蘇 洋

（長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046605）

0 引 言

紫沙廟隸屬于長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣北呈鄉(xiāng)，坐立紫砂嶺山巔，位于下霍礦井一采區(qū)東部礦界地表上方，該廟坐北朝南，東西長(zhǎng)27.22m，南北寬30.17m，面積約821.23m2。始建于唐代，據(jù)正殿內(nèi)刻磚記載明崇禎三年（1630年），清嘉慶十六年（1811年）履有修葺。紫沙廟由于年久失修和人為破壞，各建筑保存極差，院落地面凹凸不平，圍墻倒塌，導(dǎo)致排水不暢，建筑殘損嚴(yán)重。每年的七月十八廟會(huì)與平時(shí)周邊上香許愿信徒很多，存在較大的安全隱患，隨著國(guó)家對(duì)文化遺產(chǎn)的開(kāi)發(fā)和挖掘，后經(jīng)北張村委協(xié)商進(jìn)行修繕[1-3]。

表1 鉆孔資料

紫沙廟地勢(shì)中部較高，向東、西兩側(cè)開(kāi)始陡峭，且都為第四系覆蓋。根據(jù)《山西三元煤業(yè)股份有限公司長(zhǎng)子縣下霍井田3號(hào)煤層勘探地質(zhì)報(bào)告》顯示、紫沙廟周?chē)鷥H有3502#、3708#兩個(gè)鉆孔，鉆孔資料如表1所示，且距離紫砂廟分別為942m、842m，從第四系表土層厚度等值線(xiàn)圖上量取，紫沙廟周?chē)硗翆雍穸绕骄s為16m。表土層下主要巖性依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖。3號(hào)煤層平均埋藏深度333.5m，煤層傾角在4°-5°之間，趨勢(shì)由東北向西南傾斜[4-5]。

1 紫沙廟所壓煤柱煤種、煤質(zhì)

根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)提交的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長(zhǎng)子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報(bào)告》，紫沙廟所壓煤柱中的3#煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組。煤種屬低中灰-中灰、特低硫、高、特高熱值、較高軟化溫度灰份貧煤、貧瘦煤，可作為動(dòng)力用煤、氣化用煤和民用煤。貧瘦煤可作為煉焦配煤。3#煤經(jīng)洗選灰分降低至5.96%～12.30%，平均9.01%，全硫含量平均0.38%時(shí)，也可作為高爐噴吹用煤[6]。

2 圍護(hù)帶寬度、表土層及巖層移動(dòng)角選擇

2.1 圍護(hù)帶寬度選擇

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》第十一條規(guī)定：國(guó)家一般文物建筑物、在同一跨度內(nèi)有兩臺(tái)重型橋式吊車(chē)的大型廠(chǎng)房及高程建筑等，按Ⅰ級(jí)保護(hù)等級(jí)進(jìn)行保護(hù)。第十二條規(guī)定：在礦井、水平、采區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)建筑物應(yīng)當(dāng)劃定保護(hù)煤柱。保護(hù)等級(jí)為：特級(jí)、Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)建筑物必須劃定保護(hù)煤柱。第十三條規(guī)定：建筑物受保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)包括受護(hù)對(duì)象及其圍護(hù)帶。根據(jù)受護(hù)對(duì)象的保護(hù)等級(jí)確定Ⅰ級(jí)保護(hù)對(duì)象的圍護(hù)帶寬度為20m。

紫沙廟按一般文物建筑對(duì)象進(jìn)行保護(hù)，故保護(hù)等級(jí)的圍護(hù)帶寬度選擇Ⅰ級(jí)20m進(jìn)行計(jì)算。

2.2 表土層移動(dòng)角選擇

根據(jù)第四系表土層等厚線(xiàn)圖和山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)編制完成的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長(zhǎng)子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報(bào)告》顯示，紫沙廟一帶表土層平均厚度為15.6m，紫沙廟一帶煤層頂板含水層富水性弱，松散層下部單位涌水量為q＝0.00046～0.006 L/（s·m）。此外結(jié)合2017版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》對(duì)松散層移動(dòng)角的取值范圍。因此，紫沙廟一帶表土層移動(dòng)角φ可采用50°。

2.3 巖層移動(dòng)角選擇

根據(jù)2017版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》中對(duì)巖層移動(dòng)角的取值范圍，《山西三元煤業(yè)股份有限公司長(zhǎng)子縣下霍井田3號(hào)煤層勘探地質(zhì)報(bào)告》對(duì)煤層上覆巖層的描述：“下霍井田3號(hào)煤層覆巖以中生代、古生代為主，直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，老頂為中-細(xì)粒砂巖，泥巖單向抗壓強(qiáng)度5.8MPa，砂質(zhì)泥巖單向抗壓強(qiáng)度 4.8MPa～26.5MPa，粉砂巖的單向抗壓強(qiáng)度13.7MPa～38.9MPa，老頂單向抗壓強(qiáng)度 33.6MPa～57.0MPa”。參照覆沿性質(zhì)區(qū)分的地表移動(dòng)一般參數(shù)綜合表中：中硬覆巖的單向抗壓強(qiáng)度為30～60MPa，軟弱覆巖的單向抗壓強(qiáng)度為小于30MPa。

表2 保安煤柱設(shè)計(jì)選用的參數(shù)

移動(dòng)角的取值范圍：上山方向巖層移動(dòng)角γ為70°～75°，走向巖層移動(dòng)角δ為70°～75°，下山方向巖層移動(dòng)角β=δ-（0.6-0.7）α。由于礦區(qū)3#煤層覆巖大部以中硬巖層為主，故上山方向巖層移動(dòng)角γ和走向方向巖層移動(dòng)角δ均取中間值72°，由于紫沙廟煤層傾角小于5°。因此，下山方向的巖層移動(dòng)角β=72°，保安煤柱設(shè)計(jì)選用的參數(shù)見(jiàn)表2。

3 垂線(xiàn)法圈定保安煤柱邊界

保安煤柱采用垂線(xiàn)法，由于紫砂廟處于井田礦界邊緣。因此，取各邊界移動(dòng)垂線(xiàn)點(diǎn)連線(xiàn)與礦界交點(diǎn)作為移動(dòng)邊界的角點(diǎn)。在3#煤層底板等高線(xiàn)圖上繪保安煤柱邊界，具體步驟如下。

3.1 圈定受護(hù)邊界

在紫沙廟保安煤柱地形圖上，紫沙廟邊界由4個(gè)拐點(diǎn)組成，以紫沙廟邊界外垂直加20 m圍護(hù)帶寬度，即得到受護(hù)邊界 W1、W2、W3、W4的連線(xiàn)。分別轉(zhuǎn)繪到紫沙廟保安煤柱松散厚度等值線(xiàn)圖（根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)測(cè)繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線(xiàn)圖）和紫沙廟保安煤柱3號(hào)煤層底板等高線(xiàn)圖（根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)測(cè)繪成圖的下霍井田3號(hào)煤層底板等高線(xiàn)圖）上。

3.2 圈定松散層移動(dòng)邊界

表3 松散層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)計(jì)算

紫沙廟表土層移動(dòng)邊界的圈定根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)測(cè)繪成圖的下霍井田三維地震勘探松散層厚度等值線(xiàn)圖，得紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線(xiàn)圖。

在紫沙廟保安煤柱松散層等值線(xiàn)圖上求得各點(diǎn)松散層厚度，取松散層移動(dòng)角φ=50°，可得到松散層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)：L=hctgφ，各點(diǎn)松散層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)見(jiàn)表3。

其次在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線(xiàn)圖上，從受護(hù)邊界各點(diǎn)按松散層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)向外作各邊的垂線(xiàn)，過(guò)同一邊兩垂線(xiàn)端點(diǎn)的直線(xiàn)與各相鄰兩邊的松散層移動(dòng)邊界相交得到 H1、H2、H3、H4各點(diǎn)的連線(xiàn)即為松散層移動(dòng)邊界。

3.3 計(jì)算巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)并圈定保安煤柱邊界

紫沙廟保安煤柱的圈定，根據(jù)山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)測(cè)繪成圖的下霍井田3#煤層底板等高線(xiàn)圖，和山西煤田地質(zhì)勘探114隊(duì)編制完成的《山西三元煤業(yè)股份有限公司長(zhǎng)子縣下霍井田3#煤層勘探地質(zhì)報(bào)告》，及對(duì)應(yīng)井下實(shí)際采掘3#煤層位置情況，在紫沙廟保安煤柱松散層厚度等值線(xiàn)圖上，量取H1、H2、H3、H4各點(diǎn)的松散層厚度。

將紫沙廟保安煤柱松散厚度層等值線(xiàn)圖上的松散層移動(dòng)邊界分別轉(zhuǎn)繪到地形圖和3#煤層底板等高線(xiàn)圖上，從圖上量取可得到 H1、H2、H3、H4各點(diǎn)的地面標(biāo)高和對(duì)應(yīng)的3#煤層底板位置標(biāo)高。各點(diǎn)的地面標(biāo)高與表土層厚度之差是各點(diǎn)的巖層面標(biāo)高，各點(diǎn)巖層面標(biāo)高與煤層底板標(biāo)高之差就是各點(diǎn)的巖層厚度H，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 含3#煤層的巖層厚度表

在紫沙廟保安煤柱3#煤層底板等高線(xiàn)圖上，量取計(jì)算出 H1、H2、H3、H4各點(diǎn)的煤層傾角 α 如表 5，松散層移動(dòng)邊界各邊與煤層傾向線(xiàn)所夾的銳角θ。根據(jù)以下公式計(jì)算各點(diǎn)的巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)，具體數(shù)值詳見(jiàn)表6。

表5 煤層傾角

斜交剖面的上山方向巖層移動(dòng)角：

斜交剖面的下山方向巖層移動(dòng)角：

上山方向巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)：

Q=Hctgβ'÷（1+ctgβ'cosθtgα）

下山方向巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)：

L=Hctgγ'÷（1-ctgγ'cosθtgα）

式中：H為包含3#煤層的巖層厚度；β、γ為下、上山方向巖層移動(dòng)角；θ為松散層移動(dòng)邊界與煤層傾向線(xiàn)所夾銳角；α為煤層傾角。

在紫沙廟保安煤柱3#煤層底板等高線(xiàn)圖上，從松散層移動(dòng)邊界各點(diǎn)按巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)向外作各邊的垂線(xiàn)，過(guò)同一邊兩垂線(xiàn)端點(diǎn)的直線(xiàn)與各相鄰兩邊的巖層移動(dòng)邊界相交得到 B1、B2、B3、B4各點(diǎn)的連線(xiàn)，即為保安煤柱邊界。

4 垂直剖面法圈定保安煤柱邊界

首先沿煤層走向和傾向作垂直剖面，在斷面圖上確定保護(hù)煤柱寬度，最后投影到平面圖上獲得保護(hù)煤柱邊界。

表6 巖層移動(dòng)垂線(xiàn)長(zhǎng)計(jì)算

5 結(jié) 論

既為有效保護(hù)紫沙廟歷史文物遺產(chǎn)，又為避免煤炭資源的浪費(fèi)，根據(jù)兩種方法圈定的保安煤柱邊界，選取重疊區(qū)域作為最佳保安煤柱邊界，最終得紫沙廟保安煤柱圖，最終保安煤柱邊界各角點(diǎn)坐標(biāo)如表7。

表7 紫沙廟保安煤柱邊界各角點(diǎn)坐標(biāo)

從紫沙廟保安煤柱圖上，量得最終保安煤柱的壓煤面積S為43203.383m2。根據(jù)紫沙廟周邊3502#、3708#鉆孔揭煤厚度得壓煤平均厚度h為5.37m，煤層容重為1.42t/m3，最終求得壓煤量如下。

Q=Shρ=43203.383×5.37×1.42≈329443.077t