下霍礦新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱設(shè)計(jì)

牛志杰

（山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

為避免煤炭開采采空區(qū)沉陷對(duì)地表構(gòu)筑物、巷道等影響，需要留設(shè)一定范圍的保安煤柱[1]。合理留設(shè)保安煤柱對(duì)確保地面構(gòu)筑物穩(wěn)定以及煤炭資源高效利用等均有重大意義[2]。下霍礦新建回風(fēng)井用以井下通風(fēng)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況，提出采用垂線法確定保護(hù)煤柱，以期在確保回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定基礎(chǔ)上提升煤炭資源利用率。

1 工程概況

新建回風(fēng)井工業(yè)廣場位于下霍井田中部，占地面積約0.93 萬m2。新建回風(fēng)井工業(yè)廣場地面建筑類型包括設(shè)有橋式吊車的工業(yè)廠房等，構(gòu)筑物較為重要。新建回風(fēng)井工業(yè)廣場地勢較為平坦，由南向北逐漸降低，地表標(biāo)高+946 m。在新建風(fēng)井工業(yè)周邊有3602#、3603#、3704#三個(gè)鉆孔，鉆孔探測結(jié)果見表1。松散層厚均值92.6 m，3 號(hào)煤埋深494 m，傾角3°～8°。

表1 探測鉆孔探測參數(shù)

2 圍護(hù)帶寬度、松散層及移動(dòng)角確定

2.1 圍護(hù)帶寬度選擇

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）相關(guān)要求，新建回風(fēng)井工業(yè)廣場確定保護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，依據(jù)表2 所述建筑物各保護(hù)等級(jí)的圍護(hù)帶寬度，新建回風(fēng)井工業(yè)廣場圍護(hù)帶寬度為15 m[3-4]。

表2 建筑物各保護(hù)等級(jí)的圍護(hù)帶寬度

2.2 松散層移動(dòng)角選擇

礦區(qū)新建回風(fēng)井工業(yè)廣場一帶松散層平均厚度為92.6 m，參照“規(guī)范”中關(guān)于松散層移動(dòng)值φ取值要求，當(dāng)松散層厚度大于60 m 時(shí)，松散層移動(dòng)角φ取60°，為此確定φ=60°。

2.3 巖層移動(dòng)角選擇

在保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)時(shí)移動(dòng)角采用類比法確定，結(jié)合下霍礦現(xiàn)有的生產(chǎn)條件、以往保護(hù)煤柱留設(shè)技術(shù)方法，并按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，最終選用的下山、上山方向移動(dòng)角β、γ分別為68°、71°，走向方向移動(dòng)角δ為70°。

3 垂線法圈定保安煤柱邊界

3.1 圈定受護(hù)邊界

2021 年10 月地測科相關(guān)測量人員用GPS 對(duì)新建回風(fēng)井工業(yè)廣場圍墻邊界進(jìn)行了實(shí)地測量，作為保護(hù)煤柱的受護(hù)邊界。

3.2 圈定圍護(hù)帶

在新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱地形圖上，共由4 個(gè)拐點(diǎn)組成，由于新建回風(fēng)井工業(yè)廣場按Ⅱ級(jí)進(jìn)行保護(hù)，在原有受護(hù)邊界外加15 m 即得到圍護(hù)帶邊界，邊界為W1、W2、W3、W4 拐點(diǎn)連線。

3.3 圈定松散層移動(dòng)邊界

依據(jù)新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱松散層厚度，根據(jù)公式（1）可計(jì)算松散層移動(dòng)垂線長[5-7]：

l=hcotφ（1）

式中：h為松散層厚度，m；φ為松散層移動(dòng)角，取60°。具體結(jié)果見表3。

表3 松散層移動(dòng)垂線長 m

保安煤柱松散層等厚線圖上，依據(jù)圍護(hù)帶各拐點(diǎn)W1、W2、W3、W4 位置、松散層移動(dòng)垂線長即可得到松散層移動(dòng)各拐點(diǎn)H1、H2、H3、H4 位置，各拐點(diǎn)連線即為松散層移動(dòng)邊界。

3.4 保安煤柱邊界確定

各拐點(diǎn)地表標(biāo)高與松散層間差值即為層面標(biāo)高，而巖層厚度為巖層面標(biāo)高與拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)煤層底板標(biāo)高之差，具體各拐點(diǎn)位置確定的巖層厚度見表4。

表4 各拐點(diǎn)的巖層厚度 m

在新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱3 號(hào)煤層底板等高線圖上，得到H1、H2、H3、H4 各拐點(diǎn)位置煤層傾角α，具體見表5。

表5 各拐點(diǎn)煤層傾角

斜交剖面的上山方向巖層移動(dòng)角：

斜交剖面的下山方向巖層移動(dòng)角：

上山方向巖層移動(dòng)垂線長：

下山方向巖層移動(dòng)垂線長：

式中：H為巖層厚度，m；β、γ為下、上山方向巖層移動(dòng)角；θ為松散層移動(dòng)邊界與煤層傾向線間夾角（銳角）；α為煤層傾角。結(jié)合下霍礦條件，根據(jù)（2）～（5）公式計(jì)算求得各垂線長度，具體見表6。

表6 各拐點(diǎn)的巖層移動(dòng)垂線長

根據(jù)所求得的Q或L值，依次在各拐點(diǎn)作對(duì)應(yīng)垂線得保護(hù)煤柱邊界各拐點(diǎn)B1、B2、B3、B4 位置，上述各拐點(diǎn)連線即為保安煤柱邊界，具體如圖1，用圖解法得出保安煤柱各拐點(diǎn)坐標(biāo)值，具體見表7。

圖1 保護(hù)煤柱范圍（m）

表7 保安煤柱各拐點(diǎn)坐標(biāo)值

3.5 壓煤量計(jì)算

從新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱圖上，量得井田內(nèi)新建回風(fēng)井工業(yè)廣場保安煤柱的壓煤面積為263 547 m2，其中，DX2 陷落柱損失煤柱面積為1603 m2。具體壓煤量可通過下述公式計(jì)算：

式中：Q為資源量，萬t；S為斜面面積，取值261 944（263 547-1603）m2；h為煤厚，取值5.1 m；d為煤層視密度，取值1.35 t/m3。求得壓煤量Q=（263 547-1603）×5.1×1.42 ≈189.7 萬t。

4 結(jié)語

垂線法是保護(hù)煤柱留設(shè)時(shí)常用計(jì)算方法，具有計(jì)算簡單優(yōu)點(diǎn)，在保障礦井煤炭資源安全回采同時(shí)可有效減少煤柱壓煤損失。依據(jù)下霍礦新建回風(fēng)井現(xiàn)場實(shí)際情況采用垂線法確定保安煤柱邊界，在垂線法應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)根據(jù)建筑物重要程度確定保護(hù)等級(jí)為Ⅱ類，圍護(hù)帶寬度為15 m；采用工程類比法并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，確定下山、上山方向移動(dòng)角β、γ分別為68°、71°，走向方向移動(dòng)角δ為70°。根據(jù)垂線法計(jì)算要求，得到保安煤柱邊界拐點(diǎn)并給出保安煤柱各拐點(diǎn)坐標(biāo)值；對(duì)保護(hù)煤柱壓煤量進(jìn)行計(jì)算，最終求得3 號(hào)煤層壓煤量為189.7 萬t。研究成果可為其他礦井采用垂線法確定保安煤柱時(shí)提供經(jīng)驗(yàn)參考。