石村矿村庄保护煤柱留设方法的对比研究

吴晓明

（华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000）

石村矿村庄保护煤柱留设方法的对比研究

吴晓明

（华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000）

摘 要保护煤柱是指专门留设在井下不予采出的、目的是保护其上方岩层内部和地表的保护对象不受开采影响的煤炭资源。保护煤柱的留设方法主要有两种：垂直断面法和垂线法。选择合理的留设方法对高效利用煤炭资源、保障煤矿生产安全有重要意义。本文以石村矿村庄保护煤柱的留设为例，对垂直断面法和垂线法进行压煤量对比，确定该矿村庄保护煤柱设计所选用的垂线法是比较合理的留设方法，以最少的压煤量保证了矿井的安全生产。

关键词保护煤柱；留设方法；对比

石村矿井田范围内查明的村庄及工业厂地中包含有常德洗煤厂，2013年5月26日石村矿利用GPS测量仪对洗煤厂进行了实地测量，并将测得的坐标点逐一上图，确定了井田范围内洗煤厂范围。

为了保证矿井能够安全生产，避免因地下采矿引发的房屋裂缝、倒塌等威胁居民生命财产安全的地质灾害发生，石村矿于2014年7月对保护煤柱进行了设计，确定了4个村庄和常德洗煤厂的受保护范围，计算了保护煤柱所占用的煤炭储量。石村矿所用的保护煤柱留设方法是垂线法，通过对矿井垂直剖面法和垂线法留设保护煤柱进行比较，选择最优的留设方法。下面以常德洗煤厂保护煤柱的留设为例，分别用垂直剖面法和垂线法计算保护范围，确定能以最少的压煤量保证矿井安全生产的方法。

1　保护煤柱留设

1.1保护煤柱设计参数

1）移动角。

正确选取移动角是保护煤柱设计的关键。移动角是指在充分采动或接近充分采动的条件下，主断面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在煤柱一侧所夹的角。

我国主要矿区的校动角值见表1.

表1　我国主要矿区的校动角值表

根据表1，该地区所开采2＃煤层属于石炭二叠系山西组，覆岩煤层大部分为厚砂岩、砂页岩，倾角0～10°，故取岩层基岩移动角δ＝γ＝72°，β＝72°（α＜10°），表土层移动角ψ＝45°.

2）维护带。

为了保护建筑物、构筑物的安全，被保护的面积除了建筑物和构筑物本身所占有的面积之外，还留有围护带。根据1985年煤炭工业部颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定：建筑物、构筑物分为4级，见表2.

表2　建筑物和构筑物的保护等级表

常德洗煤厂的保护等级为Ⅱ级，围护带宽度为15 m.

3）常德洗煤厂边界拐点及标高。

常德洗煤厂分布状况经测量确定4个拐点，坐标及标高见表3.

表3　常德洗煤厂边界拐点坐标表

常德洗煤厂拐点圈定范围长为450 m，宽为202 m，地面标高1 452～1 432 m，选煤厂中心处煤层底板标高为930 m，即中心处煤层埋藏深度为H0＝510 m，其长轴方位角为51°，煤层走向为20°，煤层厚度为3.5 m，煤层倾角为α＝8°，煤的容重为1.4 t／m3，表土层厚度为15 m，基岩移动角δ＝γ＝72°，β＝72°，松散层移动角ψ＝45°.

1.2垂直剖面法留设保护煤柱

1）确定受保护面积。

垂直剖面法留设保护煤柱示意图见图1.

如图1所示，首先作常德洗煤厂平面图，使洗煤厂的长轴与煤层走向夹角为51°－20°＝31°，然后绘制洗煤厂的轮廓a、b、c、d，过洗煤厂的轮廓点作平行于煤层走向和倾向的外切矩形a＇b＇c＇d＇，在矩形a＇b＇c＇d＇的外缘再加15 m宽的围护带，得矩形ABCD，即为所要确定的保护面积。

图1　垂直剖面法留设保护煤柱示意图

2）确定保护煤柱边界。

如图1所示，通过受保护面积的中心作一垂直于走向的断面Ⅰ－Ⅰ，在该断面上，从被保护面积的边界点m1和n1起，在表土层内按ψ＝45°作斜线至基岩表面，得交点m2和n2；然后再按基岩移动角，在基岩中沿下山方向和上山方向分别以移动角γ＝72°和β＝72°作斜线交煤层于点m＇和k＇，即为保护煤柱的下部和上部边界。

同样，在平行于煤层走向断面Ⅱ－Ⅱ及Ⅱ＇－Ⅱ＇上，按ψ＝45°和移动角δ＝72°作斜线，求得沿走向断面的煤柱边界A＇B＇C＇D＇，依次将两断面上的煤柱边界转绘到平面图上，得到梯形EFGH，即为保护煤柱的平面图。

1.3垂线法留设保护煤柱

垂线法留设保护煤柱示意图见图2.

图2　垂线法留设保护煤柱示意图

1）确定受护面积。

如图2所示，在常德洗煤厂平面图上，做保护对象轮廓的围护带（取15 m），得到受保护面积边界abcd.

2）确定保护煤柱。

将abcd绘在煤层底板等高线图上，确定守护边界abcd向外量出距离S＝h cotψ＝15cot45°＝15 m（式中h为表土层厚度，ψ为松散层移动角），得到基岩面上受保护边界a′、b′、c′、d′.

在图2上确定a′、b′、c′、d′点的煤层埋藏深度，并减去表土层厚度得：

H a′＝1 432－928－15＝489 m

H b′＝1 432－922－15＝495 m

H c′＝1 447－908－15＝524 m

H d′＝1 452－920－15＝517 m

从a′、b′、c′、d′向外作各边界的垂线，得q1、q2、l1、l2、l3、l4、l5、l6，各垂线的煤层上山方向垂线长度q，煤层下山方向垂线长度l，按下式计算：

q＝H ctgβ′／（1＋ctgβ′cosθtgα）

l＝H ctgγ′／（1－ctgγ′cosθtgα）

式中：α—煤层倾角；

H—a′、b′、c′、d′各点的煤层埋藏深度减去该点的表土层厚度h，此值上面已经确定；

θ—各受保护边界与煤层走向所夹的锐角，围护带边界与煤层走向线之间所夹的锐角分别为abθ＝88°、bcθ＝21°、cdθ＝46°、daθ＝38°；

β′、γ′—所做各垂线方向（伪倾斜方向）的下山和上山移动角，可按下式计算：

ctgβ′＝（ctg2βcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

ctgγ′＝（ctg2γcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

式中：γ、β、δ—矿区采用的移动角。

本次计算中，γ＝β＝δ＝72°，故：

ctgβ′＝（ctg2βcos2θ＋ctg2δsin2θ）1／2

＝（ctg2β（cos2θ＋sin2θ））1／2

＝ctgβ

得出：β′＝β＝γ＝δ＝72°

同理：γ′＝β＝γ＝δ＝72°

根据上述起始数据代入公式计算各垂线的q、l值：

l1＝（489 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos88°tg8°）＝

159.140m

l2＝（489 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos38°tg8°）＝

164.817m

q2＝（495 m×ctg72°）／（1＋ctg72°cos88°tg8°）＝

160.579m

l6＝（495 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos21°tg8°）＝

167.997m

l5＝（524 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos21°tg8°）＝

177.840m

l4＝（524 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos46°tg8°）＝

175.836m

l3＝（517 m×ctg72°）／（1－ctg72°cos46°tg8°）＝

173.486m

q1＝（517 m×ctg72°）／（1＋ctg72°cos38°tg8°）＝

162.148m

在各垂线上分别截取上面计算得的相应长度，将各端点相连并延长相交，得四边形ABCD，即为所留煤柱的平面投影。

2　保护煤柱压煤量计算

保护煤柱的压煤量Q可通过下式计算：

Q＝体积×容重＝A平·M·R／cosα

式中：A平—保护煤柱在平面图上的投影面积；

M—煤层的厚度；

R—煤的容重；

α—煤层的倾角；

所以，垂直剖面法保护煤柱的压煤量Q1：

Q1＝571 455.767 8×3.5×1.4／cos8°＝2 827 651.775 t

垂线法保护煤柱的压煤量Q2：

Q2＝457 503.642 1×3.5×1.4／cos8°＝2 263 798.642 t

3　结 论

通过计算得出垂线法留设的保护煤柱压煤量Q2比垂直剖面法留设的保护煤柱压煤量Q1少了563 853.133 t.

因此，石村矿村庄保护煤柱设计所选用的垂线法能够以最少的压煤量保证矿井安全生产，是比较合理的留设方法。

参 考 文 献

［1］ 于喜东.矿山测量工［M］.北京：煤炭工业出版社，2005：370－375

［2］ 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2000：271－275.

中图分类号：TD173

文献标识码：B

文章编号：1672－0652（2015）02－0043－04

收稿日期：2015－01－09

作者简介：吴晓明（1986—），男，山西吕梁人，2010年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿地测防治水方面的工作（E－mail）hjjmdcc＠163.com

Comparative Study on Design Method of Village Protective Coal Pillar in Shicun Coal Mine

WU Xiaoming

AbstractProtective coal pillar is the coal resources that specially unexploited，to avoid the above coal strata inner and the object on surface affected by mining.Design method of protective coal pillar mainly has two kinds that are vertical section method and normal line method.It is important of choosing the reasonable design method to efficiently use coal resources and ensure coal mine safety production.The design of Shicun coal mine village protection coal pillar is as the example，contrasts the coal pressed of vertical section method and normal line method.It provides the basis for reasonable selection design method.

Key wordsProtective coal pillar；Design method；Comparison