垂線法留設(shè)保護煤柱的改進

劉海青,張華興,李鳳明,楊樹榮

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西長武 713602)

垂線法留設(shè)保護煤柱的改進

劉海青1,2,張華興1,2,李鳳明3,楊樹榮4

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西長武 713602)

分析了垂線法留設(shè)保護煤柱存在的問題,通過對垂線長度公式的改變,改進了留設(shè)保護煤柱的垂線法,使操作程序更為簡化,更適于在數(shù)字化圖上作業(yè)。

垂線法;保護煤柱;移動角

留設(shè)保護煤柱是確保地物 (包括建筑物、河流等)不受煤礦開采影響的最有效的方法。保護煤柱留設(shè)的方法主要有 3種：垂直剖面法、數(shù)字標(biāo)高投影法和垂線法。

垂直剖面法是一種圖解的方法,需要沿煤層走向和傾向分別作垂直剖面,從而確定保護煤柱邊界;數(shù)字標(biāo)高投影法則要求先在圖上作出保護煤柱空間體側(cè)平面的等高線,在此基礎(chǔ)上繪制出保護煤柱邊界;垂線法則是把解釋方法和作圖法結(jié)合來確定保護煤柱邊界。垂直剖面法和數(shù)學(xué)標(biāo)高投影法的作圖工作都比較繁瑣,適合于手工作圖,難以通過計算機輔助實現(xiàn)。相對而言,垂線法的作圖工作簡便,較適宜于在計算機上作圖。本文在分析垂線法的基礎(chǔ)上,對其進行了改進,使作圖工作更為簡化。

1 垂線法及其存在的不足

1.1 垂線法留設(shè)保護煤柱

垂線法留設(shè)保護煤柱,要先利用公式計算出各個垂線長度,然后在平面圖上沿受護面積邊界的垂線方向量出垂線長度,從而確定保護煤柱邊界?，F(xiàn)以一個例子來說明垂線法留設(shè)保護煤柱邊界的方法。如圖 1所示,abcde為保護對象的邊界,ABCDE為相應(yīng)的需要留設(shè)的保護煤柱邊界,具體操作程序[1]如下：

(1)確定受護面積邊界 在保護對象邊界 abcde外 , 按圍護帶寬度 s畫受護面積邊界 a′b′c′d′e′。

圍護帶的寬度 s要根據(jù)保護對象的特點,結(jié)合有關(guān)規(guī)定[2]和資料確定。

圖1 垂線法留設(shè)保護煤柱

(2)確定松散層保護邊界 從受護面積邊界a′b′c′d′e′向外量距離 d(松散層保護邊界寬度 , 如圖2所示 ), 得松散層保護邊界 a″b″c″d″e″。d按下式計算：

式中,d為松散層保護邊界寬度,m;h為松散層厚度,m;φ為松散層移動角。

(3)確定保護煤柱邊界 取 q為向上山方向的垂線長度,l為向下山方向的垂線長度,k為走向方向的垂線長度。下山方向垂線長度 l的意義,如圖 2所示。

圖2 下山方向垂線長度 l原理

確定保護煤柱邊界的操作步驟如下：計算垂線長度 q,l和 k;在平面圖上,由松散層保護邊界 a″b″c″d″e″" 向外量取相應(yīng)的垂線長度 , 從而畫出保護煤柱邊界 ABCDE(圖 1);擦去受護面積邊界(a′b′c′d′e′) 和松散層保護邊界 (a″b″c″d″e″)。

式中,q為上山方向垂線長度,m;l為下山方向垂線長度,m;k為走向方向垂線長度,m;H為 i′點處的煤層深度,m;θ為受護面積邊界線在 i′點處與煤層走向所夾的銳角;α為煤層的偽傾角,tan α′=tanαcosθ;β′,γ′分別為斜交剖面下山移動角和斜交剖面上山移動角,按下式計算：

式中,β,γ,δ分別為下山移動角、上山移動角、走向移動角。

1.2 垂線法留設(shè)保護煤柱存在的不足

用垂線法留設(shè)保護煤柱時,除了畫出保護對象邊界 (圖 1中 abcde)和最終的保護煤柱邊界(ABCDE) 外 , 還要畫出受護面積邊界 (a′b′c′d′e′) 和松散層保護邊界 (a″b″c″d″e″)。顯然 , 后兩個邊界 (a′b′c′d′e′和 a″b″c″d″e″) 在整個操作過程中只起一個過渡作用。如果減少這兩個邊界的工作,無疑會簡化整個工作程序,從而改進作業(yè)方法。

3 垂線法的改進

為簡化保護邊界工作程序,在計算垂線長度時,可以把圍護帶寬度 s、松散層保護邊界寬度 d融合到公式 (1), (2)和 (3)里 (原理如圖 3所示),得到一組新的公式：

圖3 融合后的下山方向垂線長度 li計算原理

式中,qi為 i點處上山方向垂線長度,m;li為 i點處下山方向垂線長度,m;ki為 i點處走向方向垂線長度,m;hi為松散層厚度,m;φ為松散層移動角;Hi為 i點處的煤層深度,m;θi為保護對象邊界線在 i點處與煤層走向所夾的銳角;α′i為煤層的偽傾角 ,tanα′i=tanαcosθi; βi′, γi′分別為斜交剖面下山移動角和斜交剖面上山移動角,按下式計算：式中,β,γ,δ分別為下山移動角、上山移動角、走向移動角。

顯然,用公式 (4),(5)和 (6)計算得的垂線長度 qi,li,ki的實際意義與公式 (1), (2)和(3)已經(jīng)有所不同,公式中各參數(shù)的意義也有了變化。以下山方向的垂線長度 li(圖 3)為例,與圖 2中的 l相比較,li實際上是由圖 2中的 l,d和 s組成。相應(yīng)地,留設(shè)保護煤柱的操作程序改進(如圖 4所示)為：按公式 (4), (5)和 (6)計算各點對應(yīng)的垂線長度 qi,li,ki,確定保護煤柱邊界。

在平面圖上,由保護對象邊界 abcde向外做出保護煤柱邊界 ABCDE。

3 結(jié)論

改進后的垂線法,操作程序簡化,作圖工作減少,操作更加簡便,更適于延伸型建 (構(gòu))筑物(如鐵路[3]、長輸油氣管道[4]等)下保護煤柱的留設(shè)。目前,煤礦用圖基本上已經(jīng)數(shù)字化,用改進后的垂線法確定保護煤柱,更容易在數(shù)字化平臺(如 AutoCAD,GIS)礦圖上使用。

圖4 改進后的垂線法留設(shè)保護煤柱

[1]何國清,楊 倫,凌賡娣,等 .礦山開采沉陷學(xué) [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[2]國家煤炭工作局 .建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.

[3]陳清通,文學(xué)寬 .鐵路下煤層群留設(shè)保護煤柱方法的選擇和計算 [J].煤礦開采,2008,13(6)：28-29.

[4]張華興,劉海青,孫萬明,祝 琨 .管道過采空區(qū)壓煤開采與煤柱留設(shè)研究 [R].北京：天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理研究所,2009.

I mprovement of Protective Coal Pillar Design with VerticalL ineM ethod

L IU Hai-qing1,2,ZHANG Hua-xing1,2,L I Feng-ming3,YANG Shu-rong4
(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China;4.Shanxi Changwu Coal Co.,Ltd.,Changwu 713602,China)

Thispaper analyzed the problem in designing protective coal pillarwith vertical line method and improved the method by changing length for mula of vertical line.The improved method makes calculation simple and adapted to map exercise.

vertical line method;protective coal pillar;movement angle

TD822.3

A

1006-6225(2010)04-0015-02

2010-03-15

劉海青 (1970-),男,山東諸城人,在讀博士生,主要從事特殊采煤及煤礦災(zāi)害防治的研究工作。

周景林]