呂俊沛

（華陽集團新能股份有限公司，山西 陽泉 045000）

目前留設(shè)煤柱計算方法主要有垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法。這幾種方法的本質(zhì)在于利用巖層移動參數(shù)對開采影響范圍進(jìn)行估算，從而確定在開采區(qū)域與被保護體留設(shè)的合適距離[1-5]。

1 工程概況

陽煤集團寺家莊煤礦位于山西昔陽，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，礦井采用斜立混合開拓方式、大采高綜采工藝，主采15 號煤。寺家莊煤礦井田范圍內(nèi)存在秦山水庫，是昔陽縣主要飲用水源之一，為保護秦山水庫的安全，保證寺家莊煤礦井下采掘生產(chǎn)安全，最大限度地開發(fā)寺家莊煤礦煤炭資源，需對寺家莊煤礦秦山水庫進(jìn)行15 號煤層保護煤柱設(shè)計。秦山水庫位于上秦山村西，為松溪河上游支流城西河中游，是昔陽縣主要飲用水源之一，水庫壩體為均質(zhì)碾壓土壩，長374 m，寬5 m，壩底長300 m，寬148m，設(shè)計總?cè)萘?50 萬m3，水庫正常水位為958.25 m。

2 保護煤柱設(shè)計方法選擇

目前留設(shè)煤柱計算方法主要有3 種，包括垂直剖面法、垂線法和數(shù)字標(biāo)高投影法。其中，垂直剖面法是根據(jù)建筑物外圍輪廓以及煤層走向、傾向，從而采用巖層移動參數(shù)計算確定保護煤柱邊界；垂線法是通過在建筑物外圍輪廓留設(shè)一定的維護邊界，采用巖層移動參數(shù)計算基巖移動邊界，并確定邊界垂線長度，從而確定保護煤柱邊界；數(shù)字標(biāo)高投影法是根據(jù)保護煤柱側(cè)平面與煤層等高線的交點確定保護煤柱邊界[5]。寺家莊煤礦秦山水庫受護邊界由20 個點連成的多邊形圈定，形狀不規(guī)則，適用于垂線法，因此確定采用垂線法設(shè)計秦山水庫15號煤層保護煤柱。

3 保護煤柱設(shè)計參數(shù)選取

根據(jù)地形圖上秦山水庫最高洪水位線對水庫圈定受護對象邊界，秦山水庫受護邊界由20 個拐點連成的多邊形圈定。據(jù)《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》的規(guī)定[6]，秦山水庫保護等級屬于Ⅰ級，設(shè)計圍護帶寬度應(yīng)為20 m。秦山水庫角量參數(shù)根據(jù)鄰近陽煤集團老區(qū)已有的移動角參數(shù)確定，確定參數(shù)如下，煤層走向移動角δ取72°，下山移動角γ取72°，上山移動角采用公式β=72°-0.5α 確定，α為煤層傾角，松散層移動角ψ 取45°。地質(zhì)資料顯示，秦山水庫圍護帶邊界松散層厚度在5～15m 范圍，取上限15 m。秦山水庫保護煤柱設(shè)計采用垂線法，具體設(shè)計步驟如下：

（1）計算秦山水庫與煤層斜交剖面移動角β'、γ'，采用公式（1）和（2）計算，公式如下：

ctgβ' =（ctg2β·cos2θ+ctg2δ·sin2θ）1/2（1）

式中：β'、γ'分別表示秦山水庫與煤層斜交剖面上山移動角和下山移動角；β、γ、δ分別表示秦山水庫上山移動角、下山移動角和走向移動角；θ表示秦山水庫圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角。

（2）計算基巖邊界拐點煤柱垂直線長度q、l，采用公式（3）和（4）計算，公式如下：

式中：q、l分別表示秦山水庫保護煤柱上山和下山方向垂直線長度；h、H分別表示松散層厚度和煤層埋深；β'、γ'分別表示秦山水庫與煤層斜交剖面上山移動角和下山移動角；θ表示秦山水庫圍護帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角；α為煤層傾角。

（3）在各點的垂線上按比例截取各計算長度，連接垂線各點形成的多邊形為秦山水庫保護煤柱邊界線。

表1 給出了秦山水庫保護煤柱垂直線長度計算結(jié)果，圖1 給出了秦山水庫保護煤柱留設(shè)示意圖。

圖1 秦山水庫保護煤柱留設(shè)示意圖

表1 秦山水庫煤柱設(shè)計計算表

續(xù)表：

4 秦山水庫壓煤量分析

秦山水庫壓煤量采用地質(zhì)塊段法進(jìn)行估算，采用公式（5）計算，公式如下：

Q=V·C=（A平面積/cosα）·m·C（5）

式中：Q表示秦山水庫壓煤量；A平面積表示秦山水庫保護煤柱邊界在平面上的投影面積；C表示煤的容重；α表示煤層傾角。

經(jīng)計算，秦山水庫保護煤柱壓煤量1 361.32 萬t。秦山水庫保護煤柱壓煤量計算表見表2。

表2 秦山水庫保護煤柱壓煤量計算表

5 結(jié)論

寺家莊煤礦井田范圍內(nèi)存在秦山水庫，是昔陽縣主要飲用水源之一，為保護秦山水庫的安全，也為了保證寺家莊煤礦井下采掘生產(chǎn)安全，最大限度地開發(fā)寺家莊煤礦煤炭資源，采用垂線法設(shè)計了秦山水庫保護煤柱。經(jīng)估算，秦山水庫15 號煤層保護煤柱壓煤量共計1 361.32 萬t，秦山水庫保護煤柱設(shè)計有效地防護了寺家莊煤礦15 號煤層開采對其造成的影響。