復雜建筑群下煤柱留設的優(yōu)化設計研究

丁建闖，趙亞紅，劉小陽

(1.華北科技學院 建筑工程學院，北京 東燕郊 101601；2.防災科技學院 防災工程系，北京 東燕郊 101601)

復雜建筑群下煤柱留設的優(yōu)化設計研究

丁建闖1，趙亞紅1，劉小陽2

(1.華北科技學院 建筑工程學院，北京 東燕郊 101601；2.防災科技學院 防災工程系，北京 東燕郊 101601)

為解決建筑群下壓煤問題，針對現(xiàn)有礦區(qū)保護煤柱留設方法的局限性，提出利用矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱，并結合實際地質采礦條件，給出了煤柱尺寸的計算公式，提出了角點煤柱的優(yōu)化設計理論。研究表明，這兩種方法可依據(jù)受護對象的保護等級和開采煤層厚度等因素，合理確定地面工程保護煤柱的范圍，既保護了敏感目標，又大大解放了“三下”壓煤量，使保護煤柱的設計更加合理。

保護煤柱；垂直剖面法；矩形分塊；優(yōu)化設計

0 引言

早在十九世紀初，人們就著手研究留設保護煤柱來減小地下開采引起的地表變形對建(構)筑物的損害，各國學者也相繼取得了豐碩的研究成果[1]。但目前，留設保護煤柱的研究主要集中于通過松散層和基巖移動角參數(shù)來劃定保護煤柱邊界，傳統(tǒng)方法增大了保護煤柱壓煤量，造成了煤炭資源的巨大浪費，如垂直斷面法、垂線法、數(shù)字標高投影法等，這些方法僅僅用了主斷面上或少數(shù)幾個斜向斷面上的移動角值，致使建(構)筑物角點處滯留過大的煤柱，并且，隨著煤層傾角的增大，角點多余煤柱急劇增加，復雜情況下甚至使保護煤柱的留設較為困難[2]，為此，筆者經過大量的文獻檢索，在保護煤柱的留設方法，尤其是保護煤柱的優(yōu)化設計方面進行了對應的分析和研究，在保護地表建(構)筑物(群)的前提下，提出了利用矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱，并結合煤柱尺寸計算公式和角點煤柱優(yōu)化設計理論，使保護煤柱留設的面積減小到最優(yōu)，進而極大的釋放了壓煤量。

1 礦井概況

康保縣張紀井田面積2.4174 km2，設計生產能力為6萬t/a，采用一對斜井單水平上下山開采，開采水平標高為+1100 m，目前開采延深水平超過+900 m。礦區(qū)地勢東高西低，東部為丘陵，西部為平地，地面標高+1388～+1509 m，相對高差121 m，區(qū)內無水系發(fā)育。井田內只有一層可采煤層，是煤系底部5#煤層，在井田內大部分可采，煤層厚度0.60～6.07 m，平均厚度2.83 m，屬薄-中厚穩(wěn)定煤層。

礦區(qū)內村莊聯(lián)系緊密、交通便利，村莊位于井田西邊界上方，村莊房屋數(shù)量較多，以土坯和磚木結構瓦房為主，為一定規(guī)模的建筑群，且已出現(xiàn)不同程度的損壞，最大裂縫寬度20 mm。經采用GPS-RTK測量了村莊東邊界，與井上下對照圖進行核對，村莊房屋距31505開采工作面最近距離為163 m，村莊下煤層最小埋藏深度為410 m?？梢?，村莊房屋出現(xiàn)裂縫破壞的區(qū)域位于村莊中部，磚木結構瓦房基礎為毛石壘砌基礎，未見水泥勾縫加固，為防止房屋進一步遭到損害，需留設合理的保護煤柱。

為減少村莊壓煤量，加大煤炭回收，提高經濟效益，經研究決定礦區(qū)31505工作面回采至保護煤柱邊界線時需停采撤出，這樣31505工作面后155 m部分進入村莊保護煤柱，能否在建筑群下成功留設形狀、尺寸適宜的保護煤柱，將村莊建筑群即控制在允許變形范圍(值)之內，又盡可能多地回收煤炭資源，是此次煤柱設計的關鍵。

2 煤柱留設與優(yōu)化

2.1 礦區(qū)已有資料

(1) 保護對象的特征和使用要求，礦區(qū)地質條件及煤層埋藏條件；

(2) 圖紙資料，如井田地質剖面圖，煤層底板等高線圖，井上下對照圖等；

(3) 礦區(qū)地表移動參數(shù)。

2.2 矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱

2.2.1 垂直剖面法留設保護煤柱

由礦井地質剖面圖，煤層底板等高線圖和平面圖，村莊地質條件及沖積層和基巖移動角值見表1：

表1 煤層及基巖移動角參數(shù)

(1) 確定受護面積邊界

在礦區(qū)平面圖上，通過建筑群的最外角點，分別作與煤層走向、傾向平行的直線，得建筑群邊界即多邊形ABCDEFGHIJKL；按III級保護標準在多邊形ABCDEFGHIJKL外緣再留10 m的圍護帶，得建筑群受護面積邊界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′，如圖1所示：

圖1中，多邊形ABCDEFGHIJKL為建筑群邊界，多邊形A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′為建筑群受護面積邊界。

(2) 確定保護煤柱邊界

將建筑群受護面積邊界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′簡化為矩形ABCD，過該矩形中心作煤層傾向剖面圖和走向剖面圖，在松散層(沖積層)內由移動角Φ畫直線，在基巖內由移動角γ、β、δ畫直線，作出建筑群保護煤柱邊界，如圖2所示：

其中，h為松散層厚度，H為松散層與基巖接觸面至煤層高度，γ為上山移動角，β為下山移動角，δ為走向移動角，Φ為松散層移動角(本文字母含義均相同)。

圖1 建筑群保護煤柱(平面圖)

圖2 受護面積邊界與走向平行或垂直時煤柱邊界的確定

根據(jù)煤層底板等高線圖和地面標高確定村莊受護面積邊界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′各角點煤層的埋藏深度Hi，煤層埋藏深度減去松散層厚度h=10 m，可求出各角點的基巖層厚度Hj，進而求出沿傾向(上山和下山)方向保護煤柱邊界到圍護帶角點的水平距離為[3]：

(1)

(2)

沿走向方向保護煤柱邊界到圍護帶角點的水平距離為：

(3)

其中，L上為上山方向煤柱邊界至圍護帶角點的水平距離，L下為下山方向煤柱邊界至圍護帶角點的水平距離，L走為走向方向煤柱邊界至圍護帶角點的水平距離。計算結果見表2所示：

表2 煤柱邊界距圍護帶角點距離計算

由表2計算結果，借助幾何投影方法作圖，保護煤柱范圍見圖1多邊形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"所示。

2.2.2 利用矩形分塊垂直剖面法對建筑群進行煤柱留設

基于礦井地表建筑物形狀復雜、數(shù)量眾多，可考慮將建筑群沿走向和傾向分成三個受護面積邊界，即對圖1中建筑群分為上、中、下三塊，對每塊建筑群分別用垂直剖面法留設煤柱[4]，各塊煤柱留設如圖3所示，再取各塊保護煤柱的最外(若保護等級低可取最內)邊界作為最終保護煤柱邊界，如圖4多邊形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"所示。

(1) 上塊保護煤柱

(2)中塊保護煤柱

(3) 下塊保護煤柱

圖3 各塊留設煤柱示意圖

圖4中多邊形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"為矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱的最終結果，與傳統(tǒng)垂直剖面法留設煤柱的結果對照如圖5所示：

其中，黃色多邊形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"為矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱邊界，而紅色多邊形為傳統(tǒng)垂直剖面法煤柱留設邊界，可知兩種方法留設的煤柱大小在走向和下山方向相差較大。在平面圖上可將變化的面積轉換成真面積，乘上煤層厚度求得保護煤柱節(jié)約的壓煤量，在生產實踐中采用矩形分塊垂直剖面法留設保護煤柱可以釋放大量的壓煤量，該方法是可行的。

3 角點區(qū)煤柱的優(yōu)化設計

實踐認為，礦區(qū)壓煤量一般占礦井可采儲量的1/10～3/10，圖1中建筑群角點的壓煤量占整個壓煤量的比重較大，可對角點區(qū)保護煤柱進行優(yōu)化設計[5]。

圖4 矩形分塊留設保護煤柱示意圖

3.1 優(yōu)化設計方案

(1) 方案設計思想

采用垂直剖面法等方法可得到角點區(qū)保護煤柱范圍，以煤柱的一個角點為例，假設保護煤柱范圍為四邊形OABC，如圖6所示。

(2) 在水平或緩傾斜煤層中(煤層傾角α≤15°)

此時角點兩側保護煤柱范圍相差不大，以O點為圓心，以OA為半徑畫弧，交OB于D，交BA于A點，交BC于C點，則建筑群角點保護煤柱的范圍為扇形區(qū)域OADC，如圖6所示。

(3) 在傾斜與急傾斜煤層中(煤層傾角15°<α≤55°或α>55°)

此時角點兩側保護煤柱范圍差別較大，總體以角點和保護煤柱交點的連線OB為界，在大值區(qū)以長半徑畫弧交連線于D，在小值區(qū)以D和村莊邊界線的延長線與保護煤柱的邊界線交點C連線為準，則村莊角點保護煤柱的范圍為扇形區(qū)域OAD與三角形區(qū)域ODC之和，如圖6所示。

圖5 兩種煤柱留設結果對照圖

圖6 角點煤柱優(yōu)化原理

3.2 方案的具體應用

依據(jù)角點區(qū)保護煤柱優(yōu)化設計思想，在31505工作面的設計中，村莊角點多處遇到保護煤柱出現(xiàn)尖頭的形狀，且煤層為近水平煤層，對圖1角點煤柱進行優(yōu)化(同理可對圖4等進行優(yōu)化)[6]，如圖7所示：

圖7 角點煤柱優(yōu)化設計示意圖

圖7中直角多邊形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"邊界線為康保礦張紀井原煤柱留設方案[7]，圓角包圍區(qū)域為角點煤柱優(yōu)化后邊界，兩邊界線角點處所圍范圍即為建筑群下可采壓煤量或安全可采區(qū)[8]。

4 結論

本文結合實際礦區(qū)地質資料，研究分析了：

(1) 提出了建筑群下保護煤柱留設的新方法：矩形分塊垂直剖面法；

(2) 給出煤柱尺寸計算公式，實例說明在復雜建筑群下利用矩形分塊垂直剖面法對煤柱留設的可行性；

(3) 提出利用角點煤柱的優(yōu)化設計理論減小了壓煤量，使保護煤柱的設計方案更趨于優(yōu)化合理。

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Study on the optimization design of coal pillar under the complex buildings

DING Jian-chuang1,ZHAO Ya-hong1,LIU Xiao-yang2

(1.ArchitecturalEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China; 2.Departmentofdisasterpreventionengineering,InstituteofDisasterPrevention,Yanjiao,101601,China)

In order to solve the problem of the pressed coal under buildings, to the limitation of the existing methods for the set of protecting coal pillar, this paper puts forward the rectangular block vertical section method for protecting coal pillar’s design, presents the calculation formula of the coal pillar dimension and the optimal design theory of the angular point’s coal pillar,combining with the actual geological and mining conditions. Studies have shown that, this two methods can make a proper scope for protecting coal pillar of the ground engineering according to the object’s protection level and the other factors such as the thickness of the working seam, which both protect the sensitive target, and greatly liberate pressed coal for the "three unders" mining, and make the protecting coal pillar design more reasonable.

protecting coal pillar; vertical sectional method; rectangular block design method; optimal design

2017-01-25

廊坊市科技局項目(2016011014)

丁建闖(1982-)，男，河南駐馬店人，碩士，華北科技學院建筑工程學院講師，研究方向：測繪工程與開采沉陷。E-mail：317729092@qq.com

TD325.2

A

1672-7169(2017)02-0007-08