地面构筑物保护煤柱留设方法分析及优化

许永杰

摘 要：保护煤柱留设方法是一种通用的方法，缺乏一定的针对性，导致在较厚和较薄煤层中留设的保护煤柱存在不同程度的问题。运用数值模拟的方法分析出现的问题，并在此基础上优化保护煤柱，最终提出根据开采沉陷预计验证并适当调整保护煤柱宽度尺寸的思路，以使保护煤柱既能有效保护受护对象不受损坏，又能尽量少占压资源储量。

关键词：应力平衡;保护煤柱;煤柱留设方法;地表移动变形

中图分类号：TD822.3 文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）15-0065-03

Abstract： The method of protecting coal pillar is a general method， and it is inevitable that it is not targeted enough. The problem of protecting coal pillar in thick and thin coal seam is analyzed by numerical simulation， and the optimization of protecting coal pillar is carried out on this basis. Finally， the idea of protecting coal pillar width can be verified and adjusted according to mining subsidence， so that the protected coal pillar can not only effectively protect the protected object from damage but also minimize the reserves of compressed resources

Keywords： stress balance;protective coal pillar;coal pillar setting method;surface movement and deformation

井下煤层被采出后，采空区周围岩体的自然应力状态和上覆岩层内部的原始应力平衡状态受到破坏，岩层内部的应力经重新分布达到新的应力平衡[1-2]。此过程中，岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏（开裂、冒落甚或塌陷）。保护煤柱的功能和作用是使井下煤炭開采造成的地表移动变形不对受护对象产生影响或将影响控制在允许范围内，确保受护对象不发生损坏[3-4]。受护对象若发生损坏，则说明保护煤柱未起到保护作用。同时，不应为了确保受护对象不发生损坏留设过大的保护煤柱，以免浪费煤炭资源[5]。

本文将综合分析垂直剖面法和垂线法留设煤柱方法中存在的问题，并对保护煤柱的方法进行了优化和分析。

1 保护煤柱留设方法

保护煤柱留设方法有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法。其中，垂直剖面法和垂线法得到了广泛应用。

1.1 垂直剖面法

垂直剖面法是一种图解方法，工作原理如图1所示。通过被保护物体的最外角点作平行于煤层走向和倾向的4条线，得到保护范围即矩形[abcd]。从矩形[abcd]作沿煤层倾斜方向的剖面图（图1中Ⅱ-Ⅱ部分），保护边界为[m]、[n]。从[m]、[n]点均按照表土层移动角[φ]做直线即可得到表土层与基岩接触面的保护边界点，即[m1]、[n1]点。从[m1]、[n1]点分别按照基岩移动角[γ]与[β]做直线，即可与煤层交于[m2]、[n2]点。同理，从矩形[abcd]作沿煤层走向方向的剖面图（图1中的Ⅰ-Ⅰ部分），求得[q1]、[k1]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]等点。将[m2]、[n2]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]各点投影到平面图上，即可得到煤柱的平面投影[ABCD]。将该投影的平面面积按煤层倾角转换为真实面积，同时依据煤层、密度等参数即可求得煤柱压煤量。

1.2 垂线法

垂线法是一种解析方法，基本原理如图2所示。先作受护范围边界的垂线，利用公式计算垂线长度，再在平面图上量出垂线长度，从而确定保护煤柱边界。

通过以上论述可知，保护煤柱的留设方法与煤层开采厚度[m]无关。

2 地表移动变形

地表移动变形是指在采煤影响下地表产生的下沉、水平移动、倾斜、水平变形和曲率。

最大下沉值[Wcm]、最大水平移动值[Ucm]、最大水平变形值[εcm]、最大倾斜值[icm]和最大曲率值的计算公式分别为：

一个矿区或井田一般位于同一地质单元，其地质条件大体相同，相应的下沉系数[q]、水平移动系数[b]和煤层倾角[α]大同小异，一般不会发生大的变化。也就是说，对同一地质单元，煤层开采厚度[m]基本决定了地表下沉值和水平移动值，而地表下沉值和水平移动值又决定了地表倾斜值、曲率值和水平变形值。地表倾斜值、曲率值和水平变形值与建筑物损坏等级见表1。

通过分析可知，煤层开采厚度[m]是影响地表移动变形的关键因素，一定程度上决定了地表移动变形。

3 存在的问题分析

保护煤柱的功能与作用是确保受护对象不受采动影响或将影响控制在允许范围内。它的留设方法与煤层开采厚度无关，但煤层开采厚度一定程度上决定了地表移动变形，进而确定了受护对象是否受采动影响发生损坏，决定着保护煤柱是否起到应有的功能与作用。也就是说，对同一受护对象，根据保护煤柱留设方法，煤层厚度1 m的煤层和煤层厚度10 m的煤层，保护煤柱的宽度尺寸是一样的，但实际开采1 m厚的煤层与开采10 m厚的煤层造成的地表移动变形显然是不同的，导致出现了两种现象：一是矿井开采厚煤层时，虽然留设了保护煤柱，但受护对象仍受采动影响，发生了不同程度的损坏;二是矿井开采薄煤层，虽确保了受护对象不受采动影响，但留设煤柱较大，造成了煤炭资源的浪费。

为分析不同厚度煤层煤柱应力，本文进行了相关数值模拟分析。假设煤层为多孔介质，本文分别模拟了1 m、3 m、6 m、9 m厚度煤层煤柱应力分布图。假设煤柱宽度为20 m，模拟结果如图3所示。

由图3可知，不同采高上部岩层应力分布不同。采高越小，上部岩层应力分布集中区域越少;采高越大，上部岩层应力分布集中区域越多。

4 优化分析

为确定厚度范围，现对垂向应力分布情况影响范围进行分析，分别分析了不同厚度煤柱下采矿区的影响范围。

由图4可知，煤层厚度为6 m的塌陷范围比煤层为3 m采厚的踩点塌陷范围增大1.5倍。因此，为了降低地表沉陷量，在进行煤柱预留时，煤层厚度大的采区预留煤柱宽度应相应增加。

5 结论

为研究矿区上构筑物保护煤柱厚度，综合分析类目前预留煤柱的方法，运用数值模拟研究分析了目前预留煤柱方法的缺陷，并制定了优化措施，得到了以下结论：①预留煤柱的方法有垂直剖面图法和垂线法，但这些常规方法未考虑煤层厚度;②煤层厚度为6 m的采点塌陷区域是3 m采厚采点塌陷区域的1.5倍，为了降低地表沉陷量，在进行煤柱预留时，煤层厚度大的采区预留煤柱宽度应相应增加。

参考文献：

[1]任杰，宋玉亮.安盛欣煤业9105工作面断层防水方案研究[J].山东煤炭科技，2020（10）：179-181.

[2]黄丹.邢东矿深部煤层底板变形破坏机理研究[D].西安：长安大学，2019：25-26.

[3]杨亮亮.淮南矿区保护煤柱留设参数解算技术及程序实现[D].淮南：安徽理工大学，2019：29-30.

[4]贺子明.莒山煤矿3#厚煤层下分层复采技术研究[D].北京：中国矿业大学，2019：33-35.

[5]石亚男.寺河矿6301大采高综采工作面切顶卸压护巷技术研究[J].中国矿山工程，2020（5）：34-37.