长平煤业公司保安煤柱设计研究

黄乃宝

（晋城泽祥勘探测绘有限公司，山西 晋城 048006）

1 工程概况

1.1 矿井概况

长平煤业公司井田位于太行山南段西侧，沁水盆地南缘。矿井工业广场位于山西省高平市寺庄镇掘山村，行政区划属山西省晋城市所辖，跨沁水、高平二县；其地理坐标为：东经112°44′54.124″～112°50′52.21″，北纬35°51′02.35″～35°55′12.45″。

为满足长平煤业公司安全生产，合理开采资源，保护地面构建物的需要，对矿区3#煤层开采的有关保安煤柱的合理设计进行了研究。

1.2 煤层保安煤柱设计对象

（1）保护对象为：长平洗煤厂、李家河村、地夺掌村，共3个保护对象。

（2）保安煤柱设计所涉及的煤层：本次保安煤柱设计仅针对长平煤业的3#煤层单层开采条件，不涉及其它煤层开采，或重复开采、分层开采的情况。

（3）研究内容与受护对象受护等级：受护对象受护等级和围护带宽度的确定、受护对象保安煤柱设计研究，如表1所示。

表1 受保护对象等级

2 技术要求与执行依据

2.1 保安煤柱设计要求

（1）根据长平煤业提供的资料和实际测量成果编绘受护对象受护边界轮廓线。

（2）确定受护对象地面受护范围：地面受护范围包括受护对象实际占地范围及其围护带宽度（范围）。围护带宽度按照煤炭工业出版社2017年7月出版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装[2017]66号）的规定确定。过程为：首先确定受护对象的受护等级，再根据受护对象的等级确定围护带宽度。

（3）对规则几何形状的保护对象，以基础边界为准。

（4）复杂外形的保护对象，以其外围基础各拐点连线所构成的闭合多边形为受护边界。

2.2 保安煤柱设计依据

（1）《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装[2017]66号），煤炭工业出版社，2017年7月[1]。

（2）《工程测量规范》，GB50026-2007.原中华人民共和国建设部联合发布,2008.5[2]。

（3）《煤矿测量规程》，2013[3]。

（4）《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CHT 2009-2010）[4]。

3 受护对象受护等级、维护带宽度及煤柱设计方法

3.1 松散层移动角参数和岩层移动角参数的确定原则

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定：“各矿区应当开展围岩破坏和地表移动现场监测，综合分析，求取参数，总结规律，为本矿区的煤柱留设与压煤开采提供技术支撑”。由此可知，矿区围岩及地表移动规律及有关参数具有地区特性，解决本矿区的开采沉陷问题时应选取本矿区科学监测和分析所得到的开采沉陷参数。另外，本矿周边也有许多生产历史很长的大型煤矿，与本矿具有相近的地质、采矿条件，将其设计煤柱参数与本设计选定的参数进行比较，为参数确定提供间接依据。

3.2 松散层移动角及基岩移动角的确定

松散层移动角参数和岩层移动角参数是保安煤柱设计的基础参数，本次设计移动角参数确定原则是：以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》为基准，在借鉴地质和采矿条件相近煤矿的煤柱设计经验和本矿以往煤柱设计经验基础上确定。

长平煤业公司为了研究地表移动规律，并为今后“三下”压煤开采和留设保护煤柱提供基础数据，先后在Ⅲ4302、Ⅲ4304、Ⅲ4305工作面上方建立地表移动观测站，获得了大量实测资料，取得了相应的地表移动变形规律、地表移动参数及地表移动预计参数等。为进一步分析与研究长平煤矿的地表移动参数及地表移动预计参数体系，合理留设各种保护煤柱、减少不必要的压煤损失，正确指导“三下”压煤开采及合理调整采区和工作面布局，保证生产正常接续，2014年12月晋城泽祥勘探测绘有限公司对长平煤矿Ⅲ4302、Ⅲ4304、Ⅲ4305工作面对应地表移动规律进行了深入分析研究，得出如下结论：

（1）本区域内的综合边界角、综合移动角、充分采动角、最大下沉角等参数分别如下：

①走向综合边界角50.78°，上山综合边界角50.39°，下山综合边界角48.34°。

②走向综合移动角79.23°，上山综合移动角75.26°，下山综合移动角71.73°。

③最大下沉角86.16°。

④走向充分采动角77.39°。建议基岩移动角为71.7°。

（2）参考类似采矿、地质、地形条件，留设保护煤柱时，使用的移动角参数为：

①松散层移动角：φ=45°

②基岩移动角：δ=γ=70°，β=70°－0.5α（当α≥5°）；δ=γ=β=70°（当α<5°）。

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》，为防止山体采动滑坡附加变形对受保护对象的影响，当保护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表平均倾角大于15°时，上坡方向的移动角应由平地移动角减小5°～10°，下坡方向减小2°～3°。为了进一步量化移动角减小的数值，建立以下移动角减小数值，如表2所示。

表2 地表倾角与移动角度数减小的关系

3.3 受护对象保安煤柱设计

采用垂线法留设保安煤柱，具体留设方法及过程如下：

（1）根据实际测量数据在地形图上确定各受护对象的受护边界，在受护边界外侧依据各受护对象的保护等级加围护带，进而得到围护带边界。

（2）在围护带边界角点基础上，根据松散层厚度、松散层移动角计算松散层受护边界。计算公式如下：

S=hcotφ

式中：h为松散层厚度。

（3）从地形图上量取松散层受护边界各点的地面标高，从底板等高线图上根据煤层底板等高线量取各点的底板标高和受护边界与煤层走向之夹角θ。

（4）保护煤柱设计时引用2017年版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第20条、第21条规定，基岩斜交剖面移动角和垂线长度，计算公式为：

上山方向垂线长度：

下山方向垂线长度：

式中：θ为围护带边界与煤层倾向线之间所夹的锐角；δ为走向方向的基岩移动角；β为下山方向的基岩移动角；γ为上山方向的基岩移动角；h为松散层厚度；α为煤层倾角；H为煤层到地表的垂深。

（5）根据计算公式计算各煤层垂线段q、l的长度。

（6）由受护边界各点作各边的垂线，在各垂线上，按垂线段q、l的长度截取各垂线长，用直线分别将垂线各端点相交成多边形，即为受护区各煤层保护煤柱边界。垂线法保护煤柱如图1所示。

图1 垂线法保护煤柱

长平公司保护煤柱垂线长度q、l计算如表3～表5所示。

表3 长平洗煤厂保安煤柱垂线长度计算

表4 李家河保安煤柱垂线长度计算

表5 地夺掌保安煤柱垂线长度计算

（7）长平洗煤厂、李家河村、地夺掌村保安煤柱边界拐点坐标

将各个保护体分别作出保护煤柱边界后汇总，在图上将重合范围的重合部分减去，最终确定3号煤层保护煤柱范围多边形。

4 保护煤柱煤层压煤量计算

4.1 压煤量计算方法

保护煤柱压煤量估算采用地质块段法。估算公式：

式中：A平为煤柱面积在平面图上的投影，m2；γ为煤的容重，t/m3；m为煤层厚度，m；α为煤层倾角，°。

4.2 压煤量计算结果

根据长平煤业公司提供2020年9月编制的《山西长平煤业有限责任公司生产地质报告》中的资源储量估算资料进行计算。利用保护煤柱各拐点坐标求得压煤面积，在资源储量估算图上读取原块段煤层厚度，分块段进行保护煤柱煤量的计算，长平煤业3#煤层平均容重取1.43 t/m3。

经过计算，3#煤层保护煤柱受护面积为4 269 393.38 m2，压煤量（分三部分：洗煤厂、村庄）共33.059 7 Mt。

5 结论及建议

通过本设计确定了长平洗煤厂、李家河村、地夺掌村的受护范围，通过测绘、计算基本确定了保护地面建筑物安全的煤柱边界；并将保护煤柱和村庄受护范围展绘在煤矿采掘工程平面图和保安煤柱图上，为煤矿安全生产和充分合理采出煤炭资源提供了可靠的技术保障。

1）本次保护煤柱仅针对长平煤业3#煤层单层开采条件设计。在重要受护对象煤柱附近开采时，应在地面建立必要的观测站，以监测采动影响的动态发展；为抵消地质资料和井下测绘误差，确保受护对象安全，在井下布置采掘工程时应在现有保护煤柱设计边界基础上再增加一定量的安全保障尺寸。

2）地面建筑物随时在变化，正式布置回采工作面时，应在原报告的基础上及时修测地面建筑物保护范围，依据新的勘测定界报告重新调整保护煤柱范围，确保地面建筑物的安全。

3）由于斜井和安家风井还在建设中，本次保护煤柱设计没有考虑。待其建设完成后，再进行保护煤柱的设计。