風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)

黃慶國，李淑珍

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué)新平旺校區(qū)圖書館，山西 大同 037003）

煤礦生產(chǎn)過程中的采掘活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致煤層上覆巖層和地表產(chǎn)生移動(dòng)，為此對(duì)位于影響范圍內(nèi)的各種建筑物受到程度不同的損壞，基于更好地保護(hù)煤礦開采影響區(qū)域地表構(gòu)筑物免受沉降破壞的目的，2017年5月國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局、國家能源局、國家鐵路局聯(lián)合頒布更新了《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》，更新后最新版本的規(guī)范主要內(nèi)容包括煤礦區(qū)建筑物（構(gòu)筑物）、水體、鐵路和主要井巷保護(hù)煤柱或者安全煤（巖）柱的留設(shè)原則與設(shè)計(jì)方法[1]。煤礦現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，煤礦生產(chǎn)企業(yè)最常用的地面工業(yè)場(chǎng)地和井筒留設(shè)保護(hù)煤柱的方法是垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法，其中以垂直剖面法應(yīng)用最為廣泛[2-3]。

1 工業(yè)場(chǎng)地建筑物受保護(hù)等級(jí)的規(guī)定

為了增加煤礦工業(yè)場(chǎng)地和井筒保護(hù)煤柱的安全可靠性，地面工業(yè)場(chǎng)地和井筒被保護(hù)的范圍除了場(chǎng)地本身的面積還要增加一個(gè)提高安全性的圍護(hù)帶范圍。 圍護(hù)帶是為了抵消保護(hù)煤柱留設(shè)誤差而增加的面積，一般情況下，計(jì)算所選取的巖層移動(dòng)角和松散層移動(dòng)角存在誤差，會(huì)導(dǎo)致工業(yè)場(chǎng)地留設(shè)的保護(hù)煤柱尺寸不足。礦區(qū)建筑物保護(hù)等級(jí)的劃分，見表1。建筑物保護(hù)等級(jí)不同，需要增加的圍護(hù)帶寬度不同[4-6]，具體規(guī)定，見表2。

表1 煤礦區(qū)域建筑物保護(hù)等級(jí)分類

表2 保護(hù)類別不同的建筑物圍護(hù)帶尺寸

2 保護(hù)面積的確定方法

選擇垂直剖面法留設(shè)工業(yè)場(chǎng)地及井筒的保護(hù)煤柱，受保護(hù)范圍的確認(rèn)，通常有以下3種情況：

（1）工業(yè)場(chǎng)地的建筑物外邊界與煤層走向平行或正交，在建筑物外邊界加圍護(hù)帶，得到受保護(hù)的面積，見圖1（a）。

（2）工業(yè)場(chǎng)地范圍內(nèi)的建筑物外邊界同井田內(nèi)煤層走向斜交，通過建筑物外邊界的4個(gè)角點(diǎn)做與煤層走向和傾向平行的直線各2條，所形成的矩形過4個(gè)角點(diǎn)，然后按不同保護(hù)等級(jí)的建筑物規(guī)定增加圍護(hù)帶尺寸，見圖1（b）。

（3）工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)的多種建筑物排列不整齊，延伸方向不同，互不平行，則過被保護(hù)建筑物群的最外邊界角點(diǎn)做與煤層走向和傾向平行的直線各2條，形成受保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)地的矩形區(qū)域，再按建筑物受保護(hù)等級(jí)規(guī)定增加圍護(hù)帶尺寸，如此就可以確定受保護(hù)建筑物群的總面積，見圖1（c）。

圖1 垂直剖面法確定工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)面積

3 垂直剖面法設(shè)計(jì)原理

礦井工業(yè)場(chǎng)地應(yīng)用垂直剖面法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的方法，實(shí)質(zhì)上是圖解法，沿煤層走向和傾向分別作剖面，在剖面圖上根據(jù)表土層移動(dòng)角和巖層移動(dòng)角確定煤柱寬度，并投影到剖面圖上，由此確定地面建筑物保護(hù)煤柱的邊界。

在煤層底板等高線圖上，過要保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)地建筑物或建筑物群最外角點(diǎn)，分別作平行于煤層走向和煤層傾向的各2 條直線，相交形成一個(gè)矩形，這就是不加圍護(hù)帶的被保護(hù)范圍，根據(jù)工業(yè)場(chǎng)地的保護(hù)等級(jí)，需要在矩形的周圍增加20 m 寬的圍護(hù)帶，得到了地表被保護(hù)的面積，即由圖2中abcd圍成的矩形。地表受保護(hù)的范圍的邊界為沿傾向的mn和沿走向的qk。過ad或bc線段的中點(diǎn)，作沿煤層傾向的剖面I-I，得出傾斜方向地面保護(hù)邊界為mn；在I-I剖面過m、n兩點(diǎn)，按巖層的松散層移動(dòng)角φ作直線與基巖層相交于m1和n1，在I-I 剖面過m1和n1兩點(diǎn)，分別按上山移動(dòng)角γ和下山移動(dòng)角β作直線與煤層相交于m2和n2。同理，在走向剖面II-II過q和k兩點(diǎn)，按巖層的松散層移動(dòng)角φ和走向移動(dòng)角δ得出q1、k1、q2、k2、q3、k3等六點(diǎn)。將m2、n2、q2、k2、q3、k3投影到煤層底板等高線圖上，得到A、B、C、D四點(diǎn)，即得到平面上工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱的邊界。

圖2 垂直剖面法設(shè)計(jì)受保護(hù)工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱

在礦井采掘工程平面圖上使用垂直剖面法確定的礦井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱，其幾何圖形是一對(duì)稱的等腰梯形，梯形的下底和上底與煤層走向平行。由于地表受保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)地增加了圍護(hù)帶的面積，在井下采掘活動(dòng)影響下地面工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)筑物、建筑物的安全性較高。為了提高保護(hù)煤柱的留設(shè)精度，在沿煤層傾向的剖面圖上，垂直剖面法所留設(shè)的保護(hù)煤柱尺寸還可以由下式計(jì)算，各參數(shù)關(guān)系，見圖3。

式中：Hn、Hm為對(duì)應(yīng)于地表n、m兩點(diǎn)處煤層的埋深，m；h為表土層厚度。

圖3 煤層傾向剖面圖上保護(hù)煤柱尺寸計(jì)算

4 保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)實(shí)例

張家莊煤礦年產(chǎn)量300 萬t，采用分區(qū)式通風(fēng)。礦井西翼3盤區(qū)回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置有2臺(tái)抽出式風(fēng)機(jī)、回風(fēng)立井變電所、值班室、生活室、綠化帶等。工業(yè)場(chǎng)地為該礦主要的通風(fēng)設(shè)施所在地，必須設(shè)立可靠的保護(hù)煤柱，保證風(fēng)機(jī)安全正常運(yùn)行，不受井下8號(hào)煤層采掘影響。保護(hù)區(qū)域內(nèi)立井井口標(biāo)高1 084 m，井底標(biāo)高980.48 m；回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)范圍地面標(biāo)高1 074 m，受保護(hù)面積為7 200 m2。

張家莊煤礦開采8 號(hào)煤層，煤層厚度3.60 m，煤層傾角12～15°，平均13°。煤層賦存條件簡單，整個(gè)礦井地層為一單斜構(gòu)造，井田內(nèi)未見大的斷層和陷落柱，無火成巖侵入現(xiàn)象。8 號(hào)煤層頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖、局部為中粒砂巖；煤層老頂以粗粉砂巖為主，局部夾有薄層砂巖和中厚層細(xì)砂巖。

風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地附近地段表土層厚度不大，一般厚度在9～13 m，平均厚度10 m。為了安全起見表土層選取最大厚度13 m。風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地的保護(hù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，選取圍護(hù)帶寬度為20 m。依據(jù)該礦8號(hào)煤層賦存條件及參考鄰近礦井的經(jīng)驗(yàn)選取表土層移動(dòng)角φ=46°，下山移動(dòng)角β=57°，上山移動(dòng)角γ=73°，走向移動(dòng)角δ=71°。

首先使用與該礦區(qū)一致的直角坐標(biāo)網(wǎng)實(shí)際測(cè)算3盤區(qū)回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)地建筑組合的位置，然后將測(cè)繪出的受保護(hù)場(chǎng)地的準(zhǔn)確位置，以相同的比例尺投影在8號(hào)煤層的地板等高線平面圖上。

在8號(hào)煤層采掘工程剖面圖上應(yīng)用垂直剖面法進(jìn)行繪圖計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

8 號(hào)煤層保護(hù)煤柱的上部邊界標(biāo)高為988 m，保護(hù)煤柱的下部邊界標(biāo)高為936 m；8 號(hào)煤層保護(hù)煤柱幾何圖形為一等腰梯形，煤柱上部邊界走向長度為202 m，下部邊界走向長度達(dá)到238 m，梯形高234 m，8 號(hào)煤層保護(hù)煤柱面積約51 480 m2，煤層厚度3.60 m，容重1.40 t/m3，保護(hù)煤柱可采儲(chǔ)量約26萬t。

5 結(jié)語

張家莊煤礦8 號(hào)煤層開采已經(jīng)結(jié)束，該礦3 采區(qū)風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)完好，保護(hù)區(qū)域設(shè)施沒有受到8 號(hào)煤層的采動(dòng)影響，風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱留設(shè)安全合理。工程實(shí)例表明，只要表土層移動(dòng)角和基巖移動(dòng)角選擇準(zhǔn)確合理，選擇垂直剖面法留設(shè)礦井工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱安全可靠。