煤層露頭保護(hù)煤柱的留設(shè)方法

汪永才

[摘要]隨著我國對(duì)環(huán)境的不斷重視，對(duì)于能源的需求也不斷擴(kuò)大，在對(duì)傳統(tǒng)能源的保護(hù)與開采方面進(jìn)行了多項(xiàng)改革，通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)高速的方式不斷對(duì)煤礦生產(chǎn)模式與規(guī)模進(jìn)行規(guī)范。煤礦在地表的延伸處為煤層露頭，保護(hù)煤柱是為了保護(hù)上方的巖層內(nèi)部與其他不進(jìn)行開采遙結(jié)構(gòu)煤體，而對(duì)地面建筑與結(jié)構(gòu)不造成破壞的一種具體措施。在探明的煤礦之上有可能會(huì)居住建筑存在，對(duì)煤柱的設(shè)置可以有效避免對(duì)人身安全財(cái)產(chǎn)安全造成隱患。

[關(guān)鍵詞]煤層 露頭 保護(hù)煤柱 留設(shè)

[中圖分類號(hào)] P618.11 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2014）-7-69-2

0引言

隨著我國對(duì)于事故發(fā)生概率較高的煤礦生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注度不斷提高，通過一定的政策對(duì)煤礦進(jìn)行規(guī)范化管理。傳統(tǒng)的煤礦在開采過程中生產(chǎn)模式不夠規(guī)范，不但容易造成浪費(fèi)的現(xiàn)象，而且還容易對(duì)周圍的居民生活環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。隨著我國對(duì)煤礦生產(chǎn)的重視程度不斷加深，對(duì)煤礦的生產(chǎn)模式也不斷進(jìn)行探索創(chuàng)新。在煤層的露頭保護(hù)煤柱設(shè)置留設(shè)方面進(jìn)行了較多的研究。本文對(duì)煤層露頭保護(hù)煤柱的留設(shè)方法以及影響因素進(jìn)行分析。

我國目前已經(jīng)探明在存在于建筑物下以及水體下的壓煤問題非常普遍，近年來壓煤開采技術(shù)也取得了不錯(cuò)的進(jìn)步。有一些工業(yè)建筑或政府建筑不易遷移，或者居住人群數(shù)量少，沒有搬遷的必要時(shí)，就需要采用保護(hù)煤柱的方法。

在采礦過程中，覆巖變形破壞是因?yàn)樵瓗r應(yīng)力狀態(tài)下無法保持平衡穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致的后果，在露頭線附近的煤層開采中，為了確保安全，需要留設(shè)一定高度的安全煤柱，留設(shè)越大，壓煤量越多。對(duì)于傾斜的煤層開采中更為突出。煤柱過小，有可能會(huì)造成災(zāi)害性潰水或潰沙事故，使正常的采礦生產(chǎn)難以繼續(xù)。要充分認(rèn)識(shí)到煤層保護(hù)煤柱的重要性，安全煤柱主要是指保持正常勞動(dòng)環(huán)境所留設(shè)的最小限度的煤柱高度。煤層上覆蓋一些含水層構(gòu)成了煤層開采主要充水含水層時(shí)，留設(shè)保護(hù)煤柱的目的是在于減少上水下滲的途徑，因采煤導(dǎo)致的冒落不會(huì)直接導(dǎo)通上部水體發(fā)生災(zāi)害性的潰水事故，影響到人身與財(cái)產(chǎn)安全。

1影響煤層露頭煤柱留設(shè)的主要因素分析

安全煤柱主要有以下幾種類型。首先是防水安全煤柱，當(dāng)上部的水量非常大時(shí)，需要留設(shè)防水為目的的保護(hù)煤柱，安全煤柱的高度與導(dǎo)水裂隙帶的最大發(fā)育高度與保護(hù)層厚度之和；第二是防沙安全煤柱，當(dāng)松散層底部有一些粘塑性隔水層分布時(shí)，可以留設(shè)防沙為目的的安全保護(hù)煤柱，最后是防塌安全煤柱。經(jīng)過多煤層開采的大量經(jīng)驗(yàn)判斷，影響煤層露頭煤柱的留設(shè)主要因素首先是煤層儲(chǔ)存的條件，包括產(chǎn)狀、厚度、分布與力學(xué)性質(zhì)等。不同的煤層露頭肯定需要不同的保護(hù)煤柱的留設(shè)方法，并非一根而論。煤礦采用開采方法與規(guī)模不同，也會(huì)影響到保護(hù)煤柱的留設(shè)方法；煤礦床本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件與新生界松散層的成因類型、巖性結(jié)構(gòu)等。

在每一個(gè)煤礦的具體地質(zhì)環(huán)境與周圍環(huán)境下，都需要采用與之相符的保護(hù)煤柱類型。煤柱的高度也需要與露頭煤層的具體情況保持一致。通過保護(hù)煤柱的設(shè)置，可以有效達(dá)到保護(hù)煤層的目的，確保煤層的開采達(dá)到安全可靠，避免發(fā)生災(zāi)難事故。

2煤層露頭保護(hù)煤柱留設(shè)方法

目前在煤層露頭保護(hù)煤柱的留設(shè)方法中，有多種方法，主要是根據(jù)不同的煤礦實(shí)際情況進(jìn)行區(qū)分與選擇。主要集中于三種，一是垂直斷面法，二是垂線法，三是數(shù)字標(biāo)高投影法。垂直斷面法是利用圖解的辦法，作沿煤層的走向垂直剖面，通過一定的表面立體化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，在剖面上確定煤柱的邊界寬度，投影到平面圖上上得到煤柱的邊界。垂線法主要是采用解析法來進(jìn)行，在此過程中，先作受護(hù)面積邊界的垂線，在平面圖上量出垂線長度，確定保護(hù)煤柱的邊界。數(shù)字標(biāo)高投影法是根據(jù)地表移動(dòng)角的參數(shù)，采用標(biāo)高投影，畫出保護(hù)煤柱的等高線，一般應(yīng)用于延伸型建筑物標(biāo)高變化大的情況使用。

在上文講到的三種保護(hù)煤柱的留設(shè)方法中，垂直斷面法與垂線法兩種主要的方式，簡單易行，根據(jù)移動(dòng)角度來對(duì)保護(hù)煤柱的邊界進(jìn)行確定。垂線法與數(shù)字標(biāo)高投影法則是根據(jù)兩個(gè)斜向斷面的移動(dòng)角，這些方法均是利用了建筑物角點(diǎn)地方多留設(shè)了煤柱，煤層在內(nèi)部傾角不斷增大，造成了很多多余的煤柱。在同一個(gè)礦區(qū)，移動(dòng)角為定值，隨著開采深度不斷擴(kuò)大，采用恒定的傾角保護(hù)煤柱，造成了浪費(fèi)煤炭資源的問題。

以往對(duì)于保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)與留設(shè)計(jì)算都是通過手工計(jì)算完成的，精度難以保證，而且效率極低，未能夠解決足夠復(fù)雜的問題，對(duì)地質(zhì)與采礦方面的因素考慮較少，無法把這些因素加入到計(jì)算中去。同時(shí)這種方式也不利于煤礦開采現(xiàn)代化與自動(dòng)化的要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展以來，具有高速運(yùn)算與大量存儲(chǔ)特點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)方法開始應(yīng)用于保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)過程中。目前計(jì)算機(jī)信息技術(shù)不斷發(fā)達(dá)，軟件在系統(tǒng)中的應(yīng)用也更加廣泛，幾乎每一種設(shè)計(jì)的計(jì)算都需要通過計(jì)算機(jī)來完成，尤其是大量的計(jì)算存在的設(shè)計(jì)，保護(hù)煤層的具體情況較為復(fù)雜，需要不斷通過參數(shù)的加入與計(jì)算的調(diào)整獲得最為科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，來對(duì)煤層開采提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3露頭防水煤柱留設(shè)方法

在有突水威脅而不宜進(jìn)行疏散的地區(qū)進(jìn)行煤礦開采時(shí)，需要進(jìn)行防水煤柱留設(shè)，防水保護(hù)煤柱一般只能使用一次，需要把煤柱的寬度降低到最低的限度，在開采完成后可以通過填充與改造含水層的辦法，提高資源的利用率。在防水煤柱的留設(shè)時(shí)需要與當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造與水文地質(zhì)條件、煤層組合結(jié)構(gòu)方式等因素進(jìn)行緊密結(jié)合，忽視其中的任何一個(gè)因素都有可能會(huì)導(dǎo)致留設(shè)的失敗，影響正常開采。在多煤層地區(qū)，防水煤柱需要統(tǒng)一考慮，避免某一層的開采對(duì)另一煤層的煤柱造成破壞。

在進(jìn)行煤層露頭防隔水煤柱的留設(shè)時(shí)，需要注意的問題較多，主要是在設(shè)計(jì)與施工中的合理性問題，目前主要集中在兩種主要情況需要注意。第一，煤層露頭沒有覆蓋時(shí)，防水煤柱的高度為采報(bào)冒落帶高度與保護(hù)層厚度之和，如果煤層露頭被松散富含水層覆蓋時(shí)，防水煤柱的高度為垂直煤層的導(dǎo)水裂隙高度與保護(hù)層的厚度之和。

4斷層影響下的保護(hù)煤柱留設(shè)

斷層的強(qiáng)度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于周圍巖體的強(qiáng)度，在開采過程中，受到附加力的影響，有可能會(huì)產(chǎn)生地表的非連續(xù)性變化移動(dòng)。在實(shí)際的開采過程中，一旦有斷層的存在，將有可能會(huì)引起上下盤沿?cái)鄬用嫦鄬?duì)錯(cuò)位移動(dòng)，在內(nèi)部應(yīng)力的作用下容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去平衡。首先斷層露頭處地表上會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階狀的一條條裂縫，其次有可能會(huì)改變深陷的影響范圍，使更大的區(qū)域沉降。

在煤礦礦區(qū)內(nèi)斷層近處的工作面開采一般都利用了移動(dòng)角來對(duì)煤礦進(jìn)行保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)留設(shè)，但在實(shí)際開采過程中，巖層移動(dòng)沿著斷層帶面不斷向上發(fā)展，從而導(dǎo)致了斷層帶的活化，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下，有可能會(huì)從內(nèi)到外形成裂縫問題，甚至有可能在地面露頭產(chǎn)生強(qiáng)大的非連續(xù)變形，造成地面裂縫，有可能會(huì)引起開采損害。當(dāng)?shù)V區(qū)有斷層存在時(shí)，需要根據(jù)斷層的露頭位置附近的地面設(shè)施忣 承載變形能力，合理地選擇好參數(shù)，留設(shè)斷層的保護(hù)煤柱，在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，選擇具有地質(zhì)采礦技術(shù)下的開采引起的地表移動(dòng)變形邊界角來作為主要參數(shù)。

5結(jié)語

隨著我國對(duì)煤礦關(guān)注度不斷提高，煤礦的開采、生產(chǎn)經(jīng)營、規(guī)模等都將會(huì)進(jìn)行規(guī)范化管理。煤層露頭的保護(hù)煤柱留設(shè)的目的就是為了保障建筑物與其他的結(jié)構(gòu)完整，避免受到開采過程較嚴(yán)重的破壞。在未來，我國的煤層開采規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)于新技術(shù)工藝在開采過程中應(yīng)用將會(huì)不斷增加，對(duì)保護(hù)煤柱的研究也不斷深入。通過對(duì)生產(chǎn)技術(shù)的不斷研究，為我國煤炭開采行業(yè)提供更充分的依據(jù)，讓煤礦生產(chǎn)變得加更加安全高效。

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