田迎斌

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013; 3.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，我國“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤在各個新老礦區(qū)普遍存在，其中又以建筑群下壓煤居多[1]。上述“三下”壓煤設(shè)計保護煤柱留設(shè)采用的基本方法，即為《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱《開采規(guī)范》)推薦的垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法。其中，建筑群保護煤柱留設(shè)方法采用的是垂線法[2-7]。但根據(jù)《開采規(guī)范》中推薦的垂線法留設(shè)建筑群保護煤柱，將會造成煤柱轉(zhuǎn)角處煤柱留設(shè)不合理，從而減少了煤礦的可采資源儲量，使原本能夠開采的煤炭資源成為呆滯資源，所以按常規(guī)垂線法所留設(shè)的保護煤柱是偏于保守的。垂線法是一種解析方法，該方法求的是與受護邊界相垂直的計算剖面上煤柱的平面投影計算長度[8]。通過研究其基本原理，實際上可以利用其垂線長度計算公式來計算某受護點在任意方向上的q(上山垂線長)或l(下山垂線長)之值，從而為煤柱合理精確留設(shè)提供理論依據(jù)?；诖嗽O(shè)計思想，通過確定松散層受護邊界轉(zhuǎn)角處外側(cè)任意方向的煤柱計算長度，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角處煤柱的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)垂線法基本作圖過程，采用CAD的VBA和AutoLisp二次開發(fā)語言實現(xiàn)了人機交互優(yōu)化留設(shè)建筑群保護煤柱，解決了常規(guī)手工計算、作圖復(fù)雜和效率低的難題。

1 垂線法留設(shè)建筑群保護煤柱基本步驟及問題分析

1.1 基本步驟

(1)建筑物保護等級劃分及維護帶寬度確定

《開采規(guī)范》第11條規(guī)定，按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果，將礦區(qū)范圍內(nèi)的建筑物保護等級分為五級，分別為特級、Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級。

《開采規(guī)范》第13條規(guī)定，圍護帶寬度必須根據(jù)受護對象的保護等級確定，見表1。

表1 建筑物各保護等級的圍護帶寬度

(2)確定建筑群外輪廓邊界

在建筑群平面布置圖中確定建筑群最外輪廓特征點，并將所有特征點連接成線形成多邊形，以該多邊形作為建筑群外輪廓邊界。

(3)圍護帶邊界及松散層保護邊界確定

根據(jù)受護對象的保護等級，以建筑群外輪廓邊界向外側(cè)偏移相應(yīng)的圍護帶寬度，以偏移后的邊界作為圍護帶外邊界。

松散層厚度為h，移動角為φ，則松散層受護平面投影寬度s=hcotφ。松散層移動角一般按45°考慮，則s=h。以圍護帶外邊界向外偏移寬度s后，即可得松散層保護邊界。

(4)計算垂線長度

建筑群保護煤柱在煤層上山方向垂線長度q和下山方向垂線長度l按下式計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，h為松散層厚度，m；H為煤層到地表的埋藏深度，m；α為煤層傾角，°；θ為圍護帶邊界與煤層走向之間所夾的銳角，°；γ、β、δ分別為上山、下山和走向方向移動角，°；γ′、β′分別為上山、下山方向的斜交剖面移動角，°。

(5)確定保護煤柱邊界

分別以松散層保護邊界各拐點為基準(zhǔn)做垂線q或l，然后將各垂線端點相連成線，并將各線延伸相交，即可獲得建筑群的平面保護煤柱邊界線。

1.2 問題分析

通過實踐分析可知，在垂線法留設(shè)保護煤柱過程中存在如下問題：

(1)步驟多，參數(shù)多，過程繁瑣，效率低，期間涉及到大量角度換算、計算和精確作圖等內(nèi)容，且相關(guān)計算和作圖不能有機結(jié)合。

(2)確定建筑群外輪廓邊界時如果出現(xiàn)較小角度的銳角轉(zhuǎn)角，則最后確定的保護煤柱線同樣將會現(xiàn)相同角度的轉(zhuǎn)角，這樣會造成留設(shè)煤柱范圍過大且不合理從而造成資源浪費，不能實現(xiàn)開采資源的優(yōu)化，影響采區(qū)及工作面布置。

(3)國內(nèi)相關(guān)科技工作者在不同平臺下開發(fā)了一些自動繪制建筑群煤柱的相關(guān)軟件[9-14]。當(dāng)所確定的建筑群外輪廓邊界合適和建筑群下煤層賦存穩(wěn)定且傾角變化不大情況下，采用軟件自動繪制煤柱是可行的。但上述軟件同時存在以下不足：

一是其前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備比較繁瑣，大多需要從CAD圖紙中獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及到不同軟件間數(shù)據(jù)的獲取和傳遞的問題。只有當(dāng)所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成才能夠繪制保護煤柱，而不能根據(jù)某點的相關(guān)參數(shù)隨時繪制該點在任意方向上的保護煤柱尺寸。

二是當(dāng)建筑群下煤層賦存條件復(fù)雜，其走向和傾角變化較大的情況下，將會出現(xiàn)相鄰兩條煤柱線相交異?；虿荒芟嘟坏膯栴}。

2 程序設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

現(xiàn)在計算機在輔助制圖方面得到了廣泛應(yīng)用，使人們基本上告別了純手工制圖方式。根據(jù)對垂線法留設(shè)保護煤柱的基本步驟的分析，確定了采用人工與計算機交互的方式實現(xiàn)垂線法留設(shè)保護煤柱。通過對垂線法相關(guān)計算公式的分析可知，共涉及到7個基礎(chǔ)參數(shù)，分別為α、β、γ、δ、θ、H和h，其他參數(shù)或數(shù)據(jù)都可以由上述7個參數(shù)計算得到。上述基礎(chǔ)參數(shù)及涉及到的上下山邏輯判斷主要由人工輸入完成，而相關(guān)計算及繪圖由計算機完成。人機交互實現(xiàn)垂線法優(yōu)化留設(shè)保護煤柱流程見如圖1所示。

2.2 參數(shù)確定應(yīng)注意的問題

垂線法留設(shè)建筑群保護煤柱相關(guān)計算參數(shù)應(yīng)根據(jù)礦井巖移參數(shù)、建筑群受護邊界走向、煤層賦存情況等選取。

圖1 人機交互留設(shè)建筑群保護煤柱流程圖

(1)參數(shù)β、γ、δ確定

β、γ、δ一般為相對固定參數(shù)，但對于大范圍建筑群而言，有時建筑群會跨不同礦井或不同采區(qū)。如果建筑群范圍較大從而跨越不同礦井和采區(qū)范圍，則在確定垂線q或l時應(yīng)根據(jù)不同礦井或不同采區(qū)選取相應(yīng)的參數(shù)值。

(2)參數(shù)α、H和h確定

參數(shù)α、H和h是隨著松散層保護邊界拐點的位置不同而相應(yīng)變化著的。α應(yīng)根據(jù)垂線起點處沿上山或下山方向的煤層實際傾角進行確定，否則，會造成垂線q或l計算數(shù)值偏大或偏小，見圖2所示。圖2(a)中所計算的垂線q值要大于實際的q值，所計算的垂線l值要大于實際的l值；圖2(b)中所計算的垂線q值要小于實際的q值，所計算的垂線l值要小于實際的l值。當(dāng)然計算點下方煤層變化不僅只有圖2所列示例，而是還有其他多種情況，比如計算點下方兩側(cè)煤層傾向相反等?？傊?，在計算q或l時應(yīng)堅持的原則就是根據(jù)確定所需計算側(cè)的煤層賦存情況確定煤層傾角。相對而言，H和h較容易確定，不再贅述。

圖2 垂線q及l(fā)的計算示意圖

q實為該點實際的q；q計為該點按平均傾角計算的q；L實為該點實際的l；l計為該點按平均傾角計算的l；圖中藍色虛線代表按平均傾角計算采用的煤層。

(3)參數(shù)θ確定

參數(shù)θ原定義為圍護帶邊界與煤層走向之間所夾的銳角，但在某些情況下該概念在使用中并不方便。如果以垂線q或l所指的方向定義為計算方向，則參數(shù)θ也可定義為計算方向與煤層傾向線所夾的銳角，如圖3所示。當(dāng)對拐角處煤柱進行優(yōu)化設(shè)計時，可通過拐點P向煤柱拐角處可以引出一個或數(shù)個計算剖面，各剖面與煤層傾向線所夾銳角即為θ，如圖4所示。由圖4可見，垂線PA和垂線PB是通過P點的兩條特殊垂線，分別與各自的松散層圍護邊界垂直，也就是按常規(guī)垂線法求出的垂線長。

圖3 參數(shù)θ的不同意義

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1菜單、窗體和人機交互命令設(shè)計

CAD系統(tǒng)提供了多種方式進行人機交互，包括菜單、工具條和命令行窗口。菜單、窗體和人機交互命令設(shè)計主要通過CAD二次開發(fā)語言AutoLisp和VBA進行實現(xiàn)。以“留設(shè)保護煤柱”作為主菜單，其中，包括了3個子菜單，分別為垂線法建筑群保護煤柱、垂直剖面法建筑物保護煤柱和垂直剖面法鐵路保護煤柱，如圖5所示。

圖4 參數(shù)θ的應(yīng)用

圖5 保護煤柱菜單設(shè)計

CAD中垂線法繪制q或l操作步驟如下：

(1)點擊“垂線法建筑群保護煤柱”子菜單后，隨即彈出基礎(chǔ)參數(shù)輸入對話框，如圖6所示。在該對話框窗體中，可以人工輸入某垂線起點(松散層保護邊界拐點)處相關(guān)參數(shù)。其中，煤層傾角可以通過其后的按鈕在圖中直接量取，并將煤層傾角自動追加到文本框。窗體中提供了兩個設(shè)計的按鈕，分別為“常規(guī)設(shè)計”和“優(yōu)化設(shè)計”。

(2)當(dāng)在窗體內(nèi)輸入全部參數(shù)后，點擊“常規(guī)設(shè)計”按鈕，程序會啟動命令行窗口的繪制建筑群保護煤柱命令“jzqbhmzplot”，同時將窗體內(nèi)所有參數(shù)傳遞到命令行以供程序調(diào)用。程序自動計算該拐點處的上山偽移動角γ'、下山偽移動角β'、上山方向垂線長度q和下山方向垂線長度l，并在命令行進行輸出顯示，然后對該點適用的垂線q或l進行人工判斷，最后將q或l以實際長度在圖中進行自動精確繪制，同時進行文字標(biāo)注，分別見圖7和圖8。

圖6 參數(shù)輸入窗體

圖7 命令行人機互動

圖8 鼠標(biāo)點擊次序

2.3.2 煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計

按規(guī)范垂線法留設(shè)建筑群保護煤柱會造成煤柱拐角處壓大量壓煤，特別當(dāng)煤柱轉(zhuǎn)角為小角度時，所形成的保護煤柱范圍更加不合理。所以，需要對煤柱轉(zhuǎn)角處煤柱保護線進行優(yōu)化設(shè)計。煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計的基本原理是以某點為保護對象，通過該點向偽上山方向或偽下山方向做任一剖面，在該剖面上計算得到的q或l即為該受保護點在該方向上所需的煤柱平面投影長度。當(dāng)所做剖面與煤層走向或傾向相重合時，則為其中一種特殊情況的表現(xiàn)。

以圖9所示說明煤柱轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計后的效果。以P點為基準(zhǔn)做3個剖面，并量取各剖面的θ角，分別計算并繪制了各方向的垂線，連接BM′M″M?A所形成的折線即為優(yōu)化設(shè)計后的轉(zhuǎn)角煤柱。當(dāng)在轉(zhuǎn)角處設(shè)計的剖面越多，最終在拐角處形成的煤柱線就越圓滑。優(yōu)化設(shè)計時具體操作步驟與常規(guī)設(shè)計基本相同，僅在最后提示鼠標(biāo)點擊時與常規(guī)設(shè)計有所區(qū)別。優(yōu)化設(shè)計時僅需用鼠標(biāo)點擊兩點，即拐點處及計算方向上任一點，即可繪制計算方向的垂線。

圖9 煤柱轉(zhuǎn)角處優(yōu)化設(shè)計

3 實例分析

某礦建筑群外輪廓呈不規(guī)則四邊形，分別以常規(guī)設(shè)計法和優(yōu)化設(shè)計法留設(shè)保護煤柱，兩種方法留設(shè)的煤柱平面如圖10所示。根據(jù)該建筑群下壓煤的厚度、傾角和容重等基礎(chǔ)信息，經(jīng)計算，常規(guī)設(shè)計法煤柱壓煤量328.62萬t，優(yōu)化設(shè)計法煤柱壓煤量295.16萬t，優(yōu)化設(shè)計法可比常規(guī)設(shè)計法減少壓煤33.46萬t，為原煤柱壓煤量的10%。因優(yōu)化設(shè)計可解放的煤炭資源，按噸煤售價500元計算，可創(chuàng)造產(chǎn)值1.67億元；按噸煤利潤100元計算，可創(chuàng)造經(jīng)濟效益3346萬元。優(yōu)化設(shè)計后使建筑群壓煤面積及壓煤量減小，提高了煤礦經(jīng)濟效益。同時，增加了煤炭可采資源儲量，延長了礦井服務(wù)年限，具有顯著的社會效益。

圖10 常規(guī)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計煤柱對比圖

4 結(jié) 論

(1)在利用垂線法留設(shè)保護煤柱選取各個基礎(chǔ)參數(shù)時，應(yīng)根據(jù)建筑群與地下煤層賦存條件變化情況進行具體分析選取，使計算結(jié)果更加合理、精確、可靠。

(2)在CAD中綜合運用菜單、VBA窗體及自定義命令方式，實現(xiàn)了人機交互留設(shè)建筑群保護煤柱，相較人工計算和作圖，其準(zhǔn)確性和效率得到較大提高。

(3)通過分析垂線法基本原理，實現(xiàn)了對煤柱轉(zhuǎn)角處設(shè)計的優(yōu)化，使建筑群壓煤面積及壓煤量得以降低，提高了資源回收率，延長了礦井服務(wù)年限，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。