長平煤業(yè)公司保安煤柱設(shè)計(jì)研究

黃乃寶

（晉城澤祥勘探測繪有限公司，山西 晉城 048006）

1 工程概況

1.1 礦井概況

長平煤業(yè)公司井田位于太行山南段西側(cè)，沁水盆地南緣。礦井工業(yè)廣場位于山西省高平市寺莊鎮(zhèn)掘山村，行政區(qū)劃屬山西省晉城市所轄，跨沁水、高平二縣；其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°44′54.124″～112°50′52.21″，北緯35°51′02.35″～35°55′12.45″。

為滿足長平煤業(yè)公司安全生產(chǎn)，合理開采資源，保護(hù)地面構(gòu)建物的需要，對礦區(qū)3#煤層開采的有關(guān)保安煤柱的合理設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1.2 煤層保安煤柱設(shè)計(jì)對象

（1）保護(hù)對象為：長平洗煤廠、李家河村、地奪掌村，共3個(gè)保護(hù)對象。

（2）保安煤柱設(shè)計(jì)所涉及的煤層：本次保安煤柱設(shè)計(jì)僅針對長平煤業(yè)的3#煤層單層開采條件，不涉及其它煤層開采，或重復(fù)開采、分層開采的情況。

（3）研究內(nèi)容與受護(hù)對象受護(hù)等級(jí)：受護(hù)對象受護(hù)等級(jí)和圍護(hù)帶寬度的確定、受護(hù)對象保安煤柱設(shè)計(jì)研究，如表1所示。

表1 受保護(hù)對象等級(jí)

2 技術(shù)要求與執(zhí)行依據(jù)

2.1 保安煤柱設(shè)計(jì)要求

（1）根據(jù)長平煤業(yè)提供的資料和實(shí)際測量成果編繪受護(hù)對象受護(hù)邊界輪廓線。

（2）確定受護(hù)對象地面受護(hù)范圍：地面受護(hù)范圍包括受護(hù)對象實(shí)際占地范圍及其圍護(hù)帶寬度（范圍）。圍護(hù)帶寬度按照煤炭工業(yè)出版社2017年7月出版《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》（安監(jiān)總煤裝[2017]66號(hào)）的規(guī)定確定。過程為：首先確定受護(hù)對象的受護(hù)等級(jí)，再根據(jù)受護(hù)對象的等級(jí)確定圍護(hù)帶寬度。

（3）對規(guī)則幾何形狀的保護(hù)對象，以基礎(chǔ)邊界為準(zhǔn)。

（4）復(fù)雜外形的保護(hù)對象，以其外圍基礎(chǔ)各拐點(diǎn)連線所構(gòu)成的閉合多邊形為受護(hù)邊界。

2.2 保安煤柱設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）《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》（安監(jiān)總煤裝[2017]66號(hào)），煤炭工業(yè)出版社，2017年7月[1]。

（2）《工程測量規(guī)范》，GB50026-2007.原中華人民共和國建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布,2008.5[2]。

（3）《煤礦測量規(guī)程》，2013[3]。

（4）《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CHT 2009-2010）[4]。

3 受護(hù)對象受護(hù)等級(jí)、維護(hù)帶寬度及煤柱設(shè)計(jì)方法

3.1 松散層移動(dòng)角參數(shù)和巖層移動(dòng)角參數(shù)的確定原則

《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》規(guī)定：“各礦區(qū)應(yīng)當(dāng)開展圍巖破壞和地表移動(dòng)現(xiàn)場監(jiān)測，綜合分析，求取參數(shù)，總結(jié)規(guī)律，為本礦區(qū)的煤柱留設(shè)與壓煤開采提供技術(shù)支撐”。由此可知，礦區(qū)圍巖及地表移動(dòng)規(guī)律及有關(guān)參數(shù)具有地區(qū)特性，解決本礦區(qū)的開采沉陷問題時(shí)應(yīng)選取本礦區(qū)科學(xué)監(jiān)測和分析所得到的開采沉陷參數(shù)。另外，本礦周邊也有許多生產(chǎn)歷史很長的大型煤礦，與本礦具有相近的地質(zhì)、采礦條件，將其設(shè)計(jì)煤柱參數(shù)與本設(shè)計(jì)選定的參數(shù)進(jìn)行比較，為參數(shù)確定提供間接依據(jù)。

3.2 松散層移動(dòng)角及基巖移動(dòng)角的確定

松散層移動(dòng)角參數(shù)和巖層移動(dòng)角參數(shù)是保安煤柱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)，本次設(shè)計(jì)移動(dòng)角參數(shù)確定原則是：以《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》為基準(zhǔn)，在借鑒地質(zhì)和采礦條件相近煤礦的煤柱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和本礦以往煤柱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定。

長平煤業(yè)公司為了研究地表移動(dòng)規(guī)律，并為今后“三下”壓煤開采和留設(shè)保護(hù)煤柱提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，先后在Ⅲ4302、Ⅲ4304、Ⅲ4305工作面上方建立地表移動(dòng)觀測站，獲得了大量實(shí)測資料，取得了相應(yīng)的地表移動(dòng)變形規(guī)律、地表移動(dòng)參數(shù)及地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)等。為進(jìn)一步分析與研究長平煤礦的地表移動(dòng)參數(shù)及地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)體系，合理留設(shè)各種保護(hù)煤柱、減少不必要的壓煤損失，正確指導(dǎo)“三下”壓煤開采及合理調(diào)整采區(qū)和工作面布局，保證生產(chǎn)正常接續(xù)，2014年12月晉城澤祥勘探測繪有限公司對長平煤礦Ⅲ4302、Ⅲ4304、Ⅲ4305工作面對應(yīng)地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）本區(qū)域內(nèi)的綜合邊界角、綜合移動(dòng)角、充分采動(dòng)角、最大下沉角等參數(shù)分別如下：

①走向綜合邊界角50.78°，上山綜合邊界角50.39°，下山綜合邊界角48.34°。

②走向綜合移動(dòng)角79.23°，上山綜合移動(dòng)角75.26°，下山綜合移動(dòng)角71.73°。

③最大下沉角86.16°。

④走向充分采動(dòng)角77.39°。建議基巖移動(dòng)角為71.7°。

（2）參考類似采礦、地質(zhì)、地形條件，留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)，使用的移動(dòng)角參數(shù)為：

①松散層移動(dòng)角：φ=45°

②基巖移動(dòng)角：δ=γ=70°，β=70°－0.5α（當(dāng)α≥5°）；δ=γ=β=70°（當(dāng)α<5°）。

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》，為防止山體采動(dòng)滑坡附加變形對受保護(hù)對象的影響，當(dāng)保護(hù)煤柱受護(hù)邊界至煤柱邊界范圍內(nèi)地表平均傾角大于15°時(shí)，上坡方向的移動(dòng)角應(yīng)由平地移動(dòng)角減小5°～10°，下坡方向減小2°～3°。為了進(jìn)一步量化移動(dòng)角減小的數(shù)值，建立以下移動(dòng)角減小數(shù)值，如表2所示。

表2 地表傾角與移動(dòng)角度數(shù)減小的關(guān)系

3.3 受護(hù)對象保安煤柱設(shè)計(jì)

采用垂線法留設(shè)保安煤柱，具體留設(shè)方法及過程如下：

（1）根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)在地形圖上確定各受護(hù)對象的受護(hù)邊界，在受護(hù)邊界外側(cè)依據(jù)各受護(hù)對象的保護(hù)等級(jí)加圍護(hù)帶，進(jìn)而得到圍護(hù)帶邊界。

（2）在圍護(hù)帶邊界角點(diǎn)基礎(chǔ)上，根據(jù)松散層厚度、松散層移動(dòng)角計(jì)算松散層受護(hù)邊界。計(jì)算公式如下：

S=hcotφ

式中：h為松散層厚度。

（3）從地形圖上量取松散層受護(hù)邊界各點(diǎn)的地面標(biāo)高，從底板等高線圖上根據(jù)煤層底板等高線量取各點(diǎn)的底板標(biāo)高和受護(hù)邊界與煤層走向之夾角θ。

（4）保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)時(shí)引用2017年版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》第20條、第21條規(guī)定，基巖斜交剖面移動(dòng)角和垂線長度，計(jì)算公式為：

上山方向垂線長度：

下山方向垂線長度：

式中：θ為圍護(hù)帶邊界與煤層傾向線之間所夾的銳角；δ為走向方向的基巖移動(dòng)角；β為下山方向的基巖移動(dòng)角；γ為上山方向的基巖移動(dòng)角；h為松散層厚度；α為煤層傾角；H為煤層到地表的垂深。

（5）根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算各煤層垂線段q、l的長度。

（6）由受護(hù)邊界各點(diǎn)作各邊的垂線，在各垂線上，按垂線段q、l的長度截取各垂線長，用直線分別將垂線各端點(diǎn)相交成多邊形，即為受護(hù)區(qū)各煤層保護(hù)煤柱邊界。垂線法保護(hù)煤柱如圖1所示。

圖1 垂線法保護(hù)煤柱

長平公司保護(hù)煤柱垂線長度q、l計(jì)算如表3～表5所示。

表3 長平洗煤廠保安煤柱垂線長度計(jì)算

表4 李家河保安煤柱垂線長度計(jì)算

表5 地奪掌保安煤柱垂線長度計(jì)算

（7）長平洗煤廠、李家河村、地奪掌村保安煤柱邊界拐點(diǎn)坐標(biāo)

將各個(gè)保護(hù)體分別作出保護(hù)煤柱邊界后匯總，在圖上將重合范圍的重合部分減去，最終確定3號(hào)煤層保護(hù)煤柱范圍多邊形。

4 保護(hù)煤柱煤層壓煤量計(jì)算

4.1 壓煤量計(jì)算方法

保護(hù)煤柱壓煤量估算采用地質(zhì)塊段法。估算公式：

式中：A平為煤柱面積在平面圖上的投影，m2；γ為煤的容重，t/m3；m為煤層厚度，m；α為煤層傾角，°。

4.2 壓煤量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)長平煤業(yè)公司提供2020年9月編制的《山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告》中的資源儲(chǔ)量估算資料進(jìn)行計(jì)算。利用保護(hù)煤柱各拐點(diǎn)坐標(biāo)求得壓煤面積，在資源儲(chǔ)量估算圖上讀取原塊段煤層厚度，分塊段進(jìn)行保護(hù)煤柱煤量的計(jì)算，長平煤業(yè)3#煤層平均容重取1.43 t/m3。

經(jīng)過計(jì)算，3#煤層保護(hù)煤柱受護(hù)面積為4 269 393.38 m2，壓煤量（分三部分：洗煤廠、村莊）共33.059 7 Mt。

5 結(jié)論及建議

通過本設(shè)計(jì)確定了長平洗煤廠、李家河村、地奪掌村的受護(hù)范圍，通過測繪、計(jì)算基本確定了保護(hù)地面建筑物安全的煤柱邊界；并將保護(hù)煤柱和村莊受護(hù)范圍展繪在煤礦采掘工程平面圖和保安煤柱圖上，為煤礦安全生產(chǎn)和充分合理采出煤炭資源提供了可靠的技術(shù)保障。

1）本次保護(hù)煤柱僅針對長平煤業(yè)3#煤層單層開采條件設(shè)計(jì)。在重要受護(hù)對象煤柱附近開采時(shí)，應(yīng)在地面建立必要的觀測站，以監(jiān)測采動(dòng)影響的動(dòng)態(tài)發(fā)展；為抵消地質(zhì)資料和井下測繪誤差，確保受護(hù)對象安全，在井下布置采掘工程時(shí)應(yīng)在現(xiàn)有保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)邊界基礎(chǔ)上再增加一定量的安全保障尺寸。

2）地面建筑物隨時(shí)在變化，正式布置回采工作面時(shí)，應(yīng)在原報(bào)告的基礎(chǔ)上及時(shí)修測地面建筑物保護(hù)范圍，依據(jù)新的勘測定界報(bào)告重新調(diào)整保護(hù)煤柱范圍，確保地面建筑物的安全。

3）由于斜井和安家風(fēng)井還在建設(shè)中，本次保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)沒有考慮。待其建設(shè)完成后，再進(jìn)行保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)。