复杂建筑群下煤柱留设的优化设计研究

丁建闯，赵亚红，刘小阳

(1.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 101601；2.防灾科技学院 防灾工程系，北京 东燕郊 101601)

复杂建筑群下煤柱留设的优化设计研究

丁建闯1，赵亚红1，刘小阳2

(1.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 101601；2.防灾科技学院 防灾工程系，北京 东燕郊 101601)

为解决建筑群下压煤问题，针对现有矿区保护煤柱留设方法的局限性，提出利用矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱，并结合实际地质采矿条件，给出了煤柱尺寸的计算公式，提出了角点煤柱的优化设计理论。研究表明，这两种方法可依据受护对象的保护等级和开采煤层厚度等因素，合理确定地面工程保护煤柱的范围，既保护了敏感目标，又大大解放了“三下”压煤量，使保护煤柱的设计更加合理。

保护煤柱；垂直剖面法；矩形分块；优化设计

0 引言

早在十九世纪初，人们就着手研究留设保护煤柱来减小地下开采引起的地表变形对建(构)筑物的损害，各国学者也相继取得了丰硕的研究成果[1]。但目前，留设保护煤柱的研究主要集中于通过松散层和基岩移动角参数来划定保护煤柱边界，传统方法增大了保护煤柱压煤量，造成了煤炭资源的巨大浪费，如垂直断面法、垂线法、数字标高投影法等，这些方法仅仅用了主断面上或少数几个斜向断面上的移动角值，致使建(构)筑物角点处滞留过大的煤柱，并且，随着煤层倾角的增大，角点多余煤柱急剧增加，复杂情况下甚至使保护煤柱的留设较为困难[2]，为此，笔者经过大量的文献检索，在保护煤柱的留设方法，尤其是保护煤柱的优化设计方面进行了对应的分析和研究，在保护地表建(构)筑物(群)的前提下，提出了利用矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱，并结合煤柱尺寸计算公式和角点煤柱优化设计理论，使保护煤柱留设的面积减小到最优，进而极大的释放了压煤量。

1 矿井概况

康保县张纪井田面积2.4174 km2，设计生产能力为6万t/a，采用一对斜井单水平上下山开采，开采水平标高为+1100 m，目前开采延深水平超过+900 m。矿区地势东高西低，东部为丘陵，西部为平地，地面标高+1388～+1509 m，相对高差121 m，区内无水系发育。井田内只有一层可采煤层，是煤系底部5#煤层，在井田内大部分可采，煤层厚度0.60～6.07 m，平均厚度2.83 m，属薄-中厚稳定煤层。

矿区内村庄联系紧密、交通便利，村庄位于井田西边界上方，村庄房屋数量较多，以土坯和砖木结构瓦房为主，为一定规模的建筑群，且已出现不同程度的损坏，最大裂缝宽度20 mm。经采用GPS-RTK测量了村庄东边界，与井上下对照图进行核对，村庄房屋距31505开采工作面最近距离为163 m，村庄下煤层最小埋藏深度为410 m。可见，村庄房屋出现裂缝破坏的区域位于村庄中部，砖木结构瓦房基础为毛石垒砌基础，未见水泥勾缝加固，为防止房屋进一步遭到损害，需留设合理的保护煤柱。

为减少村庄压煤量，加大煤炭回收，提高经济效益，经研究决定矿区31505工作面回采至保护煤柱边界线时需停采撤出，这样31505工作面后155 m部分进入村庄保护煤柱，能否在建筑群下成功留设形状、尺寸适宜的保护煤柱，将村庄建筑群即控制在允许变形范围(值)之内，又尽可能多地回收煤炭资源，是此次煤柱设计的关键。

2 煤柱留设与优化

2.1 矿区已有资料

(1) 保护对象的特征和使用要求，矿区地质条件及煤层埋藏条件；

(2) 图纸资料，如井田地质剖面图，煤层底板等高线图，井上下对照图等；

(3) 矿区地表移动参数。

2.2 矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱

2.2.1 垂直剖面法留设保护煤柱

由矿井地质剖面图，煤层底板等高线图和平面图，村庄地质条件及冲积层和基岩移动角值见表1：

表1 煤层及基岩移动角参数

(1) 确定受护面积边界

在矿区平面图上，通过建筑群的最外角点，分别作与煤层走向、倾向平行的直线，得建筑群边界即多边形ABCDEFGHIJKL；按III级保护标准在多边形ABCDEFGHIJKL外缘再留10 m的围护带，得建筑群受护面积边界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′，如图1所示：

图1中，多边形ABCDEFGHIJKL为建筑群边界，多边形A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′为建筑群受护面积边界。

(2) 确定保护煤柱边界

将建筑群受护面积边界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′简化为矩形ABCD，过该矩形中心作煤层倾向剖面图和走向剖面图，在松散层(冲积层)内由移动角Φ画直线，在基岩内由移动角γ、β、δ画直线，作出建筑群保护煤柱边界，如图2所示：

其中，h为松散层厚度，H为松散层与基岩接触面至煤层高度，γ为上山移动角，β为下山移动角，δ为走向移动角，Φ为松散层移动角(本文字母含义均相同)。

图1 建筑群保护煤柱(平面图)

图2 受护面积边界与走向平行或垂直时煤柱边界的确定

根据煤层底板等高线图和地面标高确定村庄受护面积边界A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′各角点煤层的埋藏深度Hi，煤层埋藏深度减去松散层厚度h=10 m，可求出各角点的基岩层厚度Hj，进而求出沿倾向(上山和下山)方向保护煤柱边界到围护带角点的水平距离为[3]：

(1)

(2)

沿走向方向保护煤柱边界到围护带角点的水平距离为：

(3)

其中，L上为上山方向煤柱边界至围护带角点的水平距离，L下为下山方向煤柱边界至围护带角点的水平距离，L走为走向方向煤柱边界至围护带角点的水平距离。计算结果见表2所示：

表2 煤柱边界距围护带角点距离计算

由表2计算结果，借助几何投影方法作图，保护煤柱范围见图1多边形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"所示。

2.2.2 利用矩形分块垂直剖面法对建筑群进行煤柱留设

基于矿井地表建筑物形状复杂、数量众多，可考虑将建筑群沿走向和倾向分成三个受护面积边界，即对图1中建筑群分为上、中、下三块，对每块建筑群分别用垂直剖面法留设煤柱[4]，各块煤柱留设如图3所示，再取各块保护煤柱的最外(若保护等级低可取最内)边界作为最终保护煤柱边界，如图4多边形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"所示。

(1) 上块保护煤柱

(2)中块保护煤柱

(3) 下块保护煤柱

图3 各块留设煤柱示意图

图4中多边形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"为矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱的最终结果，与传统垂直剖面法留设煤柱的结果对照如图5所示：

其中，黄色多边形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"为矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱边界，而红色多边形为传统垂直剖面法煤柱留设边界，可知两种方法留设的煤柱大小在走向和下山方向相差较大。在平面图上可将变化的面积转换成真面积，乘上煤层厚度求得保护煤柱节约的压煤量，在生产实践中采用矩形分块垂直剖面法留设保护煤柱可以释放大量的压煤量，该方法是可行的。

3 角点区煤柱的优化设计

实践认为，矿区压煤量一般占矿井可采储量的1/10～3/10，图1中建筑群角点的压煤量占整个压煤量的比重较大，可对角点区保护煤柱进行优化设计[5]。

图4 矩形分块留设保护煤柱示意图

3.1 优化设计方案

(1) 方案设计思想

采用垂直剖面法等方法可得到角点区保护煤柱范围，以煤柱的一个角点为例，假设保护煤柱范围为四边形OABC，如图6所示。

(2) 在水平或缓倾斜煤层中(煤层倾角α≤15°)

此时角点两侧保护煤柱范围相差不大，以O点为圆心，以OA为半径画弧，交OB于D，交BA于A点，交BC于C点，则建筑群角点保护煤柱的范围为扇形区域OADC，如图6所示。

(3) 在倾斜与急倾斜煤层中(煤层倾角15°<α≤55°或α>55°)

此时角点两侧保护煤柱范围差别较大，总体以角点和保护煤柱交点的连线OB为界，在大值区以长半径画弧交连线于D，在小值区以D和村庄边界线的延长线与保护煤柱的边界线交点C连线为准，则村庄角点保护煤柱的范围为扇形区域OAD与三角形区域ODC之和，如图6所示。

图5 两种煤柱留设结果对照图

图6 角点煤柱优化原理

3.2 方案的具体应用

依据角点区保护煤柱优化设计思想，在31505工作面的设计中，村庄角点多处遇到保护煤柱出现尖头的形状，且煤层为近水平煤层，对图1角点煤柱进行优化(同理可对图4等进行优化)[6]，如图7所示：

图7 角点煤柱优化设计示意图

图7中直角多边形A"B"C"D"E"F"G"H"I"J"K"L"边界线为康保矿张纪井原煤柱留设方案[7]，圆角包围区域为角点煤柱优化后边界，两边界线角点处所围范围即为建筑群下可采压煤量或安全可采区[8]。

4 结论

本文结合实际矿区地质资料，研究分析了：

(1) 提出了建筑群下保护煤柱留设的新方法：矩形分块垂直剖面法；

(2) 给出煤柱尺寸计算公式，实例说明在复杂建筑群下利用矩形分块垂直剖面法对煤柱留设的可行性；

(3) 提出利用角点煤柱的优化设计理论减小了压煤量，使保护煤柱的设计方案更趋于优化合理。

[1] 汤伏全.基于地表变形预计的矿区保护煤柱留设方法[J].西安科技大学学报，2009，3(29)：313-316.

[2] 魏峰远，陈俊杰，邹友峰.垂直剖面法保护煤柱设计的解析模型[J] .煤炭学报，2008,3 (33) :256-258.

[3] 谈生容， 熊和平，等.保护煤柱计算方法的探讨[J] .江西煤炭科技，2007(2)：80-81.

[4] 李金贵.建筑物下采煤保护煤柱宽度留设研究[J].煤炭工程，2014，4(46)：1-4.

[5] 贾林刚，冯焱.预计法留设建筑物保护煤柱[J].煤炭工程，2016，12(48)：10-14.

[6] 陈俊杰，郭延涛，郭文兵.采动区建筑物下保护煤柱开采优化设计研究[J] .河南理工大学学报，2012, 5(31)：507-511.

[7] 刘秀锋.煤矿三下开采煤柱留设研究与应用[J].能源与节能，2015，12：164-167.

[8] 庄宝发.应用垂直剖面法圈定保护煤柱边界[J] .中国西部科技，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

廊坊市科技局项目(2016011014)

丁建闯(1982-)，男，河南驻马店人，硕士，华北科技学院建筑工程学院讲师，研究方向：测绘工程与开采沉陷。E-mail：317729092@qq.com

TD325.2

A

1672-7169(2017)02-0007-08