王 維

（潞安集團壽陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

1 工程概況

山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司所采煤層為15#煤，15#煤層平均埋藏深度290m，煤層傾角約2.5°，煤層厚度平均6.6m，容重為1.45t/m3。該礦井田北翼基本回采完畢，現(xiàn)進行井田南翼回采工作面的初步設(shè)計，山底鋪村地處山西省壽陽縣城東25km處，壽、孟交接之地。井下位于井田內(nèi)的東南角，僅有一小部分位于該礦井田內(nèi)，此次保護的對象主要為井田內(nèi)村莊的面積，占地面積：29833m2。山底鋪村隸屬壽陽縣管轄，人口約2000人，不宜搬遷，需要對其進行合理的保護煤柱留設(shè)。

2 保護煤柱的設(shè)計方法及參數(shù)

2.1 保護煤柱設(shè)計方法[1-2]

煤炭資源開采過后會形成采空區(qū)，為了保證采煤工作面的安全，大部分礦井均會采用自然垮落法管理頂板，即采空區(qū)上方的巖層會垮落下來充填采空區(qū)，因此會引起煤層覆巖和地表的移動，若采空區(qū)地表存在建筑物，則地面建筑物受到不同程度的破壞。為了避免地下煤炭資源開采影響到某些重要的地面構(gòu)筑物的安全運行，需要在這些建筑物下方留設(shè)保護煤柱。其實質(zhì)是根據(jù)現(xiàn)場具體的地表移動規(guī)律，在建筑物所對應(yīng)的煤層層面上圈定一定范圍的保護煤柱，使煤炭資源的開采影響不波及到需要保護的建筑。

目前我國煤礦村莊保護煤柱設(shè)計時常用的兩種方法分別是垂直剖面法和垂線法。垂直剖面法應(yīng)用圖解的方法進行村莊保護煤柱的設(shè)計，第一步先畫出山底鋪村的平面圖并在其邊界加設(shè)維護帶得到受保護面積，第二步沿受保護面積的中心作一條垂直于煤層走向的斷面和平行于煤層走向的斷面，第三步在兩幅斷面圖上畫出各自保護煤柱的邊界，第四步將斷面圖中的保護煤柱邊界轉(zhuǎn)繪在平面圖上即可得到保護煤柱面積。垂線法應(yīng)用解析法進行村莊保護煤柱的設(shè)計，第一步畫出加設(shè)維護帶的村莊受保護面積，第二步沿受保護面積的邊界作垂線，垂線的長度由對應(yīng)公式確定，第三步將每根具體長度的垂線末端相連，即可得到保護煤柱面積。本文通過上述兩種方法進行山底鋪村保護煤柱的設(shè)計，對比后選擇較優(yōu)的方法進行村莊煤柱的留設(shè)作業(yè)。

2.2 保護煤柱設(shè)計參數(shù)

為了能夠充分保護煤礦采空區(qū)地表建筑物的安全運行，所設(shè)計保護煤柱面積在被保護建筑物本身面積之外，還應(yīng)加設(shè)與地表建筑物的保護等級對應(yīng)的維護帶。1985年煤炭工業(yè)部頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中將構(gòu)筑物及建筑物的保護等級劃分為1、2、3、4，共四個等級，與之對應(yīng)的維護帶寬度分別為20m、15m、10m、5m。麥捷煤業(yè)山底鋪村的保護等級為2級，故選取維護帶寬度為15m。

移動角是指在煤層充分采動或接近充分采動時，開采邊界和主斷面上臨界變形值的點的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角。保護煤柱設(shè)計的關(guān)鍵是選取正確的移動角。表1為我國主要煤田的移動角值。

表1 我國主要煤田的移動角值

麥捷煤業(yè)所采15#煤層為石炭二疊系山西組，覆巖大部分為厚砂巖、砂頁巖。由表1可知，應(yīng)取表土移動角φ=45°，基巖移動角γ=β=δ=72°。

經(jīng)過實況測量山底鋪村最終確定5個拐點，坐標(biāo)分別為

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 山底鋪村留設(shè)保護煤柱方法對比

3.1 垂線法計算保護煤柱[3]

1）圈定村莊邊界。在山底鋪村莊井上下平面對照圖上，在村莊外圍邊界外垂直加15m圍護帶寬度，即得到受保護范圍的邊界 B1、B2、B3、B4、B5 的連線。

2）圈定松散層移動邊界。山底鋪村區(qū)域松散層移動邊界的圈定由受保護范圍邊界各點松散層的厚度確定。本文松散層的厚度統(tǒng)一規(guī)定為15m，松散層移動角φ=45°。通過L=hctgφ可以計算出松散層移動垂線長為12.586m。在山底鋪保安煤柱受保護范圍的邊界上，從受保護范圍邊界各點按松散層移動垂線長向外作各邊的垂線，過同一邊兩垂線端點的直線與各相鄰兩邊的松散層移動邊界相交得到C1、C2、C3、C4、C5各點的連線即為松散層移動邊界。

3）圈定保安煤柱邊界。

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）。

計算得出山底鋪村保護煤柱占15號煤層井田內(nèi)面積117900m2。山底鋪村保護煤柱范圍如圖1所示。

圖1 由垂線法所得山底鋪村保護煤柱范圍

4）壓煤量的計算。

3.2 垂直剖面法計算保護煤柱[4]

1）確定村莊等建筑受保護面積。

圖2為垂直剖面法圖解得保護煤柱示意圖。運用垂直剖面法計算保護煤柱范圍時應(yīng)首先畫出山底鋪村的平面圖，使山底鋪村的長軸與煤層走向的夾角為31°，在此基礎(chǔ)上畫出山底鋪村的輪廓 a、b、c、d，接下來過村莊輪廓點a、b、c、d作平行于煤層傾向和走向的外切矩形a"b"c"d"，并且在外切矩形a"b"c"d"的外邊緣加15m寬的維護帶，最終得到矩形ABCD，矩形ABCD的面積即為山底鋪村最終確定的受保護面積。

圖2 垂直剖面法圖解得保護煤柱示意圖

2）村莊保護煤柱邊界的確定。

沿受保護面積的中心作垂直于煤層走向的斷面Ⅰ-Ⅰ，然后在斷面圖Ⅰ-Ⅰ上的受保護面積的邊界點m1和n1起按照表土層移動角φ=45°作斜線至基巖表面，得到交點m2和n2，即為保護煤柱的上邊界；接著在基巖中按照下山方向基巖移動角γ=72°和上山方向基巖移動角β=72°作斜線，得到與煤層的交點m"和k"，即為保護煤柱的下邊界。

在平行于煤層走向的斷面Ⅱ-Ⅱ中，按照表土層移動角φ=45°作斜線至基巖表面，接著在基巖中按照基巖移動角δ=72°作斜線，得到沿走向方向斷面的保護煤柱邊界A"B"C"D"，將Ⅰ-Ⅰ斷面圖及Ⅱ-Ⅱ斷面圖中的保護煤柱邊界轉(zhuǎn)繪在平面圖上，即可計算得出山底鋪村保護煤柱占15號煤層井田內(nèi)面積為梯形EFGH的面積，約136900m2。

3）壓煤量的計算。

綜上：通過對比分析計算得出垂線法留設(shè)山底鋪村保護煤柱面積為117900m2，最終壓煤量為1129000t，而垂直剖面法留設(shè)山底鋪村保護煤柱面積為136800m2，最終壓煤量為1563000t。即垂線法留設(shè)的村莊保護煤柱壓煤量比垂直剖面法留設(shè)的村莊保護煤柱的面積減少了18900m2，壓煤量減少了434000t。因此從經(jīng)濟方面考慮，在保證村莊安全的前提下，應(yīng)選取垂線法留設(shè)山底鋪村的保護煤柱。

4 結(jié) 論

麥捷煤業(yè)有限公司目前進行山底鋪村保護煤柱的設(shè)計。為了更好的利用煤炭資源，需要在保護煤柱面積能夠充分有效的保護建筑物的同時又能盡可能的減少村莊建筑物保護煤柱的壓煤量。本文通過垂線法和垂直剖面法分別計算山底鋪村保護煤柱的留設(shè)面積及壓煤量，最終得出垂線法更適合山底鋪村保護煤柱的設(shè)計，最終設(shè)計山底鋪村保護煤柱面積為117900m2，壓煤量為 11.29 萬 t。