的條件下，主斷面上臨界變形值的點和開采邊界的連線與水平線在煤柱一側所夾的角。

我國主要礦區的校動角值見表1.

表1　我國主要礦區的校動角值表

根據表1，該地區所開采2＃煤層屬于石炭二疊系山西組，覆巖煤層大部分為厚砂巖、砂頁巖，傾角0～10°，故取巖層基巖移動角δ＝γ＝72°，β＝72°（α＜10°），表土層移動角ψ＝45°.

2）維護帶。

為了保護建筑物、構筑物的安全，被保護的面積除了建筑物和構筑物本身所占有的面積之外，還留有圍護帶。根據1985年煤炭工業部頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》的規定：建筑物、構筑物分為4級，見表2.

表2　建筑物和構筑物的保護等級表

常德洗煤廠的保護等級為Ⅱ級，圍護帶寬度為15 m.

3）常德洗煤廠邊界拐點及標高。

常德洗煤廠分布狀況經測量確定4個拐點，坐標及標高見表3.

表3　常德洗煤廠邊界拐點坐標表

常德洗煤廠拐點圈定范圍長為450 m，寬為202 m，地面標高1 452～1 432 m，選煤廠中心處煤層底板標高為930 m，即中心處煤層埋藏深度為H0＝510 m，其長軸方位角為51°，煤層走向為20°，煤層厚度為3.5 m，煤層傾角為α＝8°，煤的容重為1.4 t／m3，表土層厚度為15 m，基巖移動角δ＝γ＝72°，β＝72°，松散層移動角ψ＝45°.

1.2垂直剖面法留設保護煤柱

1）確定受保護面積。

垂直剖面法留設保護煤柱示意圖見圖1.

如圖1所示，首先作常德洗煤廠平面圖，使洗煤廠的長軸與煤層走向夾角為51°－20°＝31°，然后繪制洗煤廠的輪廓a、b、c、d，過洗煤廠的輪廓點作平行于煤層走向和傾向的外切矩形a＇b＇c＇d＇，在矩形a＇b＇c＇d＇的外緣再加15 m寬的圍護帶，得矩形ABCD，即為所要確定的保護面積。

圖1　垂直剖面法留設保護煤柱示意圖

2）確定保護煤柱邊界。

如圖1所示，通過受保護面積的中心作一垂直于走向的斷面Ⅰ－Ⅰ，在該斷面上，從被保護面積的邊界點m1和n1起，在表土層內按ψ＝45°作斜線至基巖表面，得交點m2和n2；然后再按基巖移動角，在基巖中沿下山方向和上山方向分別以移動角γ＝72°和β＝72°作斜線交煤層于點m＇和k＇，即為保護煤柱的下部和上部邊界。

同樣，在平行于煤層走向斷面Ⅱ－Ⅱ及Ⅱ＇－Ⅱ＇上，按ψ＝45°和移動角δ＝72°作斜線，求得沿走向斷面的煤柱邊界A＇B＇C＇D＇，依次將兩斷面上的煤柱邊界轉繪到平面圖上，得到梯形EFGH，即為保護煤柱的平面圖。

1.3垂線法留設保護煤柱

垂線法留設保護煤柱示意圖見圖2.

圖2　垂線法留設保護煤柱示意圖

1）確定受護面積。

如圖2所示，在常德洗煤廠平面圖上，做保護對象輪廓的圍護帶（取15 m），得到受保護面積邊界abcd.

2）確定保護煤柱。

將abcd繪在煤層底板等高線圖上，確定守護邊界abcd向外量出距離S＝h cotψ＝15cot45°＝15 m（式中h為表土層厚度，ψ為松散層移動角），得到基巖面上受保護邊界a′、b′、c′、d′.

在圖2上確定a′、b′、c′、d′點的煤層埋藏深度，并減去表土層厚度得：

H a′＝1 432－928－15＝489 m

H b′＝1 432－922－15＝495 m

H c′＝1 447－908－15＝524 m

H d′＝1 452－920－15＝517 m

從a′、b′、c′、d′向外作各邊界的垂線，得q1、q2、l1、l2、l3、l4、l5、l6，各垂線的煤層上山方向垂線長度q，煤層下山方向垂線長度l，按下式計算：

q＝H ctgβ′／（1＋ctgβ′cosθtgα）

l＝H ctgγ′／（1－ctgγ′cosθtgα）

式中：α—煤層傾角；

H—a′、b′、c′、d′各點的煤層埋藏深度減去該點的表土層厚度h，此值上面已經確定；

θ—各受保護邊界與煤層走向所夾的銳角，圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角分別為abθ＝88°、bcθ＝21°、cdθ＝46°、daθ＝38°；

β′、γ′—所做各垂線方向（偽傾斜方向）的下山和上山移動角，可按下式計算：

ctgβ′＝（ctg2βcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

ctgγ′＝（ctg2γcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

式中：γ、β、δ—礦區采用的移動角。

本次計算中，γ＝β＝δ＝72°，故：

ctgβ′＝（ctg2βcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

＝（ctg2β（cos2θ＋sin2θ））1／2

＝ctgβ

得出：β′＝β＝γ＝δ＝72°

同理：γ′＝β＝γ＝δ＝72°

根據上述起始數據代入公式計算各垂線的q、l值：

l1＝（489 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos88°tg8°）＝

159.140m

l2＝（489 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos38°tg8°）＝

164.817m

q2＝（495 m×ctg72°）／（1＋ctg72°cos88°tg8°）＝

160.579m

l6＝（495 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos21°tg8°）＝

167.997m

l5＝（524 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos21°tg8°）＝

177.840m

l4＝（524 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos46°tg8°）＝

175.836m

l3＝（517 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos46°tg8°）＝

173.486m

q1＝（517 m×ctg72°）／（1＋ctg72°cos38°tg8°）＝

162.148m

在各垂線上分別截取上面計算得的相應長度，將各端點相連并延長相交，得四邊形ABCD，即為所留煤柱的平面投影。

2　保護煤柱壓煤量計算

保護煤柱的壓煤量Q可通過下式計算：

Q＝體積×容重＝A平·M·R／cosα

式中：A平—保護煤柱在平面圖上的投影面積；

M—煤層的厚度；

R—煤的容重；

α—煤層的傾角；

所以，垂直剖面法保護煤柱的壓煤量Q1：

Q1＝571 455.767 8×3.5×1.4／cos8°＝2 827 651.775 t

垂線法保護煤柱的壓煤量Q2：

Q2＝457 503.642 1×3.5×1.4／cos8°＝2 263 798.642 t

3　結 論

通過計算得出垂線法留設的保護煤柱壓煤量Q2比垂直剖面法留設的保護煤柱壓煤量Q1少了563 853.133 t.

因此，石村礦村莊保護煤柱設計所選用的垂線法能夠以最少的壓煤量保證礦井安全生產，是比較合理的留設方法。

參 考 文 獻

［1］ 于喜東.礦山測量工［M］.北京：煤炭工業出版社，2005：370－375

［2］ 國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］.北京：煤炭工業出版社，2000：271－275.

中圖分類號：TD173

文獻標識碼：B

文章編號：1672－0652（2015）02－0043－04

收稿日期：2015－01－09

作者簡介：吳曉明（1986—），男，山西呂梁人，2010年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦地測防治水方面的工作（E－mail）hjjmdcc＠163.com

Comparative Study on Design Method of Village Protective Coal Pillar in Shicun Coal Mine

WU Xiaoming

AbstractProtective coal pillar is the coal resources that specially unexploited，to avoid the above coal strata inner and the object on surface affected by mining.Design method of protective coal pillar mainly has two kinds that are vertical section method and normal line method.It is important of choosing the reasonable design method to efficiently use coal resources and ensure coal mine safety production.The design of Shicun coal mine village protection coal pillar is as the example，contrasts the coal pressed of vertical section method and normal line method.It provides the basis for reasonable selection design method.

Key wordsProtective coal pillar；Design method；Comparison