張 冬

（陜西延長(zhǎng)石油靖邊煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

新三礦南翼采區(qū)地面為趙莊村，該翼采區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，南以落差為100 m 的斷層EF16為界，采區(qū)內(nèi)又貫穿一條落差為40 多米的斷層和多條落差小于10 m 的小斷層，且煤層傾角變化較大。為了更精準(zhǔn)地保護(hù)南翼采區(qū)地面村莊趙莊村，達(dá)到合理地開采和優(yōu)化利用新三礦煤炭資源的目的，需要考慮落差較大的斷層f2703-1和傾角的變化等因素來科學(xué)地留設(shè)趙莊村保安煤柱。

1 新三礦南翼采區(qū)井上下概況

趙莊村位于新三礦七采區(qū)南翼上方，井田邊界最南端，該村地勢(shì)西南高東北低，標(biāo)高+152～+169 m 左右，人口約800 人，近200 戶，總占地面積999 000 m2，村莊民房占地面積129 870 m2。村莊房屋1/3 是土坯房，其余為磚混或框架結(jié)構(gòu)。該村對(duì)應(yīng)井下為新三礦七采區(qū)南翼地區(qū)，采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，一次性采全高輕型放頂煤，采高2.5 m，頂板管理方法為全部垮落法。本次計(jì)算保安煤柱的煤層為南翼2#煤層，煤層埋深平均585 m，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖，采區(qū)內(nèi)有多條斷層，最大的落差達(dá)到28 m，最小落差3 m。煤層主要由落差最大28 m 的f2703-1斷層隔開，分為東西兩部分，f2703-1斷層以東煤層傾角平均為10°，斷層以西煤層傾角平均為17°。煤層傾角變化較大，采區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，這對(duì)保安煤柱的留設(shè)帶來了不小的困難。

2 相關(guān)參數(shù)的確定

所謂垂線法留設(shè)保護(hù)煤柱，就是用解析方法留設(shè)保護(hù)煤柱[1-2]。先確定受護(hù)范圍的邊界，以受護(hù)邊界為基礎(chǔ)，做出邊界的垂線，再利用公式計(jì)算垂線長(zhǎng)度，從而確定保護(hù)煤柱邊界，多用于延伸形構(gòu)筑物、受護(hù)對(duì)象形狀復(fù)雜且又與煤層走向斜交時(shí)的情況。本次需要保安煤柱留設(shè)的趙莊村受護(hù)邊界不規(guī)則，且受護(hù)邊界與煤層走向斜交，適用于垂線法進(jìn)行保護(hù)煤柱留設(shè)。

2.1 表土層厚度的確定

本次設(shè)計(jì)表土層的厚度以新三礦趙莊村附件鉆孔數(shù)據(jù)資料為參考，厚度為5～7 m，較為穩(wěn)定，采用平均值6 m，具體按受護(hù)角點(diǎn)取其厚度。

2.2 受護(hù)范圍的確定

2.2.1 保護(hù)范圍

以趙莊村總輪廓作為保護(hù)范圍。詳見圖1。角點(diǎn)號(hào)為a、b、c、d、e 圍成的多邊形。

圖1 趙莊村保安煤柱線設(shè)計(jì)圖

2.2.2 圍護(hù)帶寬度的確定

根據(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》第三十五條，村莊屬于磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房或變形縫區(qū)段小于20 m 的兩層樓房、磚瓦民房，按Ⅲ級(jí)保護(hù)，圍護(hù)帶寬度取10 m。以趙莊村受護(hù)范圍外延10 m 作為維護(hù)帶寬度，以a'、b'、c'、d'、e'作為角點(diǎn)圍成多邊形（如圖1）。

2.3 移動(dòng)角值的確定

根據(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》第三十六條：特級(jí)構(gòu)筑物保護(hù)煤柱應(yīng)當(dāng)采用邊界角留設(shè)，其他保護(hù)煤柱按移動(dòng)角留設(shè)，故本次設(shè)計(jì)采用移動(dòng)角來留設(shè)趙莊村保護(hù)煤柱。冀中能源峰峰集團(tuán)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》實(shí)施細(xì)則及補(bǔ)充規(guī)定：南翼2#煤層取表土層移動(dòng)角Φ=45°，基巖移動(dòng)角取走向和上山移動(dòng)角δ=γ=70°，下山移動(dòng)角β=70°-0.6α。此次保安煤柱設(shè)計(jì)涉及垂線沿煤層均為下山方向，故只考慮沿煤層下山方向垂線L；該區(qū)域煤層傾角變化較大[3-4]，取斷層f2703-1以西煤層傾角平均值為α=17°，以東煤層傾角平均值為α=10°。

3 保安煤柱范圍的確定

3.1 表土層受護(hù)范圍的確定

新三礦南翼地表取表土層移動(dòng)角Φ=45°，表土層厚度取平均值6 m，根據(jù)計(jì)算公式S=h×ctg45°可得知表土層受護(hù)范圍為6 m[5]。從各角點(diǎn)引垂線劃出表土層與基巖交界受護(hù)范圍a''、b''、c''、d''、e''多邊形（如圖1）。

3.2 斜交剖面移動(dòng)角β'、γ'角的計(jì)算

地面建筑物保護(hù)煤柱的界線是由巖層移動(dòng)面和煤層相交的線所決定的。由于建筑物的邊界與煤層走向不一致，有不同的交角θ，當(dāng)受護(hù)邊界與煤層走向斜交時(shí)，應(yīng)根據(jù)基巖移動(dòng)角求得垂直于受護(hù)邊界線方向（即偽傾斜方向）的上山方向移動(dòng)角γ'和下山方向移動(dòng)角β'，然后再確定保護(hù)煤柱[6]，如公式（1）、（2）：

趙莊村受護(hù)范圍多邊形各邊與煤層走向斜交，需在基巖內(nèi)分別以斜交剖面移動(dòng)角β'、γ'代替β、γ，圍護(hù)帶邊界與煤層走向線之間所夾的銳角θ由圖上量取[7-8]。根據(jù)垂線長(zhǎng)度計(jì)算公式l=（H-h）ctgγ'/（1-ctgγ'·cosθ·tgα）可得知：本次需要保安煤柱留設(shè)的趙莊村受護(hù)邊界垂線均沿煤層下山方向，故只需計(jì)算ctgγ'值即可，見表1。

3.3 受護(hù)范圍各點(diǎn)埋深（H-h）的計(jì)算

各點(diǎn)的地面標(biāo)高在1:2000 地形圖上求取，煤層埋藏深度由煤層底板等高線圖用內(nèi)插法求取[9]。各點(diǎn)埋深（H-h）值見表1。

3.4 垂線長(zhǎng)度q、l 值的計(jì)算：

用垂線法留設(shè)與煤層走向斜交的保護(hù)對(duì)象煤柱時(shí)，各垂線在上山方向垂線長(zhǎng)度q和下山方向垂線長(zhǎng)度l按下式計(jì)算（由于本次設(shè)計(jì)只涉及下山方向，故本次只計(jì)算下山方向垂線長(zhǎng)度l）[10]：

首先考慮到斷層的影響，由于斷層f2703-1為南北方向，貫穿整個(gè)保護(hù)煤柱范圍，且斷層上下兩盤都需要留設(shè)保安煤柱，如按照以往留設(shè)方法，則保安煤柱線必須穿過斷層，由于斷層落差較大，這樣的做法肯定會(huì)與實(shí)際情況有所偏差，導(dǎo)致最后算得的保安煤柱線不是很精確；其次斷層f2703-1東西兩側(cè)煤層傾角變化較大。綜上因素，應(yīng)當(dāng)分別在斷層f2703-1的上下兩盤分別取兩條垂線來計(jì)算垂線長(zhǎng)度，從而確定更為精準(zhǔn)的保安煤柱線，以1 號(hào)垂線為例，具體算法如下：

通過對(duì)斷層帶上垂線的分析和計(jì)算，將各垂線端點(diǎn)分別用直線連接，由于斷層EF16落差H為100 m，作為井田邊界，1、2 號(hào)與5、6 號(hào)垂線端點(diǎn)的保護(hù)煤柱線以斷層為終點(diǎn)，得出保護(hù)煤柱線如圖1。

4 結(jié)論

1）當(dāng)斷層帶上的地面建筑受護(hù)邊界與煤層走線斜交時(shí)，垂線法留設(shè)保安煤柱較為方便操作。通過分別留設(shè)斷層上下盤兩側(cè)的垂線，計(jì)算垂線長(zhǎng)，獲得斷層上下盤兩側(cè)的保護(hù)煤柱范圍，從而留設(shè)出精準(zhǔn)的保安煤柱，使地面建筑得到更有效的保護(hù)。

3）在對(duì)趙莊村地面沉降觀測(cè)站的實(shí)際觀測(cè)中，趙莊村地表最大下沉值為29 mm，地表水平變形、傾斜與曲率均在Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)范圍內(nèi)，房屋均未受到損壞。數(shù)據(jù)表明：保護(hù)煤柱外的開采活動(dòng)并未引起趙莊村因采動(dòng)影響而出現(xiàn)裂縫及房屋變形，有效地保護(hù)了地表建構(gòu)筑物。

4）斷層的落差、煤層傾角等要素直接影響村莊保護(hù)煤柱的范圍，在實(shí)際的勘探工作中遇到斷層要素、煤層傾角等因素有變化時(shí)，要及時(shí)調(diào)整保護(hù)煤柱的范圍，對(duì)地表建構(gòu)筑物做最大程度地保護(hù)。