垂線法設計保護煤柱在復雜地質構造區域的應用

張 冬

（陜西延長石油靖邊煤業有限公司，陜西 榆林 719000）

新三礦南翼采區地面為趙莊村，該翼采區地質條件復雜，南以落差為100 m 的斷層EF16為界，采區內又貫穿一條落差為40 多米的斷層和多條落差小于10 m 的小斷層，且煤層傾角變化較大。為了更精準地保護南翼采區地面村莊趙莊村，達到合理地開采和優化利用新三礦煤炭資源的目的，需要考慮落差較大的斷層f2703-1和傾角的變化等因素來科學地留設趙莊村保安煤柱。

1 新三礦南翼采區井上下概況

趙莊村位于新三礦七采區南翼上方，井田邊界最南端，該村地勢西南高東北低，標高+152～+169 m 左右，人口約800 人，近200 戶，總占地面積999 000 m2，村莊民房占地面積129 870 m2。村莊房屋1/3 是土坯房，其余為磚混或框架結構。該村對應井下為新三礦七采區南翼地區，采煤方法為走向長壁后退式采煤法，一次性采全高輕型放頂煤，采高2.5 m，頂板管理方法為全部垮落法。本次計算保安煤柱的煤層為南翼2#煤層，煤層埋深平均585 m，煤層頂板為砂質泥巖和碳質泥巖，采區內有多條斷層，最大的落差達到28 m，最小落差3 m。煤層主要由落差最大28 m 的f2703-1斷層隔開，分為東西兩部分，f2703-1斷層以東煤層傾角平均為10°，斷層以西煤層傾角平均為17°。煤層傾角變化較大，采區內地質構造比較復雜，這對保安煤柱的留設帶來了不小的困難。

2 相關參數的確定

所謂垂線法留設保護煤柱，就是用解析方法留設保護煤柱[1-2]。先確定受護范圍的邊界，以受護邊界為基礎，做出邊界的垂線，再利用公式計算垂線長度，從而確定保護煤柱邊界，多用于延伸形構筑物、受護對象形狀復雜且又與煤層走向斜交時的情況。本次需要保安煤柱留設的趙莊村受護邊界不規則，且受護邊界與煤層走向斜交，適用于垂線法進行保護煤柱留設。

2.1 表土層厚度的確定

本次設計表土層的厚度以新三礦趙莊村附件鉆孔數據資料為參考，厚度為5～7 m，較為穩定，采用平均值6 m，具體按受護角點取其厚度。

2.2 受護范圍的確定

2.2.1 保護范圍

以趙莊村總輪廓作為保護范圍。詳見圖1。角點號為a、b、c、d、e 圍成的多邊形。

圖1 趙莊村保安煤柱線設計圖

2.2.2 圍護帶寬度的確定

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》第三十五條，村莊屬于磚木、磚混結構平房或變形縫區段小于20 m 的兩層樓房、磚瓦民房，按Ⅲ級保護，圍護帶寬度取10 m。以趙莊村受護范圍外延10 m 作為維護帶寬度，以a'、b'、c'、d'、e'作為角點圍成多邊形（如圖1）。

2.3 移動角值的確定

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》第三十六條：特級構筑物保護煤柱應當采用邊界角留設，其他保護煤柱按移動角留設，故本次設計采用移動角來留設趙莊村保護煤柱。冀中能源峰峰集團《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》實施細則及補充規定：南翼2#煤層取表土層移動角Φ=45°，基巖移動角取走向和上山移動角δ=γ=70°，下山移動角β=70°-0.6α。此次保安煤柱設計涉及垂線沿煤層均為下山方向，故只考慮沿煤層下山方向垂線L；該區域煤層傾角變化較大[3-4]，取斷層f2703-1以西煤層傾角平均值為α=17°，以東煤層傾角平均值為α=10°。

3 保安煤柱范圍的確定

3.1 表土層受護范圍的確定

新三礦南翼地表取表土層移動角Φ=45°，表土層厚度取平均值6 m，根據計算公式S=h×ctg45°可得知表土層受護范圍為6 m[5]。從各角點引垂線劃出表土層與基巖交界受護范圍a''、b''、c''、d''、e''多邊形（如圖1）。

3.2 斜交剖面移動角β'、γ'角的計算

地面建筑物保護煤柱的界線是由巖層移動面和煤層相交的線所決定的。由于建筑物的邊界與煤層走向不一致，有不同的交角θ，當受護邊界與煤層走向斜交時，應根據基巖移動角求得垂直于受護邊界線方向（即偽傾斜方向）的上山方向移動角γ'和下山方向移動角β'，然后再確定保護煤柱[6]，如公式（1）、（2）：

趙莊村受護范圍多邊形各邊與煤層走向斜交，需在基巖內分別以斜交剖面移動角β'、γ'代替β、γ，圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角θ由圖上量取[7-8]。根據垂線長度計算公式l=（H-h）ctgγ'/（1-ctgγ'·cosθ·tgα）可得知：本次需要保安煤柱留設的趙莊村受護邊界垂線均沿煤層下山方向，故只需計算ctgγ'值即可，見表1。

3.3 受護范圍各點埋深（H-h）的計算

各點的地面標高在1:2000 地形圖上求取，煤層埋藏深度由煤層底板等高線圖用內插法求取[9]。各點埋深（H-h）值見表1。

3.4 垂線長度q、l 值的計算：

用垂線法留設與煤層走向斜交的保護對象煤柱時，各垂線在上山方向垂線長度q和下山方向垂線長度l按下式計算（由于本次設計只涉及下山方向，故本次只計算下山方向垂線長度l）[10]：

首先考慮到斷層的影響，由于斷層f2703-1為南北方向，貫穿整個保護煤柱范圍，且斷層上下兩盤都需要留設保安煤柱，如按照以往留設方法，則保安煤柱線必須穿過斷層，由于斷層落差較大，這樣的做法肯定會與實際情況有所偏差，導致最后算得的保安煤柱線不是很精確；其次斷層f2703-1東西兩側煤層傾角變化較大。綜上因素，應當分別在斷層f2703-1的上下兩盤分別取兩條垂線來計算垂線長度，從而確定更為精準的保安煤柱線，以1 號垂線為例，具體算法如下：

通過對斷層帶上垂線的分析和計算，將各垂線端點分別用直線連接，由于斷層EF16落差H為100 m，作為井田邊界，1、2 號與5、6 號垂線端點的保護煤柱線以斷層為終點，得出保護煤柱線如圖1。

4 結論

1）當斷層帶上的地面建筑受護邊界與煤層走線斜交時，垂線法留設保安煤柱較為方便操作。通過分別留設斷層上下盤兩側的垂線，計算垂線長，獲得斷層上下盤兩側的保護煤柱范圍，從而留設出精準的保安煤柱，使地面建筑得到更有效的保護。

3）在對趙莊村地面沉降觀測站的實際觀測中，趙莊村地表最大下沉值為29 mm，地表水平變形、傾斜與曲率均在Ⅰ級損壞等級范圍內，房屋均未受到損壞。數據表明：保護煤柱外的開采活動并未引起趙莊村因采動影響而出現裂縫及房屋變形，有效地保護了地表建構筑物。

4）斷層的落差、煤層傾角等要素直接影響村莊保護煤柱的范圍，在實際的勘探工作中遇到斷層要素、煤層傾角等因素有變化時，要及時調整保護煤柱的范圍，對地表建構筑物做最大程度地保護。