垂线法在矿井村庄保护煤柱留设的应用与实践

辛志强

（山西省晋神能源有限公司，山西 沂州 036500）

采矿引起的岩层与地表移动，使位于其影响范围内的地面建筑物遭受不同程度的破坏，而大部分煤矿处于山区，山区村庄房屋的建设并不规则，地面村庄压覆给井工矿井开采开拓布局带来极大影响。传统的矿井设计中，将许多不规则多边形简化为四边形，留设的煤柱呈规则形状，导致实际留设煤柱过多或过少，达不到防护效果，造成资源浪费。如何科学合理的留设保护煤柱，为企业做出合理搬迁规划及后期塌陷治理指导，达到防护要求，避免资源浪费，具有现实意义[1-4]。

1 概 况

磁窑沟煤矿井田面积10.622 7 km2，批准开采8-14号煤层，开采深度1 100～780 m。矿井行政区划隶属河曲县鹿固乡和巡镇管辖，位于河东煤田河曲、偏关矿区内的中东部。井田总体形态为一走向近南北向，倾向向西的单斜构造，并伴有宽缓的褶曲，地层倾角1°～9°，井田内尚未发现破坏煤层的断层。井田内地层由老至新依次为：奥陶系中统上马家沟组（O2s）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、第三系上新统（N2）、第四系中、上更新统（Q2+3）。10-2#煤层厚1.40～11.98 m，平均厚度5.82 m，为稳定的全区可采煤层，煤质相对较好，属长焰煤。顶板为泥岩、砂质泥岩；底板为砂质泥岩、泥岩、细砂岩，该煤层在井田东部有部分剥蚀区。10-2号煤层垮落带和导水裂隙带可达地表。

2 保护煤柱留设影响因素

为了保护地面某些建筑物，需要按建筑物的重要性、用途及受开采影响引起的不同后果，留设保安煤柱，其实质是根据已掌握的地表移动规律，在煤层层面上圈定一个保护煤柱的边界，使开采的影响不波及到需要保护的范围。以往实测资料及理论研究已证实，影响煤柱留设的因素如下[5-7]。

（1）上覆岩层岩性。上覆岩层的岩性及其坚硬强度会对煤柱的强度造成影响，一般来说，上覆岩层中坚硬岩石占比高，所留设的保护煤柱宽度越小，松散层厚度越大，造成的软岩占比会急剧上升，所需留设的保护煤柱宽度就会越大。

（2）煤柱强度。煤柱强度不仅与煤柱的力学性质、煤柱内的弱面、顶底板岩性和煤柱侧向内里应力等因素有关，而且与煤柱长度、宽度和高度等因素有密切关系。

（3）开采深度。在相同的地质条件下，地表岩移变形值与采深成正比，采深越大，变形值越小，当达到一定深度时，采矿活动就不会对地表构筑物造成影响。

（4）开采煤层厚度。在相同的地质采矿条件下，开采煤层厚度越大，地表岩移形变值就越大，变形过程更剧烈，影响范围就越大，相应的保护煤柱尺寸就要求越大。

（5）煤层倾角。煤层倾角不同，将会影响岩层的受力状态和应力集中程度，上覆岩层移动形式、破坏分布状态等特征也就不同。煤层倾角增大，会造成地表岩移急剧向下山方向扩张。

3 村庄保护煤柱的留设方法

在一些条件下，井田范围内村庄不搬迁或就地重建等方式在技术上不可能或经济上不合理，因此在矿井设计时应规划村庄保护煤柱[1]。留设保护煤柱是确保建筑物、构筑物、水体等不受煤矿开采影响的最有效方法。保护煤柱留设的方法有垂直剖面法、数字标高投影法和垂线法。

垂直剖面法是一种图解方法，需要沿煤层走向和倾向分别作垂直剖面，从而确定保护煤柱边界；数字标高投影法用于设计延伸形建（构）筑物或基岩面标高变化较大情况下的保护煤柱，要求先在图上作出保护煤柱空间体侧平面的等高线，在此基础上绘制出保护煤柱边界；垂线法是一种解析方法，是把解释方法和作图法结合起来确定保护煤柱边界。垂直剖面法和数字标高投影法的作图工作都比较繁琐，相对而言，垂线法作图工作简便，较适宜于在计算机上作图[8]。本文以磁窑沟煤矿为例，利用垂线法对井田范围内的东山梁村保护煤柱留设尺寸进行计算。

3.1 确定受保护范围边界

根据东山梁村地面建筑物位置和范围，在平面图上确定受护边界为以1～12号点形成的不规则12边型，如图1（a）所示。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第十一条，按建筑物的重要性、用途以及受开采影响引起的不同后果，将矿区范围内建筑物保护等级分为五级。东山梁村主要建筑物为砖木、砖混结构平房、村庄房屋等，应按照三级保护等级进行煤柱设计，围护带宽度为10 m。按保护等级平行于保护对象的轮廓线外推10 m留设围护带，可得到受护范围边界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′，如图1（b）所示。

3.2 确定松散层保护边界

东山梁村附近施工了ZK2地质钻孔，根据揭露情况及地表调查，村庄所在地段由第四系覆盖，松散层厚度约为25 m。本区域所处为河东煤田，开采的10-2号煤层属于石炭二叠系上统太原组，覆岩大部分为厚砂岩、砂页岩，倾角在1°～9°，平均为5°。根据《建筑物、水体、铁路与主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》提供的河东（二叠系）地表移动实测数据，设计保护煤柱时选用以下移动角：β=62°、γ=74°、δ=68°、φ=45°，β、γ、δ分别为下山、上山、走向方向的岩层移动角，φ为松散层移动角[10]。

在受护范围边界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′向外量一段距离S，得出松散层保护边界。S由式（1）计算：

式中：S为松散层保护边界宽度，m；h为松散层厚度，m；φ为松散层移动角，（°）。

通过计算，得出S=25 m，在受护范围边界外推25 m划出多边形，即为东山梁村的松散层保护边界，如图1（c）所示。

图1 东山梁村受护范围边界Fig.1 Boundary of the scope of protectionin Dongshanliang Village

3.3 计算垂线长度

东山梁村保护边界地表实测标高为1 064—1 096 m，按照已揭露高程修订的煤层底板标高为912—938 m，下方煤层埋深为127～183 m。由A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L各点分别做线段AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HI、IJ、JK、KL、LA的垂线，煤柱在煤层上山方向垂线长度q和下山方向垂线l按式（2）、式（3）计算：

在松散层内采用松散层移动角φ画直线，在基岩内侧则分别以斜交剖面移动角β′、γ′代替移动角β、γ，斜交剖面移动角按式（4）、式（5）计算：

式中：h为松散层厚度，m；H为煤层到地表的垂深（从受护边界起在松散层中以角作直线与基岩面相交；H值为过此交点的煤层深度），m；α为煤层倾角，（°）；θ为围护带边界与煤层走向线之间所夹的锐角，（°）；γ′、β′为分别为上山、下山方向的斜交剖面移动角，（°）。

在计算垂线时，还需要考虑山体受采动滑移附加变形对受护建筑物的影响，经过对东山梁村保护煤柱边界的预算，受护边界至煤柱边界范围内的地表平均坡度均大于15°，所以在本次计算时，在已选择岩层移动角的基础上，建筑物上坡方向（对应下山方向）移动角减小7°，建筑物下坡方向（对应上山方向）移动角减小3°。修正后，下山方向岩层移动角β=55°，上山方向岩层移动角γ=71°。

为了提升垂线计算速度和减少错误，考虑使用Excel软件进行计算[10]。参与计算的角度系统均默认为弧度，所以，需要将下山方向岩层移动角β、上山方向岩层移动角γ、走向方向移动角δ，围护带边界与煤层走向线所夹的锐角θ，煤层倾角α，全部按（角度*n/180）转换成弧度，在表格中为β1、γ1、δ1、θ1、α1。根据式（2）、式（3）、式（4）、式（5）进行垂线q或l计算，结果见表1。

3.4 确定保护煤柱边界

在各垂线上，按比例尺分别截取各垂线段的计算长度，用直线分别连接垂线各端点，即为保护煤柱边界。按照表1计算结果，分别在各垂线上按比例量取或值，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垂线段，用直线分别为连接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，使垂线各端点相交即可得到保护煤柱边界。在垂线连接过程中，B14、G23、H25、I27、K32小于相邻垂线端点连接长度，为了保证保护煤柱符合垂线计算结果，采用相邻各点的最大垂线长度进行垂线端点连接，得到多边形A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′，即为东山梁村保护煤柱边界，如图2所示。

表1 垂线长度q、l计算结果Table 1 Vertical length,calculation results

图2 东山梁村保护煤柱边界Fig.2 Boundary of protective coal pillar in Dongshanliang village

4 结 语

通过分析村庄保护煤柱留设的影响因素，结合磁窑沟煤矿地表地形及井下煤层走向、倾向等实际情况，采用垂线法对东山梁村进行保护煤柱的留设，东山梁村保护煤柱宽度与村庄边界范围在91～116 m，根据计算结果留设保护煤柱对煤矿的安全生产和资源保护具有一定的指导作用。经过理论研究和实例计算，垂线法在矿井保护煤柱留设方法中较为简便，在能够保障矿井安全开采的同时，能够减少压煤损失，最大限度避免资源浪费，利用垂线法进行矿井村庄保护煤柱留设是比较合理的方法。