地面構(gòu)筑物保護(hù)煤柱留設(shè)方法分析及優(yōu)化

許永杰

摘 要：保護(hù)煤柱留設(shè)方法是一種通用的方法，缺乏一定的針對性，導(dǎo)致在較厚和較薄煤層中留設(shè)的保護(hù)煤柱存在不同程度的問題。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析出現(xiàn)的問題，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化保護(hù)煤柱，最終提出根據(jù)開采沉陷預(yù)計驗證并適當(dāng)調(diào)整保護(hù)煤柱寬度尺寸的思路，以使保護(hù)煤柱既能有效保護(hù)受護(hù)對象不受損壞，又能盡量少占壓資源儲量。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力平衡;保護(hù)煤柱;煤柱留設(shè)方法;地表移動變形

中圖分類號：TD822.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0065-03

Abstract： The method of protecting coal pillar is a general method， and it is inevitable that it is not targeted enough. The problem of protecting coal pillar in thick and thin coal seam is analyzed by numerical simulation， and the optimization of protecting coal pillar is carried out on this basis. Finally， the idea of protecting coal pillar width can be verified and adjusted according to mining subsidence， so that the protected coal pillar can not only effectively protect the protected object from damage but also minimize the reserves of compressed resources

Keywords： stress balance;protective coal pillar;coal pillar setting method;surface movement and deformation

井下煤層被采出后，采空區(qū)周圍巖體的自然應(yīng)力狀態(tài)和上覆巖層內(nèi)部的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，巖層內(nèi)部的應(yīng)力經(jīng)重新分布達(dá)到新的應(yīng)力平衡[1-2]。此過程中，巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞（開裂、冒落甚或塌陷）。保護(hù)煤柱的功能和作用是使井下煤炭開采造成的地表移動變形不對受護(hù)對象產(chǎn)生影響或?qū)⒂绊懣刂圃谠试S范圍內(nèi)，確保受護(hù)對象不發(fā)生損壞[3-4]。受護(hù)對象若發(fā)生損壞，則說明保護(hù)煤柱未起到保護(hù)作用。同時，不應(yīng)為了確保受護(hù)對象不發(fā)生損壞留設(shè)過大的保護(hù)煤柱，以免浪費(fèi)煤炭資源[5]。

本文將綜合分析垂直剖面法和垂線法留設(shè)煤柱方法中存在的問題，并對保護(hù)煤柱的方法進(jìn)行了優(yōu)化和分析。

1 保護(hù)煤柱留設(shè)方法

保護(hù)煤柱留設(shè)方法有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法。其中，垂直剖面法和垂線法得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 垂直剖面法

垂直剖面法是一種圖解方法，工作原理如圖1所示。通過被保護(hù)物體的最外角點(diǎn)作平行于煤層走向和傾向的4條線，得到保護(hù)范圍即矩形[abcd]。從矩形[abcd]作沿煤層傾斜方向的剖面圖（圖1中Ⅱ-Ⅱ部分），保護(hù)邊界為[m]、[n]。從[m]、[n]點(diǎn)均按照表土層移動角[φ]做直線即可得到表土層與基巖接觸面的保護(hù)邊界點(diǎn)，即[m1]、[n1]點(diǎn)。從[m1]、[n1]點(diǎn)分別按照基巖移動角[γ]與[β]做直線，即可與煤層交于[m2]、[n2]點(diǎn)。同理，從矩形[abcd]作沿煤層走向方向的剖面圖（圖1中的Ⅰ-Ⅰ部分），求得[q1]、[k1]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]等點(diǎn)。將[m2]、[n2]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]各點(diǎn)投影到平面圖上，即可得到煤柱的平面投影[ABCD]。將該投影的平面面積按煤層傾角轉(zhuǎn)換為真實面積，同時依據(jù)煤層、密度等參數(shù)即可求得煤柱壓煤量。

1.2 垂線法

垂線法是一種解析方法，基本原理如圖2所示。先作受護(hù)范圍邊界的垂線，利用公式計算垂線長度，再在平面圖上量出垂線長度，從而確定保護(hù)煤柱邊界。

通過以上論述可知，保護(hù)煤柱的留設(shè)方法與煤層開采厚度[m]無關(guān)。

2 地表移動變形

地表移動變形是指在采煤影響下地表產(chǎn)生的下沉、水平移動、傾斜、水平變形和曲率。

最大下沉值[Wcm]、最大水平移動值[Ucm]、最大水平變形值[εcm]、最大傾斜值[icm]和最大曲率值的計算公式分別為：

一個礦區(qū)或井田一般位于同一地質(zhì)單元，其地質(zhì)條件大體相同，相應(yīng)的下沉系數(shù)[q]、水平移動系數(shù)[b]和煤層傾角[α]大同小異，一般不會發(fā)生大的變化。也就是說，對同一地質(zhì)單元，煤層開采厚度[m]基本決定了地表下沉值和水平移動值，而地表下沉值和水平移動值又決定了地表傾斜值、曲率值和水平變形值。地表傾斜值、曲率值和水平變形值與建筑物損壞等級見表1。

通過分析可知，煤層開采厚度[m]是影響地表移動變形的關(guān)鍵因素，一定程度上決定了地表移動變形。

3 存在的問題分析

保護(hù)煤柱的功能與作用是確保受護(hù)對象不受采動影響或?qū)⒂绊懣刂圃谠试S范圍內(nèi)。它的留設(shè)方法與煤層開采厚度無關(guān)，但煤層開采厚度一定程度上決定了地表移動變形，進(jìn)而確定了受護(hù)對象是否受采動影響發(fā)生損壞，決定著保護(hù)煤柱是否起到應(yīng)有的功能與作用。也就是說，對同一受護(hù)對象，根據(jù)保護(hù)煤柱留設(shè)方法，煤層厚度1 m的煤層和煤層厚度10 m的煤層，保護(hù)煤柱的寬度尺寸是一樣的，但實際開采1 m厚的煤層與開采10 m厚的煤層造成的地表移動變形顯然是不同的，導(dǎo)致出現(xiàn)了兩種現(xiàn)象：一是礦井開采厚煤層時，雖然留設(shè)了保護(hù)煤柱，但受護(hù)對象仍受采動影響，發(fā)生了不同程度的損壞;二是礦井開采薄煤層，雖確保了受護(hù)對象不受采動影響，但留設(shè)煤柱較大，造成了煤炭資源的浪費(fèi)。

為分析不同厚度煤層煤柱應(yīng)力，本文進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬分析。假設(shè)煤層為多孔介質(zhì)，本文分別模擬了1 m、3 m、6 m、9 m厚度煤層煤柱應(yīng)力分布圖。假設(shè)煤柱寬度為20 m，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同采高上部巖層應(yīng)力分布不同。采高越小，上部巖層應(yīng)力分布集中區(qū)域越少;采高越大，上部巖層應(yīng)力分布集中區(qū)域越多。

4 優(yōu)化分析

為確定厚度范圍，現(xiàn)對垂向應(yīng)力分布情況影響范圍進(jìn)行分析，分別分析了不同厚度煤柱下采礦區(qū)的影響范圍。

由圖4可知，煤層厚度為6 m的塌陷范圍比煤層為3 m采厚的踩點(diǎn)塌陷范圍增大1.5倍。因此，為了降低地表沉陷量，在進(jìn)行煤柱預(yù)留時，煤層厚度大的采區(qū)預(yù)留煤柱寬度應(yīng)相應(yīng)增加。

5 結(jié)論

為研究礦區(qū)上構(gòu)筑物保護(hù)煤柱厚度，綜合分析類目前預(yù)留煤柱的方法，運(yùn)用數(shù)值模擬研究分析了目前預(yù)留煤柱方法的缺陷，并制定了優(yōu)化措施，得到了以下結(jié)論：①預(yù)留煤柱的方法有垂直剖面圖法和垂線法，但這些常規(guī)方法未考慮煤層厚度;②煤層厚度為6 m的采點(diǎn)塌陷區(qū)域是3 m采厚采點(diǎn)塌陷區(qū)域的1.5倍，為了降低地表沉陷量，在進(jìn)行煤柱預(yù)留時，煤層厚度大的采區(qū)預(yù)留煤柱寬度應(yīng)相應(yīng)增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]任杰，宋玉亮.安盛欣煤業(yè)9105工作面斷層防水方案研究[J].山東煤炭科技，2020（10）：179-181.

[2]黃丹.邢東礦深部煤層底板變形破壞機(jī)理研究[D].西安：長安大學(xué)，2019：25-26.

[3]楊亮亮.淮南礦區(qū)保護(hù)煤柱留設(shè)參數(shù)解算技術(shù)及程序?qū)崿F(xiàn)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2019：29-30.

[4]賀子明.莒山煤礦3#厚煤層下分層復(fù)采技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2019：33-35.

[5]石亞男.寺河礦6301大采高綜采工作面切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究[J].中國礦山工程，2020（5）：34-37.