麦捷煤业山底铺村合理保护煤柱留设方法浅析

王 维

（潞安集团寿阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 045400）

1 工程概况

山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司所采煤层为15#煤，15#煤层平均埋藏深度290m，煤层倾角约2.5°，煤层厚度平均6.6m，容重为1.45t/m3。该矿井田北翼基本回采完毕，现进行井田南翼回采工作面的初步设计，山底铺村地处山西省寿阳县城东25km处，寿、孟交接之地。井下位于井田内的东南角，仅有一小部分位于该矿井田内，此次保护的对象主要为井田内村庄的面积，占地面积：29833m2。山底铺村隶属寿阳县管辖，人口约2000人，不宜搬迁，需要对其进行合理的保护煤柱留设。

2 保护煤柱的设计方法及参数

2.1 保护煤柱设计方法[1-2]

煤炭资源开采过后会形成采空区，为了保证采煤工作面的安全，大部分矿井均会采用自然垮落法管理顶板，即采空区上方的岩层会垮落下来充填采空区，因此会引起煤层覆岩和地表的移动，若采空区地表存在建筑物，则地面建筑物受到不同程度的破坏。为了避免地下煤炭资源开采影响到某些重要的地面构筑物的安全运行，需要在这些建筑物下方留设保护煤柱。其实质是根据现场具体的地表移动规律，在建筑物所对应的煤层层面上圈定一定范围的保护煤柱，使煤炭资源的开采影响不波及到需要保护的建筑。

目前我国煤矿村庄保护煤柱设计时常用的两种方法分别是垂直剖面法和垂线法。垂直剖面法应用图解的方法进行村庄保护煤柱的设计，第一步先画出山底铺村的平面图并在其边界加设维护带得到受保护面积，第二步沿受保护面积的中心作一条垂直于煤层走向的断面和平行于煤层走向的断面，第三步在两幅断面图上画出各自保护煤柱的边界，第四步将断面图中的保护煤柱边界转绘在平面图上即可得到保护煤柱面积。垂线法应用解析法进行村庄保护煤柱的设计，第一步画出加设维护带的村庄受保护面积，第二步沿受保护面积的边界作垂线，垂线的长度由对应公式确定，第三步将每根具体长度的垂线末端相连，即可得到保护煤柱面积。本文通过上述两种方法进行山底铺村保护煤柱的设计，对比后选择较优的方法进行村庄煤柱的留设作业。

2.2 保护煤柱设计参数

为了能够充分保护煤矿采空区地表建筑物的安全运行，所设计保护煤柱面积在被保护建筑物本身面积之外，还应加设与地表建筑物的保护等级对应的维护带。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》中将构筑物及建筑物的保护等级划分为1、2、3、4，共四个等级，与之对应的维护带宽度分别为20m、15m、10m、5m。麦捷煤业山底铺村的保护等级为2级，故选取维护带宽度为15m。

移动角是指在煤层充分采动或接近充分采动时，开采边界和主断面上临界变形值的点的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。保护煤柱设计的关键是选取正确的移动角。表1为我国主要煤田的移动角值。

表1 我国主要煤田的移动角值

麦捷煤业所采15#煤层为石炭二叠系山西组，覆岩大部分为厚砂岩、砂页岩。由表1可知，应取表土移动角φ=45°，基岩移动角γ=β=δ=72°。

经过实况测量山底铺村最终确定5个拐点，坐标分别为

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 山底铺村留设保护煤柱方法对比

3.1 垂线法计算保护煤柱[3]

1）圈定村庄边界。在山底铺村庄井上下平面对照图上，在村庄外围边界外垂直加15m围护带宽度，即得到受保护范围的边界 B1、B2、B3、B4、B5 的连线。

2）圈定松散层移动边界。山底铺村区域松散层移动边界的圈定由受保护范围边界各点松散层的厚度确定。本文松散层的厚度统一规定为15m，松散层移动角φ=45°。通过L=hctgφ可以计算出松散层移动垂线长为12.586m。在山底铺保安煤柱受保护范围的边界上，从受保护范围边界各点按松散层移动垂线长向外作各边的垂线，过同一边两垂线端点的直线与各相邻两边的松散层移动边界相交得到C1、C2、C3、C4、C5各点的连线即为松散层移动边界。

3）圈定保安煤柱边界。

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）。

计算得出山底铺村保护煤柱占15号煤层井田内面积117900m2。山底铺村保护煤柱范围如图1所示。

图1 由垂线法所得山底铺村保护煤柱范围

4）压煤量的计算。

3.2 垂直剖面法计算保护煤柱[4]

1）确定村庄等建筑受保护面积。

图2为垂直剖面法图解得保护煤柱示意图。运用垂直剖面法计算保护煤柱范围时应首先画出山底铺村的平面图，使山底铺村的长轴与煤层走向的夹角为31°，在此基础上画出山底铺村的轮廓 a、b、c、d，接下来过村庄轮廓点a、b、c、d作平行于煤层倾向和走向的外切矩形a"b"c"d"，并且在外切矩形a"b"c"d"的外边缘加15m宽的维护带，最终得到矩形ABCD，矩形ABCD的面积即为山底铺村最终确定的受保护面积。

图2 垂直剖面法图解得保护煤柱示意图

2）村庄保护煤柱边界的确定。

沿受保护面积的中心作垂直于煤层走向的断面Ⅰ-Ⅰ，然后在断面图Ⅰ-Ⅰ上的受保护面积的边界点m1和n1起按照表土层移动角φ=45°作斜线至基岩表面，得到交点m2和n2，即为保护煤柱的上边界；接着在基岩中按照下山方向基岩移动角γ=72°和上山方向基岩移动角β=72°作斜线，得到与煤层的交点m"和k"，即为保护煤柱的下边界。

在平行于煤层走向的断面Ⅱ-Ⅱ中，按照表土层移动角φ=45°作斜线至基岩表面，接着在基岩中按照基岩移动角δ=72°作斜线，得到沿走向方向断面的保护煤柱边界A"B"C"D"，将Ⅰ-Ⅰ断面图及Ⅱ-Ⅱ断面图中的保护煤柱边界转绘在平面图上，即可计算得出山底铺村保护煤柱占15号煤层井田内面积为梯形EFGH的面积，约136900m2。

3）压煤量的计算。

综上：通过对比分析计算得出垂线法留设山底铺村保护煤柱面积为117900m2，最终压煤量为1129000t，而垂直剖面法留设山底铺村保护煤柱面积为136800m2，最终压煤量为1563000t。即垂线法留设的村庄保护煤柱压煤量比垂直剖面法留设的村庄保护煤柱的面积减少了18900m2，压煤量减少了434000t。因此从经济方面考虑，在保证村庄安全的前提下，应选取垂线法留设山底铺村的保护煤柱。

4 结 论

麦捷煤业有限公司目前进行山底铺村保护煤柱的设计。为了更好的利用煤炭资源，需要在保护煤柱面积能够充分有效的保护建筑物的同时又能尽可能的减少村庄建筑物保护煤柱的压煤量。本文通过垂线法和垂直剖面法分别计算山底铺村保护煤柱的留设面积及压煤量，最终得出垂线法更适合山底铺村保护煤柱的设计，最终设计山底铺村保护煤柱面积为117900m2，压煤量为 11.29 万 t。