麦捷煤业山底铺村合理保护煤柱留设方法浅析_王维.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司所采煤层为 15 煤， 15 煤层平均埋藏深度 290m，煤层倾角约 2.5， 煤层厚度平均 6.6m， 容重为 1.45t/m3。 该矿井田 北翼基本回采完毕， 现进行井田南翼回采工作面的初 步设计，山底铺村地处山西省寿阳县城东 25km 处， 寿、 孟交接之地。 井下位于井田内的东南角， 仅有一小 部分位于该矿井田内， 此次保护的对象主要为井田内 村庄的面积， 占地面积 29833m2。山底铺村隶属寿阳 县管辖， 人口约 2000 人， 不宜搬迁， 需要对其进行合 理的保护煤柱留设。 2保护煤柱的设计方法及参数 2.1保护煤柱设计方法[1-2] 煤炭资源开采过后会形成采空区， 为了保证采煤 工作面的安全， 大部分矿井均会采用自然垮落法管理 顶板，即采空区上方的岩层会垮落下来充填采空区， 因此会引起煤层覆岩和地表的移动， 若采空区地表存 在建筑物， 则地面建筑物受到不同程度的破坏。为了 避免地下煤炭资源开采影响到某些重要的地面构筑 物的安全运行，需要在这些建筑物下方留设保护煤 柱。其实质是根据现场具体的地表移动规律， 在建筑 物所对应的煤层层面上圈定一定范围的保护煤柱， 使 煤炭资源的开采影响不波及到需要保护的建筑。 目前我国煤矿村庄保护煤柱设计时常用的两种 方法分别是垂直剖面法和垂线法。 垂直剖面法应用图 解的方法进行村庄保护煤柱的设计， 第一步先画出山 底铺村的平面图并在其边界加设维护带得到受保护 面积， 第二步沿受保护面积的中心作一条垂直于煤层 走向的断面和平行于煤层走向的断面， 第三步在两幅 断面图上画出各自保护煤柱的边界， 第四步将断面图 中的保护煤柱边界转绘在平面图上即可得到保护煤 柱面积。垂线法应用解析法进行村庄保护煤柱的设 计， 第一步画出加设维护带的村庄受保护面积， 第二 步沿受保护面积的边界作垂线， 垂线的长度由对应公 式确定，第三步将每根具体长度的垂线末端相连， 即 可得到保护煤柱面积。 本文通过上述两种方法进行山 底铺村保护煤柱的设计， 对比后选择较优的方法进行 村庄煤柱的留设作业。 2.2保护煤柱设计参数 为了能够充分保护煤矿采空区地表建筑物的安 麦捷煤业山底铺村合理保护煤柱留设方法浅析 王维 （潞安集团寿阳麦捷煤业有限公司 ， 山西 晋中 045400 ） 摘要 目前麦捷煤业进行山底铺村保护煤柱的设计及留设的工作，为了使留设的保护煤柱面积在 充分有效保护建筑物安全使用的前提下， 尽可能的减少其压煤量， 充分的利用煤炭资源。本文通过垂 线法和垂直剖面法分别计算山底铺村保护煤柱的留设面积及压煤量，最终得出垂线法更适合山底铺 村保护煤柱的设计。最终设计山底铺村保护煤柱面积为 117900㎡， 压煤量为 1129000t。 关键词 保护煤柱 ； 垂线法 ； 垂直剖面法 ； 压煤量 中图分类号 TD822文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0027- 03 Research and application of mechanical properties of static breaker WANG Wei （Luan Group ShouyangMaijie Coal Co., Ltd. , Shanxi Jinzhong 045400 ） Abstract At present, Maijie Coal Industry has carried out the design and retention work of the protective coal pillars of Shandipu Village. In order to make the remaining coal pillar area fully protect the safe use of buildings, reduce the amount of coal crushed as much as possible. Make full use of coal resources. In this paper, the vertical area and vertical section are used to calculate the remaining area and coal volume of the protected coal pillars in Shandipu Village. Finally, the vertical line is more suitable for the design of the protected coal pillars in Shandipu Village. Finally, the area ofprotected coal pillars in Shandipu Village was 117,900 m2, and the coal crushing capacity was 1129000 tons. Key words Protective coal pillar ； Vertical line ； Vertical section ； Coal crush 27 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 全运行， 所设计保护煤柱面积在被保护建筑物本身面 积之外， 还应加设与地表建筑物的保护等级对应的维 护带。 1985 年煤炭工业部颁布的 建筑物、 水体、 铁路 及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 中将构筑物及 建筑物的保护等级划分为 1、 2、 3、 4，共四个等级， 与 之对应的维护带宽度分别为 20m、 15m、 10m、 5m。麦 捷煤业山底铺村的保护等级为 2 级， 故选取维护带宽 度为 15m。 移动角是指在煤层充分采动或接近充分采动时， 开采边界和主断面上临界变形值的点的连线与水平 线在煤柱一侧的夹角。 保护煤柱设计的关键是选取正 确的移动角。表 1 为我国主要煤田的移动角值。 表 1我国主要煤田的移动角值 麦捷煤业所采 15 煤层为石炭二叠系山西组， 覆 岩大部分为厚砂岩、 砂页岩。 由表 1 可知， 应取表土移 动角 φ45， 基岩移动角 γβδ72。 经过实况测量山底铺村最终确定 5 个拐点， 坐标 分别为 A1 （19698053.023， 4208886.804 ） ， A219698072.04， 4208916.493 ） ， A3 （19698082.033,4208874.422 ） ， A4 （19698089.046， 4208805.212 ） , A519698060.012,4208695.857， 共 29833m2。 3山底铺村留设保护煤柱方法对比 3.1垂线法计算保护煤柱[3] 1 ） 圈定村庄边界。 在山底铺村庄井上下平面对照 图上， 在村庄外围边界外垂直加 15m 围护带宽度， 即 得到受保护范围的边界 B1、 B2、 B3、 B4、 B5 的连线。 2 ） 圈定松散层移动边界。 山底铺村区域松散层移 动边界的圈定由受保护范围边界各点松散层的厚度 确定。本文松散层的厚度统一规定为 15m， 松散层移 动角 φ45。 通过 Lhctgφ 可以计算出松散层移动 垂线长为 12.586m。在山底铺保安煤柱受保护范围的 边界上， 从受保护范围边界各点按松散层移动垂线长 向外作各边的垂线， 过同一边两垂线端点的直线与各 相邻两边的松散层移动边界相交得到 C1、 C2、 C3、 C4、 C5 各点的连线即为松散层移动边界。 3 ）圈定保安煤柱边界。 斜 向 下 山 移 动 角 β 的 计 算 公 式 为 cotβ cot2βcos2θcot2δsin2θ ■ ；斜向上山移动角 γ 的计算 公式为 cotγcot2γcos2θcot2δsin2θ ■ ； 下山方向垂线 长 l 的计算公式为 l H- hcotγ 1- cotγtanαcosθ ；上山方向垂 线长 q 的计算公式为 q H- hcotβ 1cotβtanαcosθ ； 煤层伪倾 角 α 的计算公式为 tanαtanα cosθ。其中 θ 为保护 煤柱边界线与煤层走向线的夹角，分别为 88、 13、 21、 46、 37；为煤层倾角，取 2.5； m为 煤层厚度， 取 6.6m。根据上述公式即可算出山底铺村 保护煤柱边界范围的 5 个拐点为 D1 （19698086.028， 4209005.065 ） ； D2 （19698230.062， 4209044.924 ） ； D3 （19698412.963， 4208970.501 ） ； D4 （19698512.681， 4208758.248 ） ； D5 （19698210.621， 4208577.377 ） 。 计算得出山底铺村保护煤柱占 15 号煤层井田内 面积 117900m2。山底铺村保护煤柱范围如图 1 所示。 图 1由垂线法所得山底铺村保护煤柱范围 4 ）压煤量的计算。 压煤量 Q 的计算公式为 Q A cosα m ρ， 其中 A 为压煤面积， 取 117900m2； ρ 为煤的容重， 取 1.45t/m3。 经过计算得到由垂线法计算所得的山底铺村保护煤 柱的压煤量 Q为 1129000t。 3.2垂直剖面法计算保护煤柱[4] 1 ） 确定村庄等建筑受保护面积。 煤田特征开采条件基岩移动角 表土 层移 动角 φ/ 成煤 年代 覆岩岩 性 倾角 a/ 采厚/ m 采深 H/m 采煤 方法 δ / γ β / 石炭 二叠 系 砂岩为 主， 其 次是砂 页岩、 页岩 14～80 0.9～ 3.4 ＜600 走向 长臂 垮落 法 70 550.5 （H-50 ） 72- 0.6a 但 不小于 30 35～45 石炭 二叠 系 砂页 岩、 页 岩为主 9～20 0.6～ 3.0 ＜260 走向长 臂垮落 法 7373 72～ 0.6a 58 石炭 二叠 系 大部分 为厚砂 岩、 砂 页岩 0～11 1.1～ 1.6 小于 240 走向 长臂 垮落 法、 刀 柱法 7272 72 （a＜ 10 ） 75 -0.8a （a≥ 10 ） 45 28 ChaoXing （上接第 26 页） [3] 朱天义. 深井软弱围岩巷道联合修复补强加固技术研究 [D].安徽理工大学,2016. [4] 杨玉蕊,张义平,左宇军,宋希贤.基于 RFPA 的首采面运输 顺槽支护方案优化模拟研究[J].科学技术与工程,2013,13 288415- 8418. 作者简介 张燕沙 （1989-） ， 男， 山西省阳城县人， 2015 年 1 月毕业 于山西中北大学安全工程专业， 助理工程师， 现任技术科技 术员。 （收稿日期 2019- 8- 16） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 2 为垂直剖面法图解得保护煤柱示意图。 运用 垂直剖面法计算保护煤柱范围时应首先画出山底铺 村的平面图， 使山底铺村的长轴与煤层走向的夹角为 31，在此基础上画出山底铺村的轮廓 a、 b、 c、 d， 接 下来过村庄轮廓点 a、 b、 c、 d 作平行于煤层倾向和走 向的外切矩形 abcd，并且在外切矩形 abcd 的外 边缘加 15m 宽的维护带， 最终得到矩形 ABCD， 矩形 ABCD的面积即为山底铺村最终确定的受保护面积。 图 2垂直剖面法图解得保护煤柱示意图 2 ） 村庄保护煤柱边界的确定。 沿受保护面积的中心作垂直于煤层走向的断面 Ⅰ- Ⅰ，然后在断面图Ⅰ- Ⅰ上的受保护面积的边界 点 m1 和 n1 起按照表土层移动角 φ45作斜线至 基岩表面， 得到交点 m2 和 n2， 即为保护煤柱的上边 界；接着在基岩中按照下山方向基岩移动角 γ72 和上山方向基岩移动角 β72作斜线，得到与煤层 的交点 m 和 k， 即为保护煤柱的下边界。 在平行于煤层走向的断面Ⅱ- Ⅱ中， 按照表土层 移动角 φ45作斜线至基岩表面，接着在基岩中按 照基岩移动角 δ72作斜线，得到沿走向方向断面 的保护煤柱边界 ABCD， 将Ⅰ- Ⅰ断面图及Ⅱ- Ⅱ断 面图中的保护煤柱边界转绘在平面图上， 即可计算得 出山底铺村保护煤柱占 15 号煤层井田内面积为梯形 EFGH 的面积， 约 136900m2。 3 ） 压煤量的计算。 根据压煤量 Q 的计算公式 Q A cosα m ρ， 其中 A 为压煤面积，取 136800m2； ρ 为煤的容重， 取 1.45t/m3。经过计算得到由垂直剖面法所得的山底铺 村保护煤柱的压煤量 Q为 1563000t。 综上 通过对比分析计算得出垂线法留设山底铺 村 保 护 煤 柱 面 积 为 117900m2， 最 终 压 煤 量 为 1129000t， 而垂直剖面法留设山底铺村保护煤柱面积 为 136800m2， 最终压煤量为 1563000t。即垂线法留设 的村庄保护煤柱压煤量比垂直剖面法留设的村庄保 护煤柱的面积减少了 18900m2，压煤量减少了 434000t。 因此从经济方面考虑， 在保证村庄安全的前 提下， 应选取垂线法留设山底铺村的保护煤柱。 4结论 麦捷煤业有限公司目前进行山底铺村保护煤柱 的设计。为了更好的利用煤炭资源， 需要在保护煤柱 面积能够充分有效的保护建筑物的同时又能尽可能 的减少村庄建筑物保护煤柱的压煤量。 本文通过垂线 法和垂直剖面法分别计算山底铺村保护煤柱的留设 面积及压煤量， 最终得出垂线法更适合山底铺村保护 煤柱的设计，最终设计山底铺村保护煤柱面积为 117900m2， 压煤量为 11.29 万 t。 参考文献 [1] 支光辉,郑彬.我国保护煤柱留设的方法及发展趋势[J].煤 炭工程,2009 （06） 9- 11. [2] 吴鸿涛,徐良骥,王磊,李迎富.基于多种方法的保护煤柱 留设研究[J].矿山测量,2014 （06） 76- 81. [3] 支光辉,郑彬.我国保护煤柱留设的方法及发展趋势[J].煤 炭工程,2009 （06） 9- 11. [4] 唐照成.垂线法设计保护煤柱在张沟煤矿的应用[J].煤炭 科技,2012 （04） 71- 73. [5] 魏峰远,陈俊杰,邹友峰.垂直剖面法保护煤柱设计的解析 模型[J].煤炭学报,2008 （03） 256- 258. 作者简介 王维 （1988-） ， 男， 山西省长治市人， 2010 年 6 月毕业于 华北科技学院测绘工程专业， 工程师， 现从事地质与测量工 作。（收稿日期 2019- 7- 26） 29 ChaoXing