石村礦村莊保護(hù)煤柱留設(shè)方法的對(duì)比研究

吳曉明

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

石村礦村莊保護(hù)煤柱留設(shè)方法的對(duì)比研究

吳曉明

（華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

摘 要保護(hù)煤柱是指專門(mén)留設(shè)在井下不予采出的、目的是保護(hù)其上方巖層內(nèi)部和地表的保護(hù)對(duì)象不受開(kāi)采影響的煤炭資源。保護(hù)煤柱的留設(shè)方法主要有兩種：垂直斷面法和垂線法。選擇合理的留設(shè)方法對(duì)高效利用煤炭資源、保障煤礦生產(chǎn)安全有重要意義。本文以石村礦村莊保護(hù)煤柱的留設(shè)為例，對(duì)垂直斷面法和垂線法進(jìn)行壓煤量對(duì)比，確定該礦村莊保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)所選用的垂線法是比較合理的留設(shè)方法，以最少的壓煤量保證了礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞保護(hù)煤柱；留設(shè)方法；對(duì)比

石村礦井田范圍內(nèi)查明的村莊及工業(yè)廠地中包含有常德洗煤廠，2013年5月26日石村礦利用GPS測(cè)量?jī)x對(duì)洗煤廠進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，并將測(cè)得的坐標(biāo)點(diǎn)逐一上圖，確定了井田范圍內(nèi)洗煤廠范圍。

為了保證礦井能夠安全生產(chǎn)，避免因地下采礦引發(fā)的房屋裂縫、倒塌等威脅居民生命財(cái)產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，石村礦于2014年7月對(duì)保護(hù)煤柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了4個(gè)村莊和常德洗煤廠的受保護(hù)范圍，計(jì)算了保護(hù)煤柱所占用的煤炭?jī)?chǔ)量。石村礦所用的保護(hù)煤柱留設(shè)方法是垂線法，通過(guò)對(duì)礦井垂直剖面法和垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)的留設(shè)方法。下面以常德洗煤廠保護(hù)煤柱的留設(shè)為例，分別用垂直剖面法和垂線法計(jì)算保護(hù)范圍，確定能以最少的壓煤量保證礦井安全生產(chǎn)的方法。

1　保護(hù)煤柱留設(shè)

1.1保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)參數(shù)

1）移動(dòng)角。

正確選取移動(dòng)角是保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。移動(dòng)角是指在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的條件下，主斷面上臨界變形值的點(diǎn)和開(kāi)采邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)所夾的角。

我國(guó)主要礦區(qū)的校動(dòng)角值見(jiàn)表1.

表1　我國(guó)主要礦區(qū)的校動(dòng)角值表

根據(jù)表1，該地區(qū)所開(kāi)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(yè)巖，傾角0～10°，故取巖層基巖移動(dòng)角δ＝γ＝72°，β＝72°（α＜10°），表土層移動(dòng)角ψ＝45°.

2）維護(hù)帶。

為了保護(hù)建筑物、構(gòu)筑物的安全，被保護(hù)的面積除了建筑物和構(gòu)筑物本身所占有的面積之外，還留有圍護(hù)帶。根據(jù)1985年煤炭工業(yè)部頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》的規(guī)定：建筑物、構(gòu)筑物分為4級(jí)，見(jiàn)表2.

表2　建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí)表

常德洗煤廠的保護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，圍護(hù)帶寬度為15 m.

3）常德洗煤廠邊界拐點(diǎn)及標(biāo)高。

常德洗煤廠分布狀況經(jīng)測(cè)量確定4個(gè)拐點(diǎn)，坐標(biāo)及標(biāo)高見(jiàn)表3.

表3　常德洗煤廠邊界拐點(diǎn)坐標(biāo)表

常德洗煤廠拐點(diǎn)圈定范圍長(zhǎng)為450 m，寬為202 m，地面標(biāo)高1 452～1 432 m，選煤廠中心處煤層底板標(biāo)高為930 m，即中心處煤層埋藏深度為H0＝510 m，其長(zhǎng)軸方位角為51°，煤層走向?yàn)?0°，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(dòng)角δ＝γ＝72°，β＝72°，松散層移動(dòng)角ψ＝45°.

1.2垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱

1）確定受保護(hù)面積。

垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱示意圖見(jiàn)圖1.

如圖1所示，首先作常德洗煤廠平面圖，使洗煤廠的長(zhǎng)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(guò)洗煤廠的輪廓點(diǎn)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(hù)帶，得矩形ABCD，即為所要確定的保護(hù)面積。

圖1　垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱示意圖

2）確定保護(hù)煤柱邊界。

如圖1所示，通過(guò)受保護(hù)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(hù)面積的邊界點(diǎn)m1和n1起，在表土層內(nèi)按ψ＝45°作斜線至基巖表面，得交點(diǎn)m2和n2；然后再按基巖移動(dòng)角，在基巖中沿下山方向和上山方向分別以移動(dòng)角γ＝72°和β＝72°作斜線交煤層于點(diǎn)m＇和k＇，即為保護(hù)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(dòng)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(zhuǎn)繪到平面圖上，得到梯形EFGH，即為保護(hù)煤柱的平面圖。

1.3垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱

垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱示意圖見(jiàn)圖2.

圖2　垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱示意圖

1）確定受護(hù)面積。

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

2）確定保護(hù)煤柱。

將abcd繪在煤層底板等高線圖上，確定守護(hù)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(dòng)角），得到基巖面上受保護(hù)邊界a′、b′、c′、d′.

在圖2上確定a′、b′、c′、d′點(diǎn)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(zhǎng)度q，煤層下山方向垂線長(zhǎng)度l，按下式計(jì)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(diǎn)的煤層埋藏深度減去該點(diǎn)的表土層厚度h，此值上面已經(jīng)確定；

θ—各受保護(hù)邊界與煤層走向所夾的銳角，圍護(hù)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(dòng)角，可按下式計(jì)算：

ctgβ′＝（ctg2βcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

ctgγ′＝（ctg2γcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

式中：γ、β、δ—礦區(qū)采用的移動(dòng)角。

本次計(jì)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(jù)上述起始數(shù)據(jù)代入公式計(jì)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(jì)算得的相應(yīng)長(zhǎng)度，將各端點(diǎn)相連并延長(zhǎng)相交，得四邊形ABCD，即為所留煤柱的平面投影。

2　保護(hù)煤柱壓煤量計(jì)算

保護(hù)煤柱的壓煤量Q可通過(guò)下式計(jì)算：

Q＝體積×容重＝A平·M·R／cosα

式中：A平—保護(hù)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(hù)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(hù)煤柱的壓煤量Q2：

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

3　結(jié) 論

通過(guò)計(jì)算得出垂線法留設(shè)的保護(hù)煤柱壓煤量Q2比垂直剖面法留設(shè)的保護(hù)煤柱壓煤量Q1少了563 853.133 t.

因此，石村礦村莊保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)所選用的垂線法能夠以最少的壓煤量保證礦井安全生產(chǎn)，是比較合理的留設(shè)方法。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 于喜東.礦山測(cè)量工［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2005：370－375

［2］ 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000：271－275.

中圖分類號(hào)：TD173

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672－0652（2015）02－0043－04

收稿日期：2015－01－09

作者簡(jiǎn)介：吳曉明（1986—），男，山西呂梁人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦地測(cè)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