辛志強(qiáng)

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

采礦引起的巖層與地表移動，使位于其影響范圍內(nèi)的地面建筑物遭受不同程度的破壞，而大部分煤礦處于山區(qū)，山區(qū)村莊房屋的建設(shè)并不規(guī)則，地面村莊壓覆給井工礦井開采開拓布局帶來極大影響。傳統(tǒng)的礦井設(shè)計中，將許多不規(guī)則多邊形簡化為四邊形，留設(shè)的煤柱呈規(guī)則形狀，導(dǎo)致實際留設(shè)煤柱過多或過少，達(dá)不到防護(hù)效果，造成資源浪費。如何科學(xué)合理的留設(shè)保護(hù)煤柱，為企業(yè)做出合理搬遷規(guī)劃及后期塌陷治理指導(dǎo)，達(dá)到防護(hù)要求，避免資源浪費，具有現(xiàn)實意義[1-4]。

1 概 況

磁窯溝煤礦井田面積10.622 7 km2，批準(zhǔn)開采8-14號煤層，開采深度1 100～780 m。礦井行政區(qū)劃隸屬河曲縣鹿固鄉(xiāng)和巡鎮(zhèn)管轄，位于河?xùn)|煤田河曲、偏關(guān)礦區(qū)內(nèi)的中東部。井田總體形態(tài)為一走向近南北向，傾向向西的單斜構(gòu)造，并伴有寬緩的褶曲，地層傾角1°～9°，井田內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)破壞煤層的斷層。井田內(nèi)地層由老至新依次為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、第三系上新統(tǒng)（N2）、第四系中、上更新統(tǒng)（Q2+3）。10-2#煤層厚1.40～11.98 m，平均厚度5.82 m，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤質(zhì)相對較好，屬長焰煤。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖，該煤層在井田東部有部分剝蝕區(qū)。10-2號煤層垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶可達(dá)地表。

2 保護(hù)煤柱留設(shè)影響因素

為了保護(hù)地面某些建筑物，需要按建筑物的重要性、用途及受開采影響引起的不同后果，留設(shè)保安煤柱，其實質(zhì)是根據(jù)已掌握的地表移動規(guī)律，在煤層層面上圈定一個保護(hù)煤柱的邊界，使開采的影響不波及到需要保護(hù)的范圍。以往實測資料及理論研究已證實，影響煤柱留設(shè)的因素如下[5-7]。

（1）上覆巖層巖性。上覆巖層的巖性及其堅硬強(qiáng)度會對煤柱的強(qiáng)度造成影響，一般來說，上覆巖層中堅硬巖石占比高，所留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度越小，松散層厚度越大，造成的軟巖占比會急劇上升，所需留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度就會越大。

（2）煤柱強(qiáng)度。煤柱強(qiáng)度不僅與煤柱的力學(xué)性質(zhì)、煤柱內(nèi)的弱面、頂?shù)装鍘r性和煤柱側(cè)向內(nèi)里應(yīng)力等因素有關(guān)，而且與煤柱長度、寬度和高度等因素有密切關(guān)系。

（3）開采深度。在相同的地質(zhì)條件下，地表巖移變形值與采深成正比，采深越大，變形值越小，當(dāng)達(dá)到一定深度時，采礦活動就不會對地表構(gòu)筑物造成影響。

（4）開采煤層厚度。在相同的地質(zhì)采礦條件下，開采煤層厚度越大，地表巖移形變值就越大，變形過程更劇烈，影響范圍就越大，相應(yīng)的保護(hù)煤柱尺寸就要求越大。

（5）煤層傾角。煤層傾角不同，將會影響巖層的受力狀態(tài)和應(yīng)力集中程度，上覆巖層移動形式、破壞分布狀態(tài)等特征也就不同。煤層傾角增大，會造成地表巖移急劇向下山方向擴(kuò)張。

3 村莊保護(hù)煤柱的留設(shè)方法

在一些條件下，井田范圍內(nèi)村莊不搬遷或就地重建等方式在技術(shù)上不可能或經(jīng)濟(jì)上不合理，因此在礦井設(shè)計時應(yīng)規(guī)劃村莊保護(hù)煤柱[1]。留設(shè)保護(hù)煤柱是確保建筑物、構(gòu)筑物、水體等不受煤礦開采影響的最有效方法。保護(hù)煤柱留設(shè)的方法有垂直剖面法、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)高投影法用于設(shè)計延伸形建（構(gòu)）筑物或基巖面標(biāo)高變化較大情況下的保護(hù)煤柱，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；垂線法是一種解析方法，是把解釋方法和作圖法結(jié)合起來確定保護(hù)煤柱邊界。垂直剖面法和數(shù)字標(biāo)高投影法的作圖工作都比較繁瑣，相對而言，垂線法作圖工作簡便，較適宜于在計算機(jī)上作圖[8]。本文以磁窯溝煤礦為例，利用垂線法對井田范圍內(nèi)的東山梁村保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸進(jìn)行計算。

3.1 確定受保護(hù)范圍邊界

根據(jù)東山梁村地面建筑物位置和范圍，在平面圖上確定受護(hù)邊界為以1～12號點形成的不規(guī)則12邊型，如圖1（a）所示。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，按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)建筑物保護(hù)等級分為五級。東山梁村主要建筑物為磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房、村莊房屋等，應(yīng)按照三級保護(hù)等級進(jìn)行煤柱設(shè)計，圍護(hù)帶寬度為10 m。按保護(hù)等級平行于保護(hù)對象的輪廓線外推10 m留設(shè)圍護(hù)帶，可得到受護(hù)范圍邊界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′，如圖1（b）所示。

3.2 確定松散層保護(hù)邊界

東山梁村附近施工了ZK2地質(zhì)鉆孔，根據(jù)揭露情況及地表調(diào)查，村莊所在地段由第四系覆蓋，松散層厚度約為25 m。本區(qū)域所處為河?xùn)|煤田，開采的10-2號煤層屬于石炭二疊系上統(tǒng)太原組，覆巖大部分為厚砂巖、砂頁巖，傾角在1°～9°，平均為5°。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路與主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》提供的河?xùn)|（二疊系）地表移動實測數(shù)據(jù)，設(shè)計保護(hù)煤柱時選用以下移動角：β=62°、γ=74°、δ=68°、φ=45°，β、γ、δ分別為下山、上山、走向方向的巖層移動角，φ為松散層移動角[10]。

在受護(hù)范圍邊界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′向外量一段距離S，得出松散層保護(hù)邊界。S由式（1）計算：

式中：S為松散層保護(hù)邊界寬度，m；h為松散層厚度，m；φ為松散層移動角，（°）。

通過計算，得出S=25 m，在受護(hù)范圍邊界外推25 m劃出多邊形，即為東山梁村的松散層保護(hù)邊界，如圖1（c）所示。

圖1 東山梁村受護(hù)范圍邊界Fig.1 Boundary of the scope of protectionin Dongshanliang Village

3.3 計算垂線長度

東山梁村保護(hù)邊界地表實測標(biāo)高為1 064—1 096 m，按照已揭露高程修訂的煤層底板標(biāo)高為912—938 m，下方煤層埋深為127～183 m。由A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L各點分別做線段AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HI、IJ、JK、KL、LA的垂線，煤柱在煤層上山方向垂線長度q和下山方向垂線l按式（2）、式（3）計算：

在松散層內(nèi)采用松散層移動角φ畫直線，在基巖內(nèi)側(cè)則分別以斜交剖面移動角β′、γ′代替移動角β、γ，斜交剖面移動角按式（4）、式（5）計算：

式中：h為松散層厚度，m；H為煤層到地表的垂深（從受護(hù)邊界起在松散層中以角作直線與基巖面相交；H值為過此交點的煤層深度），m；α為煤層傾角，（°）；θ為圍護(hù)帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角，（°）；γ′、β′為分別為上山、下山方向的斜交剖面移動角，（°）。

在計算垂線時，還需要考慮山體受采動滑移附加變形對受護(hù)建筑物的影響，經(jīng)過對東山梁村保護(hù)煤柱邊界的預(yù)算，受護(hù)邊界至煤柱邊界范圍內(nèi)的地表平均坡度均大于15°，所以在本次計算時，在已選擇巖層移動角的基礎(chǔ)上，建筑物上坡方向（對應(yīng)下山方向）移動角減小7°，建筑物下坡方向（對應(yīng)上山方向）移動角減小3°。修正后，下山方向巖層移動角β=55°，上山方向巖層移動角γ=71°。

為了提升垂線計算速度和減少錯誤，考慮使用Excel軟件進(jìn)行計算[10]。參與計算的角度系統(tǒng)均默認(rèn)為弧度，所以，需要將下山方向巖層移動角β、上山方向巖層移動角γ、走向方向移動角δ，圍護(hù)帶邊界與煤層走向線所夾的銳角θ，煤層傾角α，全部按（角度*n/180）轉(zhuǎn)換成弧度，在表格中為β1、γ1、δ1、θ1、α1。根據(jù)式（2）、式（3）、式（4）、式（5）進(jìn)行垂線q或l計算，結(jié)果見表1。

3.4 確定保護(hù)煤柱邊界

在各垂線上，按比例尺分別截取各垂線段的計算長度，用直線分別連接垂線各端點，即為保護(hù)煤柱邊界。按照表1計算結(jié)果，分別在各垂線上按比例量取或值，得到A11、A12、B13、B14、C15、C16、D17、D18、E19、E20、F21、F22、G23、G24、H25、H26、I27、I28、J29、J30、K31、K32、L33、L34垂線段，用直線分別為連接A12和B13、B14和C15、C16和D17、D18和E19、E20和F21、F22和G23、G24和H25、H26和I27、I28和J29、J30和K31、K32和L33、L34和A11，使垂線各端點相交即可得到保護(hù)煤柱邊界。在垂線連接過程中，B14、G23、H25、I27、K32小于相鄰垂線端點連接長度，為了保證保護(hù)煤柱符合垂線計算結(jié)果，采用相鄰各點的最大垂線長度進(jìn)行垂線端點連接，得到多邊形A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′，即為東山梁村保護(hù)煤柱邊界，如圖2所示。

表1 垂線長度q、l計算結(jié)果Table 1 Vertical length,calculation results

圖2 東山梁村保護(hù)煤柱邊界Fig.2 Boundary of protective coal pillar in Dongshanliang village

4 結(jié) 語

通過分析村莊保護(hù)煤柱留設(shè)的影響因素，結(jié)合磁窯溝煤礦地表地形及井下煤層走向、傾向等實際情況，采用垂線法對東山梁村進(jìn)行保護(hù)煤柱的留設(shè)，東山梁村保護(hù)煤柱寬度與村莊邊界范圍在91～116 m，根據(jù)計算結(jié)果留設(shè)保護(hù)煤柱對煤礦的安全生產(chǎn)和資源保護(hù)具有一定的指導(dǎo)作用。經(jīng)過理論研究和實例計算，垂線法在礦井保護(hù)煤柱留設(shè)方法中較為簡便，在能夠保障礦井安全開采的同時，能夠減少壓煤損失，最大限度避免資源浪費，利用垂線法進(jìn)行礦井村莊保護(hù)煤柱留設(shè)是比較合理的方法。