下霍礦界上方紫沙廟保安煤柱設(shè)計探析

蘇 洋

（長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605）

0 引 言

紫沙廟隸屬于長治市長治縣北呈鄉(xiāng)，坐立紫砂嶺山巔，位于下霍礦井一采區(qū)東部礦界地表上方，該廟坐北朝南，東西長27.22m，南北寬30.17m，面積約821.23m2。始建于唐代，據(jù)正殿內(nèi)刻磚記載明崇禎三年（1630年），清嘉慶十六年（1811年）履有修葺。紫沙廟由于年久失修和人為破壞，各建筑保存極差，院落地面凹凸不平，圍墻倒塌，導(dǎo)致排水不暢，建筑殘損嚴(yán)重。每年的七月十八廟會與平時周邊上香許愿信徒很多，存在較大的安全隱患，隨著國家對文化遺產(chǎn)的開發(fā)和挖掘，后經(jīng)北張村委協(xié)商進(jìn)行修繕[1-3]。

表1 鉆孔資料

紫沙廟地勢中部較高，向東、西兩側(cè)開始陡峭，且都為第四系覆蓋。根據(jù)《山西三元煤業(yè)股份有限公司長子縣下霍井田3號煤層勘探地質(zhì)報告》顯示、紫沙廟周圍僅有3502#、3708#兩個鉆孔，鉆孔資料如表1所示，且距離紫砂廟分別為942m、842m，從第四系表土層厚度等值線圖上量取，紫沙廟周圍表土層厚度平均約為16m。表土層下主要巖性依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖。3號煤層平均埋藏深度333.5m，煤層傾角在4°-5°之間，趨勢由東北向西南傾斜[4-5]。

1 紫沙廟所壓煤柱煤種、煤質(zhì)

根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊提交的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報告》，紫沙廟所壓煤柱中的3#煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組。煤種屬低中灰-中灰、特低硫、高、特高熱值、較高軟化溫度灰份貧煤、貧瘦煤，可作為動力用煤、氣化用煤和民用煤。貧瘦煤可作為煉焦配煤。3#煤經(jīng)洗選灰分降低至5.96%～12.30%，平均9.01%，全硫含量平均0.38%時，也可作為高爐噴吹用煤[6]。

2 圍護(hù)帶寬度、表土層及巖層移動角選擇

2.1 圍護(hù)帶寬度選擇

根據(jù)《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》第十一條規(guī)定：國家一般文物建筑物、在同一跨度內(nèi)有兩臺重型橋式吊車的大型廠房及高程建筑等，按Ⅰ級保護(hù)等級進(jìn)行保護(hù)。第十二條規(guī)定：在礦井、水平、采區(qū)設(shè)計時，對建筑物應(yīng)當(dāng)劃定保護(hù)煤柱。保護(hù)等級為：特級、Ⅰ級、Ⅱ級建筑物必須劃定保護(hù)煤柱。第十三條規(guī)定：建筑物受保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)包括受護(hù)對象及其圍護(hù)帶。根據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級確定Ⅰ級保護(hù)對象的圍護(hù)帶寬度為20m。

紫沙廟按一般文物建筑對象進(jìn)行保護(hù)，故保護(hù)等級的圍護(hù)帶寬度選擇Ⅰ級20m進(jìn)行計算。

2.2 表土層移動角選擇

根據(jù)第四系表土層等厚線圖和山西煤田地質(zhì)勘探114隊編制完成的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報告》顯示，紫沙廟一帶表土層平均厚度為15.6m，紫沙廟一帶煤層頂板含水層富水性弱，松散層下部單位涌水量為q＝0.00046～0.006 L/（s·m）。此外結(jié)合2017版《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》對松散層移動角的取值范圍。因此，紫沙廟一帶表土層移動角φ可采用50°。

2.3 巖層移動角選擇

根據(jù)2017版《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》中對巖層移動角的取值范圍，《山西三元煤業(yè)股份有限公司長子縣下霍井田3號煤層勘探地質(zhì)報告》對煤層上覆巖層的描述：“下霍井田3號煤層覆巖以中生代、古生代為主，直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，老頂為中-細(xì)粒砂巖，泥巖單向抗壓強(qiáng)度5.8MPa，砂質(zhì)泥巖單向抗壓強(qiáng)度 4.8MPa～26.5MPa，粉砂巖的單向抗壓強(qiáng)度13.7MPa～38.9MPa，老頂單向抗壓強(qiáng)度 33.6MPa～57.0MPa”。參照覆沿性質(zhì)區(qū)分的地表移動一般參數(shù)綜合表中：中硬覆巖的單向抗壓強(qiáng)度為30～60MPa，軟弱覆巖的單向抗壓強(qiáng)度為小于30MPa。

表2 保安煤柱設(shè)計選用的參數(shù)

移動角的取值范圍：上山方向巖層移動角γ為70°～75°，走向巖層移動角δ為70°～75°，下山方向巖層移動角β=δ-（0.6-0.7）α。由于礦區(qū)3#煤層覆巖大部以中硬巖層為主，故上山方向巖層移動角γ和走向方向巖層移動角δ均取中間值72°，由于紫沙廟煤層傾角小于5°。因此，下山方向的巖層移動角β=72°，保安煤柱設(shè)計選用的參數(shù)見表2。

3 垂線法圈定保安煤柱邊界

保安煤柱采用垂線法，由于紫砂廟處于井田礦界邊緣。因此，取各邊界移動垂線點連線與礦界交點作為移動邊界的角點。在3#煤層底板等高線圖上繪保安煤柱邊界，具體步驟如下。

3.1 圈定受護(hù)邊界

在紫沙廟保安煤柱地形圖上，紫沙廟邊界由4個拐點組成，以紫沙廟邊界外垂直加20 m圍護(hù)帶寬度，即得到受護(hù)邊界 W1、W2、W3、W4的連線。分別轉(zhuǎn)繪到紫沙廟保安煤柱松散厚度等值線圖（根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊測繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線圖）和紫沙廟保安煤柱3號煤層底板等高線圖（根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊測繪成圖的下霍井田3號煤層底板等高線圖）上。

3.2 圈定松散層移動邊界

表3 松散層移動垂線長計算

紫沙廟表土層移動邊界的圈定根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊測繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線圖，得紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖。

在紫沙廟保安煤柱松散層等值線圖上求得各點松散層厚度，取松散層移動角φ=50°，可得到松散層移動垂線長：L=hctgφ，各點松散層移動垂線長見表3。

其次在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖上，從受護(hù)邊界各點按松散層移動垂線長向外作各邊的垂線，過同一邊兩垂線端點的直線與各相鄰兩邊的松散層移動邊界相交得到 H1、H2、H3、H4各點的連線即為松散層移動邊界。

3.3 計算巖層移動垂線長并圈定保安煤柱邊界

紫沙廟保安煤柱的圈定，根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊測繪成圖的下霍井田3#煤層底板等高線圖，和山西煤田地質(zhì)勘探114隊編制完成的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報告》，及對應(yīng)井下實際采掘3#煤層位置情況，在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線圖上，量取H1、H2、H3、H4各點的松散層厚度。

將紫沙廟保安煤柱松散厚度層等值線圖上的松散層移動邊界分別轉(zhuǎn)繪到地形圖和3#煤層底板等高線圖上，從圖上量取可得到 H1、H2、H3、H4各點的地面標(biāo)高和對應(yīng)的3#煤層底板位置標(biāo)高。各點的地面標(biāo)高與表土層厚度之差是各點的巖層面標(biāo)高，各點巖層面標(biāo)高與煤層底板標(biāo)高之差就是各點的巖層厚度H，具體數(shù)值見表4。

表4 含3#煤層的巖層厚度表

在紫沙廟保安煤柱3#煤層底板等高線圖上，量取計算出 H1、H2、H3、H4各點的煤層傾角 α 如表 5，松散層移動邊界各邊與煤層傾向線所夾的銳角θ。根據(jù)以下公式計算各點的巖層移動垂線長，具體數(shù)值詳見表6。

表5 煤層傾角

斜交剖面的上山方向巖層移動角：

斜交剖面的下山方向巖層移動角：

上山方向巖層移動垂線長：

Q=Hctgβ'÷（1+ctgβ'cosθtgα）

下山方向巖層移動垂線長：

L=Hctgγ'÷（1-ctgγ'cosθtgα）

式中：H為包含3#煤層的巖層厚度；β、γ為下、上山方向巖層移動角；θ為松散層移動邊界與煤層傾向線所夾銳角；α為煤層傾角。

在紫沙廟保安煤柱3#煤層底板等高線圖上，從松散層移動邊界各點按巖層移動垂線長向外作各邊的垂線，過同一邊兩垂線端點的直線與各相鄰兩邊的巖層移動邊界相交得到 B1、B2、B3、B4各點的連線，即為保安煤柱邊界。

4 垂直剖面法圈定保安煤柱邊界

首先沿煤層走向和傾向作垂直剖面，在斷面圖上確定保護(hù)煤柱寬度，最后投影到平面圖上獲得保護(hù)煤柱邊界。

表6 巖層移動垂線長計算

5 結(jié) 論

既為有效保護(hù)紫沙廟歷史文物遺產(chǎn)，又為避免煤炭資源的浪費(fèi)，根據(jù)兩種方法圈定的保安煤柱邊界，選取重疊區(qū)域作為最佳保安煤柱邊界，最終得紫沙廟保安煤柱圖，最終保安煤柱邊界各角點坐標(biāo)如表7。

表7 紫沙廟保安煤柱邊界各角點坐標(biāo)

從紫沙廟保安煤柱圖上，量得最終保安煤柱的壓煤面積S為43203.383m2。根據(jù)紫沙廟周邊3502#、3708#鉆孔揭煤厚度得壓煤平均厚度h為5.37m，煤層容重為1.42t/m3，最終求得壓煤量如下。

Q=Shρ=43203.383×5.37×1.42≈329443.077t