王 維

（潞安集團(tuán)壽陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

1 工程概況

山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司所采煤層為15#煤，15#煤層平均埋藏深度290m，煤層傾角約2.5°，煤層厚度平均6.6m，容重為1.45t/m3。該礦井田北翼基本回采完畢，現(xiàn)進(jìn)行井田南翼回采工作面的初步設(shè)計，山底鋪村地處山西省壽陽縣城東25km處，壽、孟交接之地。井下位于井田內(nèi)的東南角，僅有一小部分位于該礦井田內(nèi)，此次保護(hù)的對象主要為井田內(nèi)村莊的面積，占地面積：29833m2。山底鋪村隸屬壽陽縣管轄，人口約2000人，不宜搬遷，需要對其進(jìn)行合理的保護(hù)煤柱留設(shè)。

2 保護(hù)煤柱的設(shè)計方法及參數(shù)

2.1 保護(hù)煤柱設(shè)計方法[1-2]

煤炭資源開采過后會形成采空區(qū)，為了保證采煤工作面的安全，大部分礦井均會采用自然垮落法管理頂板，即采空區(qū)上方的巖層會垮落下來充填采空區(qū)，因此會引起煤層覆巖和地表的移動，若采空區(qū)地表存在建筑物，則地面建筑物受到不同程度的破壞。為了避免地下煤炭資源開采影響到某些重要的地面構(gòu)筑物的安全運(yùn)行，需要在這些建筑物下方留設(shè)保護(hù)煤柱。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)現(xiàn)場具體的地表移動規(guī)律，在建筑物所對應(yīng)的煤層層面上圈定一定范圍的保護(hù)煤柱，使煤炭資源的開采影響不波及到需要保護(hù)的建筑。

目前我國煤礦村莊保護(hù)煤柱設(shè)計時常用的兩種方法分別是垂直剖面法和垂線法。垂直剖面法應(yīng)用圖解的方法進(jìn)行村莊保護(hù)煤柱的設(shè)計，第一步先畫出山底鋪村的平面圖并在其邊界加設(shè)維護(hù)帶得到受保護(hù)面積，第二步沿受保護(hù)面積的中心作一條垂直于煤層走向的斷面和平行于煤層走向的斷面，第三步在兩幅斷面圖上畫出各自保護(hù)煤柱的邊界，第四步將斷面圖中的保護(hù)煤柱邊界轉(zhuǎn)繪在平面圖上即可得到保護(hù)煤柱面積。垂線法應(yīng)用解析法進(jìn)行村莊保護(hù)煤柱的設(shè)計，第一步畫出加設(shè)維護(hù)帶的村莊受保護(hù)面積，第二步沿受保護(hù)面積的邊界作垂線，垂線的長度由對應(yīng)公式確定，第三步將每根具體長度的垂線末端相連，即可得到保護(hù)煤柱面積。本文通過上述兩種方法進(jìn)行山底鋪村保護(hù)煤柱的設(shè)計，對比后選擇較優(yōu)的方法進(jìn)行村莊煤柱的留設(shè)作業(yè)。

2.2 保護(hù)煤柱設(shè)計參數(shù)

為了能夠充分保護(hù)煤礦采空區(qū)地表建筑物的安全運(yùn)行，所設(shè)計保護(hù)煤柱面積在被保護(hù)建筑物本身面積之外，還應(yīng)加設(shè)與地表建筑物的保護(hù)等級對應(yīng)的維護(hù)帶。1985年煤炭工業(yè)部頒布的《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》中將構(gòu)筑物及建筑物的保護(hù)等級劃分為1、2、3、4，共四個等級，與之對應(yīng)的維護(hù)帶寬度分別為20m、15m、10m、5m。麥捷煤業(yè)山底鋪村的保護(hù)等級為2級，故選取維護(hù)帶寬度為15m。

移動角是指在煤層充分采動或接近充分采動時，開采邊界和主斷面上臨界變形值的點(diǎn)的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角。保護(hù)煤柱設(shè)計的關(guān)鍵是選取正確的移動角。表1為我國主要煤田的移動角值。

表1 我國主要煤田的移動角值

麥捷煤業(yè)所采15#煤層為石炭二疊系山西組，覆巖大部分為厚砂巖、砂頁巖。由表1可知，應(yīng)取表土移動角φ=45°，基巖移動角γ=β=δ=72°。

經(jīng)過實(shí)況測量山底鋪村最終確定5個拐點(diǎn)，坐標(biāo)分別為

A1（19698053.023，4208886.804），

A2(19698072.04，4208916.493），

A3（19698082.033,4208874.422），

A4（19698089.046，4208805.212）,

A5(19698060.012,4208695.857)，共 29833m2。

3 山底鋪村留設(shè)保護(hù)煤柱方法對比

3.1 垂線法計算保護(hù)煤柱[3]

1）圈定村莊邊界。在山底鋪村莊井上下平面對照圖上，在村莊外圍邊界外垂直加15m圍護(hù)帶寬度，即得到受保護(hù)范圍的邊界 B1、B2、B3、B4、B5 的連線。

2）圈定松散層移動邊界。山底鋪村區(qū)域松散層移動邊界的圈定由受保護(hù)范圍邊界各點(diǎn)松散層的厚度確定。本文松散層的厚度統(tǒng)一規(guī)定為15m，松散層移動角φ=45°。通過L=hctgφ可以計算出松散層移動垂線長為12.586m。在山底鋪保安煤柱受保護(hù)范圍的邊界上，從受保護(hù)范圍邊界各點(diǎn)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(diǎn)的直線與各相鄰兩邊的松散層移動邊界相交得到C1、C2、C3、C4、C5各點(diǎn)的連線即為松散層移動邊界。

3）圈定保安煤柱邊界。

D1（19698086.028，4209005.065）；

D2（19698230.062，4209044.924）；

D3（19698412.963，4208970.501）；

D4（19698512.681，4208758.248）；

D5（19698210.621，4208577.377）。

計算得出山底鋪村保護(hù)煤柱占15號煤層井田內(nèi)面積117900m2。山底鋪村保護(hù)煤柱范圍如圖1所示。

圖1 由垂線法所得山底鋪村保護(hù)煤柱范圍

4）壓煤量的計算。

3.2 垂直剖面法計算保護(hù)煤柱[4]

1）確定村莊等建筑受保護(hù)面積。

圖2為垂直剖面法圖解得保護(hù)煤柱示意圖。運(yùn)用垂直剖面法計算保護(hù)煤柱范圍時應(yīng)首先畫出山底鋪村的平面圖，使山底鋪村的長軸與煤層走向的夾角為31°，在此基礎(chǔ)上畫出山底鋪村的輪廓 a、b、c、d，接下來過村莊輪廓點(diǎn)a、b、c、d作平行于煤層傾向和走向的外切矩形a"b"c"d"，并且在外切矩形a"b"c"d"的外邊緣加15m寬的維護(hù)帶，最終得到矩形ABCD，矩形ABCD的面積即為山底鋪村最終確定的受保護(hù)面積。

圖2 垂直剖面法圖解得保護(hù)煤柱示意圖

2）村莊保護(hù)煤柱邊界的確定。

沿受保護(hù)面積的中心作垂直于煤層走向的斷面Ⅰ-Ⅰ，然后在斷面圖Ⅰ-Ⅰ上的受保護(hù)面積的邊界點(diǎn)m1和n1起按照表土層移動角φ=45°作斜線至基巖表面，得到交點(diǎn)m2和n2，即為保護(hù)煤柱的上邊界；接著在基巖中按照下山方向基巖移動角γ=72°和上山方向基巖移動角β=72°作斜線，得到與煤層的交點(diǎn)m"和k"，即為保護(hù)煤柱的下邊界。

在平行于煤層走向的斷面Ⅱ-Ⅱ中，按照表土層移動角φ=45°作斜線至基巖表面，接著在基巖中按照基巖移動角δ=72°作斜線，得到沿走向方向斷面的保護(hù)煤柱邊界A"B"C"D"，將Ⅰ-Ⅰ斷面圖及Ⅱ-Ⅱ斷面圖中的保護(hù)煤柱邊界轉(zhuǎn)繪在平面圖上，即可計算得出山底鋪村保護(hù)煤柱占15號煤層井田內(nèi)面積為梯形EFGH的面積，約136900m2。

3）壓煤量的計算。

綜上：通過對比分析計算得出垂線法留設(shè)山底鋪村保護(hù)煤柱面積為117900m2，最終壓煤量為1129000t，而垂直剖面法留設(shè)山底鋪村保護(hù)煤柱面積為136800m2，最終壓煤量為1563000t。即垂線法留設(shè)的村莊保護(hù)煤柱壓煤量比垂直剖面法留設(shè)的村莊保護(hù)煤柱的面積減少了18900m2，壓煤量減少了434000t。因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮，在保證村莊安全的前提下，應(yīng)選取垂線法留設(shè)山底鋪村的保護(hù)煤柱。

4 結(jié) 論

麥捷煤業(yè)有限公司目前進(jìn)行山底鋪村保護(hù)煤柱的設(shè)計。為了更好的利用煤炭資源，需要在保護(hù)煤柱面積能夠充分有效的保護(hù)建筑物的同時又能盡可能的減少村莊建筑物保護(hù)煤柱的壓煤量。本文通過垂線法和垂直剖面法分別計算山底鋪村保護(hù)煤柱的留設(shè)面積及壓煤量，最終得出垂線法更適合山底鋪村保護(hù)煤柱的設(shè)計，最終設(shè)計山底鋪村保護(hù)煤柱面積為117900m2，壓煤量為 11.29 萬 t。