垂线法设计保护煤柱在复杂地质构造区域的应用

张 冬

（陕西延长石油靖边煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

新三矿南翼采区地面为赵庄村，该翼采区地质条件复杂，南以落差为100 m 的断层EF16为界，采区内又贯穿一条落差为40 多米的断层和多条落差小于10 m 的小断层，且煤层倾角变化较大。为了更精准地保护南翼采区地面村庄赵庄村，达到合理地开采和优化利用新三矿煤炭资源的目的，需要考虑落差较大的断层f2703-1和倾角的变化等因素来科学地留设赵庄村保安煤柱。

1 新三矿南翼采区井上下概况

赵庄村位于新三矿七采区南翼上方，井田边界最南端，该村地势西南高东北低，标高+152～+169 m 左右，人口约800 人，近200 户，总占地面积999 000 m2，村庄民房占地面积129 870 m2。村庄房屋1/3 是土坯房，其余为砖混或框架结构。该村对应井下为新三矿七采区南翼地区，采煤方法为走向长壁后退式采煤法，一次性采全高轻型放顶煤，采高2.5 m，顶板管理方法为全部垮落法。本次计算保安煤柱的煤层为南翼2#煤层，煤层埋深平均585 m，煤层顶板为砂质泥岩和碳质泥岩，采区内有多条断层，最大的落差达到28 m，最小落差3 m。煤层主要由落差最大28 m 的f2703-1断层隔开，分为东西两部分，f2703-1断层以东煤层倾角平均为10°，断层以西煤层倾角平均为17°。煤层倾角变化较大，采区内地质构造比较复杂，这对保安煤柱的留设带来了不小的困难。

2 相关参数的确定

所谓垂线法留设保护煤柱，就是用解析方法留设保护煤柱[1-2]。先确定受护范围的边界，以受护边界为基础，做出边界的垂线，再利用公式计算垂线长度，从而确定保护煤柱边界，多用于延伸形构筑物、受护对象形状复杂且又与煤层走向斜交时的情况。本次需要保安煤柱留设的赵庄村受护边界不规则，且受护边界与煤层走向斜交，适用于垂线法进行保护煤柱留设。

2.1 表土层厚度的确定

本次设计表土层的厚度以新三矿赵庄村附件钻孔数据资料为参考，厚度为5～7 m，较为稳定，采用平均值6 m，具体按受护角点取其厚度。

2.2 受护范围的确定

2.2.1 保护范围

以赵庄村总轮廓作为保护范围。详见图1。角点号为a、b、c、d、e 围成的多边形。

图1 赵庄村保安煤柱线设计图

2.2.2 围护带宽度的确定

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》第三十五条，村庄属于砖木、砖混结构平房或变形缝区段小于20 m 的两层楼房、砖瓦民房，按Ⅲ级保护，围护带宽度取10 m。以赵庄村受护范围外延10 m 作为维护带宽度，以a'、b'、c'、d'、e'作为角点围成多边形（如图1）。

2.3 移动角值的确定

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》第三十六条：特级构筑物保护煤柱应当采用边界角留设，其他保护煤柱按移动角留设，故本次设计采用移动角来留设赵庄村保护煤柱。冀中能源峰峰集团《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》实施细则及补充规定：南翼2#煤层取表土层移动角Φ=45°，基岩移动角取走向和上山移动角δ=γ=70°，下山移动角β=70°-0.6α。此次保安煤柱设计涉及垂线沿煤层均为下山方向，故只考虑沿煤层下山方向垂线L；该区域煤层倾角变化较大[3-4]，取断层f2703-1以西煤层倾角平均值为α=17°，以东煤层倾角平均值为α=10°。

3 保安煤柱范围的确定

3.1 表土层受护范围的确定

新三矿南翼地表取表土层移动角Φ=45°，表土层厚度取平均值6 m，根据计算公式S=h×ctg45°可得知表土层受护范围为6 m[5]。从各角点引垂线划出表土层与基岩交界受护范围a''、b''、c''、d''、e''多边形（如图1）。

3.2 斜交剖面移动角β'、γ'角的计算

地面建筑物保护煤柱的界线是由岩层移动面和煤层相交的线所决定的。由于建筑物的边界与煤层走向不一致，有不同的交角θ，当受护边界与煤层走向斜交时，应根据基岩移动角求得垂直于受护边界线方向（即伪倾斜方向）的上山方向移动角γ'和下山方向移动角β'，然后再确定保护煤柱[6]，如公式（1）、（2）：

赵庄村受护范围多边形各边与煤层走向斜交，需在基岩内分别以斜交剖面移动角β'、γ'代替β、γ，围护带边界与煤层走向线之间所夹的锐角θ由图上量取[7-8]。根据垂线长度计算公式l=（H-h）ctgγ'/（1-ctgγ'·cosθ·tgα）可得知：本次需要保安煤柱留设的赵庄村受护边界垂线均沿煤层下山方向，故只需计算ctgγ'值即可，见表1。

3.3 受护范围各点埋深（H-h）的计算

各点的地面标高在1:2000 地形图上求取，煤层埋藏深度由煤层底板等高线图用内插法求取[9]。各点埋深（H-h）值见表1。

3.4 垂线长度q、l 值的计算：

用垂线法留设与煤层走向斜交的保护对象煤柱时，各垂线在上山方向垂线长度q和下山方向垂线长度l按下式计算（由于本次设计只涉及下山方向，故本次只计算下山方向垂线长度l）[10]：

首先考虑到断层的影响，由于断层f2703-1为南北方向，贯穿整个保护煤柱范围，且断层上下两盘都需要留设保安煤柱，如按照以往留设方法，则保安煤柱线必须穿过断层，由于断层落差较大，这样的做法肯定会与实际情况有所偏差，导致最后算得的保安煤柱线不是很精确；其次断层f2703-1东西两侧煤层倾角变化较大。综上因素，应当分别在断层f2703-1的上下两盘分别取两条垂线来计算垂线长度，从而确定更为精准的保安煤柱线，以1 号垂线为例，具体算法如下：

通过对断层带上垂线的分析和计算，将各垂线端点分别用直线连接，由于断层EF16落差H为100 m，作为井田边界，1、2 号与5、6 号垂线端点的保护煤柱线以断层为终点，得出保护煤柱线如图1。

4 结论

1）当断层带上的地面建筑受护边界与煤层走线斜交时，垂线法留设保安煤柱较为方便操作。通过分别留设断层上下盘两侧的垂线，计算垂线长，获得断层上下盘两侧的保护煤柱范围，从而留设出精准的保安煤柱，使地面建筑得到更有效的保护。

3）在对赵庄村地面沉降观测站的实际观测中，赵庄村地表最大下沉值为29 mm，地表水平变形、倾斜与曲率均在Ⅰ级损坏等级范围内，房屋均未受到损坏。数据表明：保护煤柱外的开采活动并未引起赵庄村因采动影响而出现裂缝及房屋变形，有效地保护了地表建构筑物。

4）断层的落差、煤层倾角等要素直接影响村庄保护煤柱的范围，在实际的勘探工作中遇到断层要素、煤层倾角等因素有变化时，要及时调整保护煤柱的范围，对地表建构筑物做最大程度地保护。