劉海青,張華興,李鳳明,楊樹榮

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西長(zhǎng)武 713602)

垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱的改進(jìn)

劉海青1,2,張華興1,2,李鳳明3,楊樹榮4

(1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司,陜西長(zhǎng)武 713602)

分析了垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱存在的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)垂線長(zhǎng)度公式的改變,改進(jìn)了留設(shè)保護(hù)煤柱的垂線法,使操作程序更為簡(jiǎn)化,更適于在數(shù)字化圖上作業(yè)。

垂線法;保護(hù)煤柱;移動(dòng)角

留設(shè)保護(hù)煤柱是確保地物 (包括建筑物、河流等)不受煤礦開采影響的最有效的方法。保護(hù)煤柱留設(shè)的方法主要有 3種：垂直剖面法、數(shù)字標(biāo)高投影法和垂線法。

垂直剖面法是一種圖解的方法,需要沿煤層走向和傾向分別作垂直剖面,從而確定保護(hù)煤柱邊界;數(shù)字標(biāo)高投影法則要求先在圖上作出保護(hù)煤柱空間體側(cè)平面的等高線,在此基礎(chǔ)上繪制出保護(hù)煤柱邊界;垂線法則是把解釋方法和作圖法結(jié)合來(lái)確定保護(hù)煤柱邊界。垂直剖面法和數(shù)學(xué)標(biāo)高投影法的作圖工作都比較繁瑣,適合于手工作圖,難以通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)。相對(duì)而言,垂線法的作圖工作簡(jiǎn)便,較適宜于在計(jì)算機(jī)上作圖。本文在分析垂線法的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),使作圖工作更為簡(jiǎn)化。

1 垂線法及其存在的不足

1.1 垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱

垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱,要先利用公式計(jì)算出各個(gè)垂線長(zhǎng)度,然后在平面圖上沿受護(hù)面積邊界的垂線方向量出垂線長(zhǎng)度,從而確定保護(hù)煤柱邊界?，F(xiàn)以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱邊界的方法。如圖 1所示,abcde為保護(hù)對(duì)象的邊界,ABCDE為相應(yīng)的需要留設(shè)的保護(hù)煤柱邊界,具體操作程序[1]如下：

(1)確定受護(hù)面積邊界 在保護(hù)對(duì)象邊界 abcde外 , 按圍護(hù)帶寬度 s畫受護(hù)面積邊界 a′b′c′d′e′。

圍護(hù)帶的寬度 s要根據(jù)保護(hù)對(duì)象的特點(diǎn),結(jié)合有關(guān)規(guī)定[2]和資料確定。

圖1 垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱

(2)確定松散層保護(hù)邊界 從受護(hù)面積邊界a′b′c′d′e′向外量距離 d(松散層保護(hù)邊界寬度 , 如圖2所示 ), 得松散層保護(hù)邊界 a″b″c″d″e(cuò)″。d按下式計(jì)算：

式中,d為松散層保護(hù)邊界寬度,m;h為松散層厚度,m;φ為松散層移動(dòng)角。

(3)確定保護(hù)煤柱邊界 取 q為向上山方向的垂線長(zhǎng)度,l為向下山方向的垂線長(zhǎng)度,k為走向方向的垂線長(zhǎng)度。下山方向垂線長(zhǎng)度 l的意義,如圖 2所示。

圖2 下山方向垂線長(zhǎng)度 l原理

確定保護(hù)煤柱邊界的操作步驟如下：計(jì)算垂線長(zhǎng)度 q,l和 k;在平面圖上,由松散層保護(hù)邊界 a″b″c″d″e(cuò)″" 向外量取相應(yīng)的垂線長(zhǎng)度 , 從而畫出保護(hù)煤柱邊界 ABCDE(圖 1);擦去受護(hù)面積邊界(a′b′c′d′e′) 和松散層保護(hù)邊界 (a″b″c″d″e(cuò)″)。

式中,q為上山方向垂線長(zhǎng)度,m;l為下山方向垂線長(zhǎng)度,m;k為走向方向垂線長(zhǎng)度,m;H為 i′點(diǎn)處的煤層深度,m;θ為受護(hù)面積邊界線在 i′點(diǎn)處與煤層走向所夾的銳角;α為煤層的偽傾角,tan α′=tanαcosθ;β′,γ′分別為斜交剖面下山移動(dòng)角和斜交剖面上山移動(dòng)角,按下式計(jì)算：

式中,β,γ,δ分別為下山移動(dòng)角、上山移動(dòng)角、走向移動(dòng)角。

1.2 垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱存在的不足

用垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí),除了畫出保護(hù)對(duì)象邊界 (圖 1中 abcde)和最終的保護(hù)煤柱邊界(ABCDE) 外 , 還要畫出受護(hù)面積邊界 (a′b′c′d′e′) 和松散層保護(hù)邊界 (a″b″c″d″e(cuò)″)。顯然 , 后兩個(gè)邊界 (a′b′c′d′e′和 a″b″c″d″e(cuò)″) 在整個(gè)操作過(guò)程中只起一個(gè)過(guò)渡作用。如果減少這兩個(gè)邊界的工作,無(wú)疑會(huì)簡(jiǎn)化整個(gè)工作程序,從而改進(jìn)作業(yè)方法。

3 垂線法的改進(jìn)

為簡(jiǎn)化保護(hù)邊界工作程序,在計(jì)算垂線長(zhǎng)度時(shí),可以把圍護(hù)帶寬度 s、松散層保護(hù)邊界寬度 d融合到公式 (1), (2)和 (3)里 (原理如圖 3所示),得到一組新的公式：

圖3 融合后的下山方向垂線長(zhǎng)度 li計(jì)算原理

式中,qi為 i點(diǎn)處上山方向垂線長(zhǎng)度,m;li為 i點(diǎn)處下山方向垂線長(zhǎng)度,m;ki為 i點(diǎn)處走向方向垂線長(zhǎng)度,m;hi為松散層厚度,m;φ為松散層移動(dòng)角;Hi為 i點(diǎn)處的煤層深度,m;θi為保護(hù)對(duì)象邊界線在 i點(diǎn)處與煤層走向所夾的銳角;α′i為煤層的偽傾角 ,tanα′i=tanαcosθi; βi′, γi′分別為斜交剖面下山移動(dòng)角和斜交剖面上山移動(dòng)角,按下式計(jì)算：式中,β,γ,δ分別為下山移動(dòng)角、上山移動(dòng)角、走向移動(dòng)角。

顯然,用公式 (4),(5)和 (6)計(jì)算得的垂線長(zhǎng)度 qi,li,ki的實(shí)際意義與公式 (1), (2)和(3)已經(jīng)有所不同,公式中各參數(shù)的意義也有了變化。以下山方向的垂線長(zhǎng)度 li(圖 3)為例,與圖 2中的 l相比較,li實(shí)際上是由圖 2中的 l,d和 s組成。相應(yīng)地,留設(shè)保護(hù)煤柱的操作程序改進(jìn)(如圖 4所示)為：按公式 (4), (5)和 (6)計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的垂線長(zhǎng)度 qi,li,ki,確定保護(hù)煤柱邊界。

在平面圖上,由保護(hù)對(duì)象邊界 abcde向外做出保護(hù)煤柱邊界 ABCDE。

3 結(jié)論

改進(jìn)后的垂線法,操作程序簡(jiǎn)化,作圖工作減少,操作更加簡(jiǎn)便,更適于延伸型建 (構(gòu))筑物(如鐵路[3]、長(zhǎng)輸油氣管道[4]等)下保護(hù)煤柱的留設(shè)。目前,煤礦用圖基本上已經(jīng)數(shù)字化,用改進(jìn)后的垂線法確定保護(hù)煤柱,更容易在數(shù)字化平臺(tái)(如 AutoCAD,GIS)礦圖上使用。

圖4 改進(jìn)后的垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱

[1]何國(guó)清,楊 倫,凌賡娣,等 .礦山開采沉陷學(xué) [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1991.

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

[3]陳清通,文學(xué)寬 .鐵路下煤層群留設(shè)保護(hù)煤柱方法的選擇和計(jì)算 [J].煤礦開采,2008,13(6)：28-29.

[4]張華興,劉海青,孫萬(wàn)明,祝 琨 .管道過(guò)采空區(qū)壓煤開采與煤柱留設(shè)研究 [R].北京：天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理研究所,2009.

I mprovement of Protective Coal Pillar Design with VerticalL ineM ethod

L IU Hai-qing1,2,ZHANG Hua-xing1,2,L I Feng-ming3,YANG Shu-rong4
(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China;4.Shanxi Changwu Coal Co.,Ltd.,Changwu 713602,China)

Thispaper analyzed the problem in designing protective coal pillarwith vertical line method and improved the method by changing length for mula of vertical line.The improved method makes calculation simple and adapted to map exercise.

vertical line method;protective coal pillar;movement angle

TD822.3

A

1006-6225(2010)04-0015-02

2010-03-15

劉海青 (1970-),男,山東諸城人,在讀博士生,主要從事特殊采煤及煤礦災(zāi)害防治的研究工作。

周景林]