辛志強

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

采礦引起的巖層與地表移動，使位于其影響范圍內的地面建筑物遭受不同程度的破壞，而大部分煤礦處于山區(qū)，山區(qū)村莊房屋的建設并不規(guī)則，地面村莊壓覆給井工礦井開采開拓布局帶來極大影響。傳統(tǒng)的礦井設計中，將許多不規(guī)則多邊形簡化為四邊形，留設的煤柱呈規(guī)則形狀，導致實際留設煤柱過多或過少，達不到防護效果，造成資源浪費。如何科學合理的留設保護煤柱，為企業(yè)做出合理搬遷規(guī)劃及后期塌陷治理指導，達到防護要求，避免資源浪費，具有現實意義[1-4]。

1 概 況

磁窯溝煤礦井田面積10.622 7 km2，批準開采8-14號煤層，開采深度1 100～780 m。礦井行政區(qū)劃隸屬河曲縣鹿固鄉(xiāng)和巡鎮(zhèn)管轄，位于河東煤田河曲、偏關礦區(qū)內的中東部。井田總體形態(tài)為一走向近南北向，傾向向西的單斜構造，并伴有寬緩的褶曲，地層傾角1°～9°，井田內尚未發(fā)現破壞煤層的斷層。井田內地層由老至新依次為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2s）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、第三系上新統(tǒng)（N2）、第四系中、上更新統(tǒng)（Q2+3）。10-2#煤層厚1.40～11.98 m，平均厚度5.82 m，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，煤質相對較好，屬長焰煤。頂板為泥巖、砂質泥巖；底板為砂質泥巖、泥巖、細砂巖，該煤層在井田東部有部分剝蝕區(qū)。10-2號煤層垮落帶和導水裂隙帶可達地表。

2 保護煤柱留設影響因素

為了保護地面某些建筑物，需要按建筑物的重要性、用途及受開采影響引起的不同后果，留設保安煤柱，其實質是根據已掌握的地表移動規(guī)律，在煤層層面上圈定一個保護煤柱的邊界，使開采的影響不波及到需要保護的范圍。以往實測資料及理論研究已證實，影響煤柱留設的因素如下[5-7]。

（1）上覆巖層巖性。上覆巖層的巖性及其堅硬強度會對煤柱的強度造成影響，一般來說，上覆巖層中堅硬巖石占比高，所留設的保護煤柱寬度越小，松散層厚度越大，造成的軟巖占比會急劇上升，所需留設的保護煤柱寬度就會越大。

（2）煤柱強度。煤柱強度不僅與煤柱的力學性質、煤柱內的弱面、頂底板巖性和煤柱側向內里應力等因素有關，而且與煤柱長度、寬度和高度等因素有密切關系。

（3）開采深度。在相同的地質條件下，地表巖移變形值與采深成正比，采深越大，變形值越小，當達到一定深度時，采礦活動就不會對地表構筑物造成影響。

（4）開采煤層厚度。在相同的地質采礦條件下，開采煤層厚度越大，地表巖移形變值就越大，變形過程更劇烈，影響范圍就越大，相應的保護煤柱尺寸就要求越大。

（5）煤層傾角。煤層傾角不同，將會影響巖層的受力狀態(tài)和應力集中程度，上覆巖層移動形式、破壞分布狀態(tài)等特征也就不同。煤層傾角增大，會造成地表巖移急劇向下山方向擴張。

3 村莊保護煤柱的留設方法

在一些條件下，井田范圍內村莊不搬遷或就地重建等方式在技術上不可能或經濟上不合理，因此在礦井設計時應規(guī)劃村莊保護煤柱[1]。留設保護煤柱是確保建筑物、構筑物、水體等不受煤礦開采影響的最有效方法。保護煤柱留設的方法有垂直剖面法、數字標高投影法和垂線法。

垂直剖面法是一種圖解方法，需要沿煤層走向和傾向分別作垂直剖面，從而確定保護煤柱邊界；數字標高投影法用于設計延伸形建（構）筑物或基巖面標高變化較大情況下的保護煤柱，要求先在圖上作出保護煤柱空間體側平面的等高線，在此基礎上繪制出保護煤柱邊界；垂線法是一種解析方法，是把解釋方法和作圖法結合起來確定保護煤柱邊界。垂直剖面法和數字標高投影法的作圖工作都比較繁瑣，相對而言，垂線法作圖工作簡便，較適宜于在計算機上作圖[8]。本文以磁窯溝煤礦為例，利用垂線法對井田范圍內的東山梁村保護煤柱留設尺寸進行計算。

3.1 確定受保護范圍邊界

根據東山梁村地面建筑物位置和范圍，在平面圖上確定受護邊界為以1～12號點形成的不規(guī)則12邊型，如圖1（a）所示。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》第十一條，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)范圍內建筑物保護等級分為五級。東山梁村主要建筑物為磚木、磚混結構平房、村莊房屋等，應按照三級保護等級進行煤柱設計，圍護帶寬度為10 m。按保護等級平行于保護對象的輪廓線外推10 m留設圍護帶，可得到受護范圍邊界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′，如圖1（b）所示。

3.2 確定松散層保護邊界

東山梁村附近施工了ZK2地質鉆孔，根據揭露情況及地表調查，村莊所在地段由第四系覆蓋，松散層厚度約為25 m。本區(qū)域所處為河東煤田，開采的10-2號煤層屬于石炭二疊系上統(tǒng)太原組，覆巖大部分為厚砂巖、砂頁巖，傾角在1°～9°，平均為5°。根據《建筑物、水體、鐵路與主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》提供的河東（二疊系）地表移動實測數據，設計保護煤柱時選用以下移動角：β=62°、γ=74°、δ=68°、φ=45°，β、γ、δ分別為下山、上山、走向方向的巖層移動角，φ為松散層移動角[10]。

在受護范圍邊界1′2′3′4′5′6′7′8′9′10′11′12′向外量一段距離S，得出松散層保護邊界。S由式（1）計算：

式中：S為松散層保護邊界寬度，m；h為松散層厚度，m；φ為松散層移動角，（°）。

通過計算，得出S=25 m，在受護范圍邊界外推25 m劃出多邊形，即為東山梁村的松散層保護邊界，如圖1（c）所示。

圖1 東山梁村受護范圍邊界Fig.1 Boundary of the scope of protectionin Dongshanliang Village

3.3 計算垂線長度

東山梁村保護邊界地表實測標高為1 064—1 096 m，按照已揭露高程修訂的煤層底板標高為912—938 m，下方煤層埋深為127～183 m。由A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L各點分別做線段AB、BC、CD、DE、EF、FG、GH、HI、IJ、JK、KL、LA的垂線，煤柱在煤層上山方向垂線長度q和下山方向垂線l按式（2）、式（3）計算：

在松散層內采用松散層移動角φ畫直線，在基巖內側則分別以斜交剖面移動角β′、γ′代替移動角β、γ，斜交剖面移動角按式（4）、式（5）計算：

式中：h為松散層厚度，m；H為煤層到地表的垂深（從受護邊界起在松散層中以角作直線與基巖面相交；H值為過此交點的煤層深度），m；α為煤層傾角，（°）；θ為圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角，（°）；γ′、β′為分別為上山、下山方向的斜交剖面移動角，（°）。

在計算垂線時，還需要考慮山體受采動滑移附加變形對受護建筑物的影響，經過對東山梁村保護煤柱邊界的預算，受護邊界至煤柱邊界范圍內的地表平均坡度均大于15°，所以在本次計算時，在已選擇巖層移動角的基礎上，建筑物上坡方向（對應下山方向）移動角減小7°，建筑物下坡方向（對應上山方向）移動角減小3°。修正后，下山方向巖層移動角β=55°，上山方向巖層移動角γ=71°。

為了提升垂線計算速度和減少錯誤，考慮使用Excel軟件進行計算[10]。參與計算的角度系統(tǒng)均默認為弧度，所以，需要將下山方向巖層移動角β、上山方向巖層移動角γ、走向方向移動角δ，圍護帶邊界與煤層走向線所夾的銳角θ，煤層傾角α，全部按（角度*n/180）轉換成弧度，在表格中為β1、γ1、δ1、θ1、α1。根據式（2）、式（3）、式（4）、式（5）進行垂線q或l計算，結果見表1。

3.4 確定保護煤柱邊界

在各垂線上，按比例尺分別截取各垂線段的計算長度，用直線分別連接垂線各端點，即為保護煤柱邊界。按照表1計算結果，分別在各垂線上按比例量取或值，得到A11、A12、B13、B14、C15、C16、D17、D18、E19、E20、F21、F22、G23、G24、H25、H26、I27、I28、J29、J30、K31、K32、L33、L34垂線段，用直線分別為連接A12和B13、B14和C15、C16和D17、D18和E19、E20和F21、F22和G23、G24和H25、H26和I27、I28和J29、J30和K31、K32和L33、L34和A11，使垂線各端點相交即可得到保護煤柱邊界。在垂線連接過程中，B14、G23、H25、I27、K32小于相鄰垂線端點連接長度，為了保證保護煤柱符合垂線計算結果，采用相鄰各點的最大垂線長度進行垂線端點連接，得到多邊形A′B′C′D′E′F′G′H′I′J′K′L′，即為東山梁村保護煤柱邊界，如圖2所示。

表1 垂線長度q、l計算結果Table 1 Vertical length,calculation results

圖2 東山梁村保護煤柱邊界Fig.2 Boundary of protective coal pillar in Dongshanliang village

4 結 語

通過分析村莊保護煤柱留設的影響因素，結合磁窯溝煤礦地表地形及井下煤層走向、傾向等實際情況，采用垂線法對東山梁村進行保護煤柱的留設，東山梁村保護煤柱寬度與村莊邊界范圍在91～116 m，根據計算結果留設保護煤柱對煤礦的安全生產和資源保護具有一定的指導作用。經過理論研究和實例計算，垂線法在礦井保護煤柱留設方法中較為簡便，在能夠保障礦井安全開采的同時，能夠減少壓煤損失，最大限度避免資源浪費，利用垂線法進行礦井村莊保護煤柱留設是比較合理的方法。