风井工业场地保护煤柱设计

黄庆国，李淑珍

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.山西大同大学新平旺校区图书馆，山西 大同 037003）

煤矿生产过程中的采掘活动会导致煤层上覆岩层和地表产生移动，为此对位于影响范围内的各种建筑物受到程度不同的损坏，基于更好地保护煤矿开采影响区域地表构筑物免受沉降破坏的目的，2017年5月国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局、国家铁路局联合颁布更新了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，更新后最新版本的规范主要内容包括煤矿区建筑物（构筑物）、水体、铁路和主要井巷保护煤柱或者安全煤（岩）柱的留设原则与设计方法[1]。煤矿现场调研表明，煤矿生产企业最常用的地面工业场地和井筒留设保护煤柱的方法是垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法，其中以垂直剖面法应用最为广泛[2-3]。

1 工业场地建筑物受保护等级的规定

为了增加煤矿工业场地和井筒保护煤柱的安全可靠性，地面工业场地和井筒被保护的范围除了场地本身的面积还要增加一个提高安全性的围护带范围。 围护带是为了抵消保护煤柱留设误差而增加的面积，一般情况下，计算所选取的岩层移动角和松散层移动角存在误差，会导致工业场地留设的保护煤柱尺寸不足。矿区建筑物保护等级的划分，见表1。建筑物保护等级不同，需要增加的围护带宽度不同[4-6]，具体规定，见表2。

表1 煤矿区域建筑物保护等级分类

表2 保护类别不同的建筑物围护带尺寸

2 保护面积的确定方法

选择垂直剖面法留设工业场地及井筒的保护煤柱，受保护范围的确认，通常有以下3种情况：

（1）工业场地的建筑物外边界与煤层走向平行或正交，在建筑物外边界加围护带，得到受保护的面积，见图1（a）。

（2）工业场地范围内的建筑物外边界同井田内煤层走向斜交，通过建筑物外边界的4个角点做与煤层走向和倾向平行的直线各2条，所形成的矩形过4个角点，然后按不同保护等级的建筑物规定增加围护带尺寸，见图1（b）。

（3）工业场地内的多种建筑物排列不整齐，延伸方向不同，互不平行，则过被保护建筑物群的最外边界角点做与煤层走向和倾向平行的直线各2条，形成受保护的工业场地的矩形区域，再按建筑物受保护等级规定增加围护带尺寸，如此就可以确定受保护建筑物群的总面积，见图1（c）。

图1 垂直剖面法确定工业场地保护面积

3 垂直剖面法设计原理

矿井工业场地应用垂直剖面法设计保护煤柱的方法，实质上是图解法，沿煤层走向和倾向分别作剖面，在剖面图上根据表土层移动角和岩层移动角确定煤柱宽度，并投影到剖面图上，由此确定地面建筑物保护煤柱的边界。

在煤层底板等高线图上，过要保护的工业场地建筑物或建筑物群最外角点，分别作平行于煤层走向和煤层倾向的各2 条直线，相交形成一个矩形，这就是不加围护带的被保护范围，根据工业场地的保护等级，需要在矩形的周围增加20 m 宽的围护带，得到了地表被保护的面积，即由图2中abcd围成的矩形。地表受保护的范围的边界为沿倾向的mn和沿走向的qk。过ad或bc线段的中点，作沿煤层倾向的剖面I-I，得出倾斜方向地面保护边界为mn；在I-I剖面过m、n两点，按岩层的松散层移动角φ作直线与基岩层相交于m1和n1，在I-I 剖面过m1和n1两点，分别按上山移动角γ和下山移动角β作直线与煤层相交于m2和n2。同理，在走向剖面II-II过q和k两点，按岩层的松散层移动角φ和走向移动角δ得出q1、k1、q2、k2、q3、k3等六点。将m2、n2、q2、k2、q3、k3投影到煤层底板等高线图上，得到A、B、C、D四点，即得到平面上工业场地保护煤柱的边界。

图2 垂直剖面法设计受保护工业场地保护煤柱

在矿井采掘工程平面图上使用垂直剖面法确定的矿井工业场地保护煤柱，其几何图形是一对称的等腰梯形，梯形的下底和上底与煤层走向平行。由于地表受保护的工业场地增加了围护带的面积，在井下采掘活动影响下地面工业场地内构筑物、建筑物的安全性较高。为了提高保护煤柱的留设精度，在沿煤层倾向的剖面图上，垂直剖面法所留设的保护煤柱尺寸还可以由下式计算，各参数关系，见图3。

式中：Hn、Hm为对应于地表n、m两点处煤层的埋深，m；h为表土层厚度。

图3 煤层倾向剖面图上保护煤柱尺寸计算

4 保护煤柱设计实例

张家庄煤矿年产量300 万t，采用分区式通风。矿井西翼3盘区回风立井工业场地内布置有2台抽出式风机、回风立井变电所、值班室、生活室、绿化带等。工业场地为该矿主要的通风设施所在地，必须设立可靠的保护煤柱，保证风机安全正常运行，不受井下8号煤层采掘影响。保护区域内立井井口标高1 084 m，井底标高980.48 m；回风立井工业场地保护范围地面标高1 074 m，受保护面积为7 200 m2。

张家庄煤矿开采8 号煤层，煤层厚度3.60 m，煤层倾角12～15°，平均13°。煤层赋存条件简单，整个矿井地层为一单斜构造，井田内未见大的断层和陷落柱，无火成岩侵入现象。8 号煤层顶板为粉砂岩、细砂岩、局部为中粒砂岩；煤层老顶以粗粉砂岩为主，局部夹有薄层砂岩和中厚层细砂岩。

风井工业场地附近地段表土层厚度不大，一般厚度在9～13 m，平均厚度10 m。为了安全起见表土层选取最大厚度13 m。风井工业场地的保护等级为Ⅰ级，选取围护带宽度为20 m。依据该矿8号煤层赋存条件及参考邻近矿井的经验选取表土层移动角φ=46°，下山移动角β=57°，上山移动角γ=73°，走向移动角δ=71°。

首先使用与该矿区一致的直角坐标网实际测算3盘区回风立井工业场地建筑组合的位置，然后将测绘出的受保护场地的准确位置，以相同的比例尺投影在8号煤层的地板等高线平面图上。

在8号煤层采掘工程剖面图上应用垂直剖面法进行绘图计算，计算结果如下：

8 号煤层保护煤柱的上部边界标高为988 m，保护煤柱的下部边界标高为936 m；8 号煤层保护煤柱几何图形为一等腰梯形，煤柱上部边界走向长度为202 m，下部边界走向长度达到238 m，梯形高234 m，8 号煤层保护煤柱面积约51 480 m2，煤层厚度3.60 m，容重1.40 t/m3，保护煤柱可采储量约26万t。

5 结语

张家庄煤矿8 号煤层开采已经结束，该矿3 采区风井工业场地保护完好，保护区域设施没有受到8 号煤层的采动影响，风井工业场地保护煤柱留设安全合理。工程实例表明，只要表土层移动角和基岩移动角选择准确合理，选择垂直剖面法留设矿井工业场地保护煤柱安全可靠。