牛志杰

（山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

為避免煤炭開采采空區(qū)沉陷對地表構筑物、巷道等影響，需要留設一定范圍的保安煤柱[1]。合理留設保安煤柱對確保地面構筑物穩(wěn)定以及煤炭資源高效利用等均有重大意義[2]。下霍礦新建回風井用以井下通風，根據(jù)區(qū)域地質情況，提出采用垂線法確定保護煤柱，以期在確保回風巷圍巖穩(wěn)定基礎上提升煤炭資源利用率。

1 工程概況

新建回風井工業(yè)廣場位于下霍井田中部，占地面積約0.93 萬m2。新建回風井工業(yè)廣場地面建筑類型包括設有橋式吊車的工業(yè)廠房等，構筑物較為重要。新建回風井工業(yè)廣場地勢較為平坦，由南向北逐漸降低，地表標高+946 m。在新建風井工業(yè)周邊有3602#、3603#、3704#三個鉆孔，鉆孔探測結果見表1。松散層厚均值92.6 m，3 號煤埋深494 m，傾角3°～8°。

表1 探測鉆孔探測參數(shù)

2 圍護帶寬度、松散層及移動角確定

2.1 圍護帶寬度選擇

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）相關要求，新建回風井工業(yè)廣場確定保護等級為Ⅱ級，依據(jù)表2 所述建筑物各保護等級的圍護帶寬度，新建回風井工業(yè)廣場圍護帶寬度為15 m[3-4]。

表2 建筑物各保護等級的圍護帶寬度

2.2 松散層移動角選擇

礦區(qū)新建回風井工業(yè)廣場一帶松散層平均厚度為92.6 m，參照“規(guī)范”中關于松散層移動值φ取值要求，當松散層厚度大于60 m 時，松散層移動角φ取60°，為此確定φ=60°。

2.3 巖層移動角選擇

在保護煤柱設計時移動角采用類比法確定，結合下霍礦現(xiàn)有的生產(chǎn)條件、以往保護煤柱留設技術方法，并按照相關規(guī)范標準要求，最終選用的下山、上山方向移動角β、γ分別為68°、71°，走向方向移動角δ為70°。

3 垂線法圈定保安煤柱邊界

3.1 圈定受護邊界

2021 年10 月地測科相關測量人員用GPS 對新建回風井工業(yè)廣場圍墻邊界進行了實地測量，作為保護煤柱的受護邊界。

3.2 圈定圍護帶

在新建回風井工業(yè)廣場保安煤柱地形圖上，共由4 個拐點組成，由于新建回風井工業(yè)廣場按Ⅱ級進行保護，在原有受護邊界外加15 m 即得到圍護帶邊界，邊界為W1、W2、W3、W4 拐點連線。

3.3 圈定松散層移動邊界

依據(jù)新建回風井工業(yè)廣場保安煤柱松散層厚度，根據(jù)公式（1）可計算松散層移動垂線長[5-7]：

l=hcotφ（1）

式中：h為松散層厚度，m；φ為松散層移動角，取60°。具體結果見表3。

表3 松散層移動垂線長 m

保安煤柱松散層等厚線圖上，依據(jù)圍護帶各拐點W1、W2、W3、W4 位置、松散層移動垂線長即可得到松散層移動各拐點H1、H2、H3、H4 位置，各拐點連線即為松散層移動邊界。

3.4 保安煤柱邊界確定

各拐點地表標高與松散層間差值即為層面標高，而巖層厚度為巖層面標高與拐點對應煤層底板標高之差，具體各拐點位置確定的巖層厚度見表4。

表4 各拐點的巖層厚度 m

在新建回風井工業(yè)廣場保安煤柱3 號煤層底板等高線圖上，得到H1、H2、H3、H4 各拐點位置煤層傾角α，具體見表5。

表5 各拐點煤層傾角

斜交剖面的上山方向巖層移動角：

斜交剖面的下山方向巖層移動角：

上山方向巖層移動垂線長：

下山方向巖層移動垂線長：

式中：H為巖層厚度，m；β、γ為下、上山方向巖層移動角；θ為松散層移動邊界與煤層傾向線間夾角（銳角）；α為煤層傾角。結合下霍礦條件，根據(jù)（2）～（5）公式計算求得各垂線長度，具體見表6。

表6 各拐點的巖層移動垂線長

根據(jù)所求得的Q或L值，依次在各拐點作對應垂線得保護煤柱邊界各拐點B1、B2、B3、B4 位置，上述各拐點連線即為保安煤柱邊界，具體如圖1，用圖解法得出保安煤柱各拐點坐標值，具體見表7。

圖1 保護煤柱范圍（m）

表7 保安煤柱各拐點坐標值

3.5 壓煤量計算

從新建回風井工業(yè)廣場保安煤柱圖上，量得井田內(nèi)新建回風井工業(yè)廣場保安煤柱的壓煤面積為263 547 m2，其中，DX2 陷落柱損失煤柱面積為1603 m2。具體壓煤量可通過下述公式計算：

式中：Q為資源量，萬t；S為斜面面積，取值261 944（263 547-1603）m2；h為煤厚，取值5.1 m；d為煤層視密度，取值1.35 t/m3。求得壓煤量Q=（263 547-1603）×5.1×1.42 ≈189.7 萬t。

4 結語

垂線法是保護煤柱留設時常用計算方法，具有計算簡單優(yōu)點，在保障礦井煤炭資源安全回采同時可有效減少煤柱壓煤損失。依據(jù)下霍礦新建回風井現(xiàn)場實際情況采用垂線法確定保安煤柱邊界，在垂線法應用時首先應根據(jù)建筑物重要程度確定保護等級為Ⅱ類，圍護帶寬度為15 m；采用工程類比法并結合相關規(guī)范要求，確定下山、上山方向移動角β、γ分別為68°、71°，走向方向移動角δ為70°。根據(jù)垂線法計算要求，得到保安煤柱邊界拐點并給出保安煤柱各拐點坐標值；對保護煤柱壓煤量進行計算，最終求得3 號煤層壓煤量為189.7 萬t。研究成果可為其他礦井采用垂線法確定保安煤柱時提供經(jīng)驗參考。