丁建闖，趙亞紅，劉小陽

(1.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.防災(zāi)科技學(xué)院 防災(zāi)工程系，北京 東燕郊 101601)

復(fù)雜建筑群下煤柱留設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

丁建闖1，趙亞紅1，劉小陽2

(1.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601；2.防災(zāi)科技學(xué)院 防災(zāi)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(hù)煤柱留設(shè)方法的局限性，提出利用矩形分塊垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)采礦條件，給出了煤柱尺寸的計(jì)算公式，提出了角點(diǎn)煤柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。研究表明，這兩種方法可依據(jù)受護(hù)對象的保護(hù)等級和開采煤層厚度等因素，合理確定地面工程保護(hù)煤柱的范圍，既保護(hù)了敏感目標(biāo)，又大大解放了“三下”壓煤量，使保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)更加合理。

保護(hù)煤柱；垂直剖面法；矩形分塊；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

早在十九世紀(jì)初，人們就著手研究留設(shè)保護(hù)煤柱來減小地下開采引起的地表變形對建(構(gòu))筑物的損害，各國學(xué)者也相繼取得了豐碩的研究成果[1]。但目前，留設(shè)保護(hù)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(hù)煤柱邊界，傳統(tǒng)方法增大了保護(hù)煤柱壓煤量，造成了煤炭資源的巨大浪費(fèi)，如垂直斷面法、垂線法、數(shù)字標(biāo)高投影法等，這些方法僅僅用了主斷面上或少數(shù)幾個(gè)斜向斷面上的移動角值，致使建(構(gòu))筑物角點(diǎn)處滯留過大的煤柱，并且，隨著煤層傾角的增大，角點(diǎn)多余煤柱急劇增加，復(fù)雜情況下甚至使保護(hù)煤柱的留設(shè)較為困難[2]，為此，筆者經(jīng)過大量的文獻(xiàn)檢索，在保護(hù)煤柱的留設(shè)方法，尤其是保護(hù)煤柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了對應(yīng)的分析和研究，在保護(hù)地表建(構(gòu))筑物(群)的前提下，提出了利用矩形分塊垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱，并結(jié)合煤柱尺寸計(jì)算公式和角點(diǎn)煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，使保護(hù)煤柱留設(shè)的面積減小到最優(yōu)，進(jìn)而極大的釋放了壓煤量。

1 礦井概況

康保縣張紀(jì)井田面積2.4174 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(biāo)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(biāo)高+1388～+1509 m，相對高差121 m，區(qū)內(nèi)無水系發(fā)育。井田內(nèi)只有一層可采煤層，是煤系底部5#煤層，在井田內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jīng)采用GPS-RTK測量了村莊東邊界，與井上下對照圖進(jìn)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。可見，村莊房屋出現(xiàn)裂縫破壞的區(qū)域位于村莊中部，磚木結(jié)構(gòu)瓦房基礎(chǔ)為毛石壘砌基礎(chǔ)，未見水泥勾縫加固，為防止房屋進(jìn)一步遭到損害，需留設(shè)合理的保護(hù)煤柱。

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

2 煤柱留設(shè)與優(yōu)化

2.1 礦區(qū)已有資料

(1) 保護(hù)對象的特征和使用要求，礦區(qū)地質(zhì)條件及煤層埋藏條件；

(2) 圖紙資料，如井田地質(zhì)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(shè)保護(hù)煤柱

2.2.1 垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱

由礦井地質(zhì)剖面圖，煤層底板等高線圖和平面圖，村莊地質(zhì)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(hù)面積邊界

在礦區(qū)平面圖上，通過建筑群的最外角點(diǎn)，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(hù)標(biāo)準(zhǔn)在多邊形ABCDEFGHIJKL外緣再留10 m的圍護(hù)帶，得建筑群受護(hù)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(hù)面積邊界。

(2) 確定保護(hù)煤柱邊界

將建筑群受護(hù)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(nèi)由移動角Φ畫直線，在基巖內(nèi)由移動角γ、β、δ畫直線，作出建筑群保護(hù)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(hù)煤柱(平面圖)

圖2 受護(hù)面積邊界與走向平行或垂直時(shí)煤柱邊界的確定

根據(jù)煤層底板等高線圖和地面標(biāo)高確定村莊受護(hù)面積邊界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′各角點(diǎn)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(diǎn)的基巖層厚度Hj，進(jìn)而求出沿傾向(上山和下山)方向保護(hù)煤柱邊界到圍護(hù)帶角點(diǎn)的水平距離為[3]：

(1)

(2)

沿走向方向保護(hù)煤柱邊界到圍護(hù)帶角點(diǎn)的水平距離為：

(3)

其中，L上為上山方向煤柱邊界至圍護(hù)帶角點(diǎn)的水平距離，L下為下山方向煤柱邊界至圍護(hù)帶角點(diǎn)的水平距離，L走為走向方向煤柱邊界至圍護(hù)帶角點(diǎn)的水平距離。計(jì)算結(jié)果見表2所示：

表2 煤柱邊界距圍護(hù)帶角點(diǎn)距離計(jì)算

由表2計(jì)算結(jié)果，借助幾何投影方法作圖，保護(hù)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(jìn)行煤柱留設(shè)

基于礦井地表建筑物形狀復(fù)雜、數(shù)量眾多，可考慮將建筑群沿走向和傾向分成三個(gè)受護(hù)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(shè)煤柱[4]，各塊煤柱留設(shè)如圖3所示，再取各塊保護(hù)煤柱的最外(若保護(hù)等級低可取最內(nèi))邊界作為最終保護(hù)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(hù)煤柱

(2)中塊保護(hù)煤柱

(3) 下塊保護(hù)煤柱

圖3 各塊留設(shè)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(shè)保護(hù)煤柱的最終結(jié)果，與傳統(tǒng)垂直剖面法留設(shè)煤柱的結(jié)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(shè)保護(hù)煤柱邊界，而紅色多邊形為傳統(tǒng)垂直剖面法煤柱留設(shè)邊界，可知兩種方法留設(shè)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(zhuǎn)換成真面積，乘上煤層厚度求得保護(hù)煤柱節(jié)約的壓煤量，在生產(chǎn)實(shí)踐中采用矩形分塊垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱可以釋放大量的壓煤量，該方法是可行的。

3 角點(diǎn)區(qū)煤柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)踐認(rèn)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(diǎn)的壓煤量占整個(gè)壓煤量的比重較大，可對角點(diǎn)區(qū)保護(hù)煤柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。

圖4 矩形分塊留設(shè)保護(hù)煤柱示意圖

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

(1) 方案設(shè)計(jì)思想

采用垂直剖面法等方法可得到角點(diǎn)區(qū)保護(hù)煤柱范圍，以煤柱的一個(gè)角點(diǎn)為例，假設(shè)保護(hù)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(shí)角點(diǎn)兩側(cè)保護(hù)煤柱范圍相差不大，以O(shè)點(diǎn)為圓心，以O(shè)A為半徑畫弧，交OB于D，交BA于A點(diǎn)，交BC于C點(diǎn)，則建筑群角點(diǎn)保護(hù)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(shí)角點(diǎn)兩側(cè)保護(hù)煤柱范圍差別較大，總體以角點(diǎn)和保護(hù)煤柱交點(diǎn)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(hù)煤柱的邊界線交點(diǎn)C連線為準(zhǔn)，則村莊角點(diǎn)保護(hù)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(shè)結(jié)果對照圖

圖6 角點(diǎn)煤柱優(yōu)化原理

3.2 方案的具體應(yīng)用

依據(jù)角點(diǎn)區(qū)保護(hù)煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，在31505工作面的設(shè)計(jì)中，村莊角點(diǎn)多處遇到保護(hù)煤柱出現(xiàn)尖頭的形狀，且煤層為近水平煤層，對圖1角點(diǎn)煤柱進(jìn)行優(yōu)化(同理可對圖4等進(jìn)行優(yōu)化)[6]，如圖7所示：

圖7 角點(diǎn)煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)井原煤柱留設(shè)方案[7]，圓角包圍區(qū)域?yàn)榻屈c(diǎn)煤柱優(yōu)化后邊界，兩邊界線角點(diǎn)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(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際礦區(qū)地質(zhì)資料，研究分析了：

(1) 提出了建筑群下保護(hù)煤柱留設(shè)的新方法：矩形分塊垂直剖面法；

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

(3) 提出利用角點(diǎn)煤柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論減小了壓煤量，使保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)方案更趨于優(yōu)化合理。

[1] 湯伏全.基于地表變形預(yù)計(jì)的礦區(qū)保護(hù)煤柱留設(shè)方法[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，3(29)：313-316.

[2] 魏峰遠(yuǎn)，陳俊杰，鄒友峰.垂直剖面法保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的解析模型[J] .煤炭學(xué)報(bào)，2008,3 (33) :256-258.

[3] 談生容， 熊和平，等.保護(hù)煤柱計(jì)算方法的探討[J] .江西煤炭科技，2007(2)：80-81.

[4] 李金貴.建筑物下采煤保護(hù)煤柱寬度留設(shè)研究[J].煤炭工程，2014，4(46)：1-4.

[5] 賈林剛，馮焱.預(yù)計(jì)法留設(shè)建筑物保護(hù)煤柱[J].煤炭工程，2016，12(48)：10-14.

[6] 陳俊杰，郭延濤，郭文兵.采動區(qū)建筑物下保護(hù)煤柱開采優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J] .河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012, 5(31)：507-511.

[7] 劉秀鋒.煤礦三下開采煤柱留設(shè)研究與應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2015，12：164-167.

[8] 莊寶發(fā).應(yīng)用垂直剖面法圈定保護(hù)煤柱邊界[J] .中國西部科技，2009：3-4.

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(xiàng)目(2016011014)

丁建闖(1982-)，男，河南駐馬店人，碩士，華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)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