人机交互垂线法优化留设建筑群保护煤柱

田迎斌

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013; 3.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，我国“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤在各个新老矿区普遍存在，其中又以建筑群下压煤居多[1]。上述“三下”压煤设计保护煤柱留设采用的基本方法，即为《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(以下简称《开采规范》)推荐的垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法。其中，建筑群保护煤柱留设方法采用的是垂线法[2-7]。但根据《开采规范》中推荐的垂线法留设建筑群保护煤柱，将会造成煤柱转角处煤柱留设不合理，从而减少了煤矿的可采资源储量，使原本能够开采的煤炭资源成为呆滞资源，所以按常规垂线法所留设的保护煤柱是偏于保守的。垂线法是一种解析方法，该方法求的是与受护边界相垂直的计算剖面上煤柱的平面投影计算长度[8]。通过研究其基本原理，实际上可以利用其垂线长度计算公式来计算某受护点在任意方向上的q(上山垂线长)或l(下山垂线长)之值，从而为煤柱合理精确留设提供理论依据。基于此设计思想，通过确定松散层受护边界转角处外侧任意方向的煤柱计算长度，从而实现了转角处煤柱的优化设计。根据垂线法基本作图过程，采用CAD的VBA和AutoLisp二次开发语言实现了人机交互优化留设建筑群保护煤柱，解决了常规手工计算、作图复杂和效率低的难题。

1 垂线法留设建筑群保护煤柱基本步骤及问题分析

1.1 基本步骤

(1)建筑物保护等级划分及维护带宽度确定

《开采规范》第11条规定，按建筑物的重要性、用途以及受开采影响引起的不同后果，将矿区范围内的建筑物保护等级分为五级，分别为特级、Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。

《开采规范》第13条规定，围护带宽度必须根据受护对象的保护等级确定，见表1。

表1 建筑物各保护等级的围护带宽度

(2)确定建筑群外轮廓边界

在建筑群平面布置图中确定建筑群最外轮廓特征点，并将所有特征点连接成线形成多边形，以该多边形作为建筑群外轮廓边界。

(3)围护带边界及松散层保护边界确定

根据受护对象的保护等级，以建筑群外轮廓边界向外侧偏移相应的围护带宽度，以偏移后的边界作为围护带外边界。

松散层厚度为h，移动角为φ，则松散层受护平面投影宽度s=hcotφ。松散层移动角一般按45°考虑，则s=h。以围护带外边界向外偏移宽度s后，即可得松散层保护边界。

(4)计算垂线长度

建筑群保护煤柱在煤层上山方向垂线长度q和下山方向垂线长度l按下式计算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h为松散层厚度，m；H为煤层到地表的埋藏深度，m；α为煤层倾角，°；θ为围护带边界与煤层走向之间所夹的锐角，°；γ、β、δ分别为上山、下山和走向方向移动角，°；γ′、β′分别为上山、下山方向的斜交剖面移动角，°。

(5)确定保护煤柱边界

分别以松散层保护边界各拐点为基准做垂线q或l，然后将各垂线端点相连成线，并将各线延伸相交，即可获得建筑群的平面保护煤柱边界线。

1.2 问题分析

通过实践分析可知，在垂线法留设保护煤柱过程中存在如下问题：

(1)步骤多，参数多，过程繁琐，效率低，期间涉及到大量角度换算、计算和精确作图等内容，且相关计算和作图不能有机结合。

(2)确定建筑群外轮廓边界时如果出现较小角度的锐角转角，则最后确定的保护煤柱线同样将会现相同角度的转角，这样会造成留设煤柱范围过大且不合理从而造成资源浪费，不能实现开采资源的优化，影响采区及工作面布置。

(3)国内相关科技工作者在不同平台下开发了一些自动绘制建筑群煤柱的相关软件[9-14]。当所确定的建筑群外轮廓边界合适和建筑群下煤层赋存稳定且倾角变化不大情况下，采用软件自动绘制煤柱是可行的。但上述软件同时存在以下不足：

一是其前期数据准备比较繁琐，大多需要从CAD图纸中获取基础数据，涉及到不同软件间数据的获取和传递的问题。只有当所有数据准备完成才能够绘制保护煤柱，而不能根据某点的相关参数随时绘制该点在任意方向上的保护煤柱尺寸。

二是当建筑群下煤层赋存条件复杂，其走向和倾角变化较大的情况下，将会出现相邻两条煤柱线相交异常或不能相交的问题。

2 程序设计

2.1 设计流程

现在计算机在辅助制图方面得到了广泛应用，使人们基本上告别了纯手工制图方式。根据对垂线法留设保护煤柱的基本步骤的分析，确定了采用人工与计算机交互的方式实现垂线法留设保护煤柱。通过对垂线法相关计算公式的分析可知，共涉及到7个基础参数，分别为α、β、γ、δ、θ、H和h，其他参数或数据都可以由上述7个参数计算得到。上述基础参数及涉及到的上下山逻辑判断主要由人工输入完成，而相关计算及绘图由计算机完成。人机交互实现垂线法优化留设保护煤柱流程见如图1所示。

2.2 参数确定应注意的问题

垂线法留设建筑群保护煤柱相关计算参数应根据矿井岩移参数、建筑群受护边界走向、煤层赋存情况等选取。

图1 人机交互留设建筑群保护煤柱流程图

(1)参数β、γ、δ确定

β、γ、δ一般为相对固定参数，但对于大范围建筑群而言，有时建筑群会跨不同矿井或不同采区。如果建筑群范围较大从而跨越不同矿井和采区范围，则在确定垂线q或l时应根据不同矿井或不同采区选取相应的参数值。

(2)参数α、H和h确定

参数α、H和h是随着松散层保护边界拐点的位置不同而相应变化着的。α应根据垂线起点处沿上山或下山方向的煤层实际倾角进行确定，否则，会造成垂线q或l计算数值偏大或偏小，见图2所示。图2(a)中所计算的垂线q值要大于实际的q值，所计算的垂线l值要大于实际的l值；图2(b)中所计算的垂线q值要小于实际的q值，所计算的垂线l值要小于实际的l值。当然计算点下方煤层变化不仅只有图2所列示例，而是还有其他多种情况，比如计算点下方两侧煤层倾向相反等。总之，在计算q或l时应坚持的原则就是根据确定所需计算侧的煤层赋存情况确定煤层倾角。相对而言，H和h较容易确定，不再赘述。

图2 垂线q及l的计算示意图

q实为该点实际的q；q计为该点按平均倾角计算的q；L实为该点实际的l；l计为该点按平均倾角计算的l；图中蓝色虚线代表按平均倾角计算采用的煤层。

(3)参数θ确定

参数θ原定义为围护带边界与煤层走向之间所夹的锐角，但在某些情况下该概念在使用中并不方便。如果以垂线q或l所指的方向定义为计算方向，则参数θ也可定义为计算方向与煤层倾向线所夹的锐角，如图3所示。当对拐角处煤柱进行优化设计时，可通过拐点P向煤柱拐角处可以引出一个或数个计算剖面，各剖面与煤层倾向线所夹锐角即为θ，如图4所示。由图4可见，垂线PA和垂线PB是通过P点的两条特殊垂线，分别与各自的松散层围护边界垂直，也就是按常规垂线法求出的垂线长。

图3 参数θ的不同意义

2.3 关键技术

2.3.1菜单、窗体和人机交互命令设计

CAD系统提供了多种方式进行人机交互，包括菜单、工具条和命令行窗口。菜单、窗体和人机交互命令设计主要通过CAD二次开发语言AutoLisp和VBA进行实现。以“留设保护煤柱”作为主菜单，其中，包括了3个子菜单，分别为垂线法建筑群保护煤柱、垂直剖面法建筑物保护煤柱和垂直剖面法铁路保护煤柱，如图5所示。

图4 参数θ的应用

图5 保护煤柱菜单设计

CAD中垂线法绘制q或l操作步骤如下：

(1)点击“垂线法建筑群保护煤柱”子菜单后，随即弹出基础参数输入对话框，如图6所示。在该对话框窗体中，可以人工输入某垂线起点(松散层保护边界拐点)处相关参数。其中，煤层倾角可以通过其后的按钮在图中直接量取，并将煤层倾角自动追加到文本框。窗体中提供了两个设计的按钮，分别为“常规设计”和“优化设计”。

(2)当在窗体内输入全部参数后，点击“常规设计”按钮，程序会启动命令行窗口的绘制建筑群保护煤柱命令“jzqbhmzplot”，同时将窗体内所有参数传递到命令行以供程序调用。程序自动计算该拐点处的上山伪移动角γ'、下山伪移动角β'、上山方向垂线长度q和下山方向垂线长度l，并在命令行进行输出显示，然后对该点适用的垂线q或l进行人工判断，最后将q或l以实际长度在图中进行自动精确绘制，同时进行文字标注，分别见图7和图8。

图6 参数输入窗体

图7 命令行人机互动

图8 鼠标点击次序

2.3.2 煤柱转角优化设计

按规范垂线法留设建筑群保护煤柱会造成煤柱拐角处压大量压煤，特别当煤柱转角为小角度时，所形成的保护煤柱范围更加不合理。所以，需要对煤柱转角处煤柱保护线进行优化设计。煤柱转角优化设计的基本原理是以某点为保护对象，通过该点向伪上山方向或伪下山方向做任一剖面，在该剖面上计算得到的q或l即为该受保护点在该方向上所需的煤柱平面投影长度。当所做剖面与煤层走向或倾向相重合时，则为其中一种特殊情况的表现。

以图9所示说明煤柱转角优化设计后的效果。以P点为基准做3个剖面，并量取各剖面的θ角，分别计算并绘制了各方向的垂线，连接BM′M″M‴A所形成的折线即为优化设计后的转角煤柱。当在转角处设计的剖面越多，最终在拐角处形成的煤柱线就越圆滑。优化设计时具体操作步骤与常规设计基本相同，仅在最后提示鼠标点击时与常规设计有所区别。优化设计时仅需用鼠标点击两点，即拐点处及计算方向上任一点，即可绘制计算方向的垂线。

图9 煤柱转角处优化设计

3 实例分析

某矿建筑群外轮廓呈不规则四边形，分别以常规设计法和优化设计法留设保护煤柱，两种方法留设的煤柱平面如图10所示。根据该建筑群下压煤的厚度、倾角和容重等基础信息，经计算，常规设计法煤柱压煤量328.62万t，优化设计法煤柱压煤量295.16万t，优化设计法可比常规设计法减少压煤33.46万t，为原煤柱压煤量的10%。因优化设计可解放的煤炭资源，按吨煤售价500元计算，可创造产值1.67亿元；按吨煤利润100元计算，可创造经济效益3346万元。优化设计后使建筑群压煤面积及压煤量减小，提高了煤矿经济效益。同时，增加了煤炭可采资源储量，延长了矿井服务年限，具有显著的社会效益。

图10 常规设计与优化设计煤柱对比图

4 结 论

(1)在利用垂线法留设保护煤柱选取各个基础参数时，应根据建筑群与地下煤层赋存条件变化情况进行具体分析选取，使计算结果更加合理、精确、可靠。

(2)在CAD中综合运用菜单、VBA窗体及自定义命令方式，实现了人机交互留设建筑群保护煤柱，相较人工计算和作图，其准确性和效率得到较大提高。

(3)通过分析垂线法基本原理，实现了对煤柱转角处设计的优化，使建筑群压煤面积及压煤量得以降低，提高了资源回收率，延长了矿井服务年限，具有显著的经济效益和社会效益。