下霍礦界上方紫沙廟保安煤柱設計探析

2020-06-28 06:52:52蘇洋

煤礦現代化 2020年4期

蘇洋

（長治三元中能煤業有限公司，山西長治 046605）

0 引言

紫沙廟隸屬于長治市長治縣北呈鄉，坐立紫砂嶺山巔，位于下霍礦井一采區東部礦界地表上方，該廟坐北朝南，東西長27.22m，南北寬30.17m，面積約821.23m2。始建于唐代，據正殿內刻磚記載明崇禎三年（1630年），清嘉慶十六年（1811年）履有修葺。紫沙廟由于年久失修和人為破壞，各建筑保存極差，院落地面凹凸不平，圍墻倒塌，導致排水不暢，建筑殘損嚴重。每年的七月十八廟會與平時周邊上香許愿信徒很多，存在較大的安全隱患，隨著國家對文化遺產的開發和挖掘，后經北張村委協商進行修繕[1-3]。

表1 鉆孔資料

紫沙廟地勢中部較高，向東、西兩側開始陡峭，且都為第四系覆蓋。根據《山西三元煤業股份有限公司長子縣下霍井田3號煤層勘探地質報告》顯示、紫沙廟周圍僅有3502#、3708#兩個鉆孔，鉆孔資料如表1所示，且距離紫砂廟分別為942m、842m，從第四系表土層厚度等值線圖上量取，紫沙廟周圍表土層厚度平均約為16m。表土層下主要巖性依次為泥巖、砂質泥巖。3號煤層平均埋藏深度333.5m，煤層傾角在4°-5°之間，趨勢由東北向西南傾斜[4-5]。

1 紫沙廟所壓煤柱煤種、煤質

根據山西煤田地質勘探114隊提交的《山西三元煤業股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質報告》，紫沙廟所壓煤柱中的3#煤層屬二疊系下統山西組。煤種屬低中灰-中灰、特低硫、高、特高熱值、較高軟化溫度灰份貧煤、貧瘦煤，可作為動力用煤、氣化用煤和民用煤。貧瘦煤可作為煉焦配煤。3#煤經洗選灰分降低至5.96%～12.30%，平均9.01%，全硫含量平均0.38%時，也可作為高爐噴吹用煤[6]。

2 圍護帶寬度、表土層及巖層移動角選擇

2.1 圍護帶寬度選擇

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》第十一條規定：國家一般文物建筑物、在同一跨度內有兩臺重型橋式吊車的大型廠房及高程建筑等，按Ⅰ級保護等級進行保護。第十二條規定：在礦井、水平、采區設計時，對建筑物應當劃定保護煤柱。保護等級為：特級、Ⅰ級、Ⅱ級建筑物必須劃定保護煤柱。第十三條規定：建筑物受保護范圍應當包括受護對象及其圍護帶。根據受護對象的保護等級確定Ⅰ級保護對象的圍護帶寬度為20m。

紫沙廟按一般文物建筑對象進行保護，故保護等級的圍護帶寬度選擇Ⅰ級20m進行計算。

2.2 表土層移動角選擇

根據第四系表土層等厚線圖和山西煤田地質勘探114隊編制完成的《山西三元煤業股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質報告》顯示，紫沙廟一帶表土層平均厚度為15.6m，紫沙廟一帶煤層頂板含水層富水性弱，松散層下部單位涌水量為q＝0.00046～0.006 L/（s·m）。此外結合2017版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》對松散層移動角的取值范圍。因此，紫沙廟一帶表土層移動角φ可采用50°。

2.3 巖層移動角選擇

根據2017版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中對巖層移動角的取值范圍，《山西三元煤業股份有限公司長子縣下霍井田3號煤層勘探地質報告》對煤層上覆巖層的描述：“下霍井田3號煤層覆巖以中生代、古生代為主，直接頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，老頂為中-細粒砂巖，泥巖單向抗壓強度5.8MPa，砂質泥巖單向抗壓強度 4.8MPa～26.5MPa，粉砂巖的單向抗壓強度13.7MPa～38.9MPa，老頂單向抗壓強度 33.6MPa～57.0MPa”。參照覆沿性質區分的地表移動一般參數綜合表中：中硬覆巖的單向抗壓強度為30～60MPa，軟弱覆巖的單向抗壓強度為小于30MPa。

表2 保安煤柱設計選用的參數

移動角的取值范圍：上山方向巖層移動角γ為70°～75°，走向巖層移動角δ為70°～75°，下山方向巖層移動角β=δ-（0.6-0.7）α。由于礦區3#煤層覆巖大部以中硬巖層為主，故上山方向巖層移動角γ和走向方向巖層移動角δ均取中間值72°，由于紫沙廟煤層傾角小于5°。因此，下山方向的巖層移動角β=72°，保安煤柱設計選用的參數見表2。

3 垂線法圈定保安煤柱邊界

保安煤柱采用垂線法，由于紫砂廟處于井田礦界邊緣。因此，取各邊界移動垂線點連線與礦界交點作為移動邊界的角點。在3#煤層底板等高線圖上繪保安煤柱邊界，具體步驟如下。

3.1 圈定受護邊界

在紫沙廟保安煤柱地形圖上，紫沙廟邊界由4個拐點組成，以紫沙廟邊界外垂直加20 m圍護帶寬度，即得到受護邊界 W1、W2、W3、W4的連線。分別轉繪到紫沙廟保安煤柱松散厚度等值線圖（根據山西煤田地質勘探114隊測繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線圖）和紫沙廟保安煤柱3號煤層底板等高線圖（根據山西煤田地質勘探114隊測繪成圖的下霍井田3號煤層底板等高線圖）上。

3.2 圈定松散層移動邊界

表3 松散層移動垂線長計算

紫沙廟表土層移動邊界的圈定根據山西煤田地質勘探114隊測繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線圖，得紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖。

在紫沙廟保安煤柱松散層等值線圖上求得各點松散層厚度，取松散層移動角φ=50°，可得到松散層移動垂線長：L=hctgφ，各點松散層移動垂線長見表3。

其次在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖上，從受護邊界各點按松散層移動垂線長向外作各邊的垂線，過同一邊兩垂線端點的直線與各相鄰兩邊的松散層移動邊界相交得到 H1、H2、H3、H4各點的連線即為松散層移動邊界。

3.3 計算巖層移動垂線長并圈定保安煤柱邊界

紫沙廟保安煤柱的圈定，根據山西煤田地質勘探114隊測繪成圖的下霍井田3#煤層底板等高線圖，和山西煤田地質勘探114隊編制完成的《山西三元煤業股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質報告》，及對應井下實際采掘3#煤層位置情況，在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖上，量取H1、H2、H3、H4各點的松散層厚度。

將紫沙廟保安煤柱松散厚度層等值線圖上的松散層移動邊界分別轉繪到地形圖和3#煤層底板等高線圖上，從圖上量取可得到 H1、H2、H3、H4各點的地面標高和對應的3#煤層底板位置標高。各點的地面標高與表土層厚度之差是各點的巖層面標高，各點巖層面標高與煤層底板標高之差就是各點的巖層厚度H，具體數值見表4。