关于建筑物（村庄）保护煤柱设计方法的思路解析

关于建筑物（村庄）保护煤柱设计方法的思路解析

王飞

兰花集团东峰煤矿有限公司   山西省晋城市 048000

摘要：为了合理开采煤炭资源，保护建筑物（构筑物）、水体、铁路、主要井巷和地面生态环境，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）规范要求，根据不同的地形地貌及地质条件，选用垂线法计算保护煤柱，并通过公式变换，进一步提高保护煤柱设计的合理性及经济性。

关键词：建筑物、保护煤柱、垂线法、移动角

为了合理开采煤炭资源，保护建筑物（构筑物）、水体、铁路、主要井巷和地面生态环境，根据《煤炭法》《矿产资源法》《土地管理法》《煤矿安全规程》等法律，2017年5月17日国家安全

监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局、国家铁路局四部委联合下发了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）。本文主要根据“规范”，并结合东峰煤矿实际地形地貌及地质条件，简述建筑物（村庄）保护煤柱的留设方法。

一、参数确定

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第十五条规定，特级建筑物保护煤柱按边界角留设，其他建筑物保护煤柱按移动角留设。矿区内村庄保护等级为Ⅲ级，村庄保护煤柱按移动角留设。松散层及基岩厚度参照邻近钻孔的资料确定。根据煤炭工业出版社出版煤炭科学研究总院 中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会组织编写的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中提供的地表移动实测数据，晋城（二叠系）东峰煤矿3108工作面的实测数据计算为，松散层移动角φ取45°，上山移动角β、下山移动角γ、走向移动角δ均取72°。

二、受保护建筑物调查及维护带确定

受护对象为避免煤矿开采影响破坏而需要保护的对象。围护带设计保护煤柱划定地面受护对象范围时，为安全起见沿受护对象四周所增加的带形面积。

建筑物受护范围边界用下列方法确定：（一）在平面图上通过受护对象角点作矩形，使矩形各边分别平行于煤层倾斜方向和走向方向；在矩形四周作围护带，该围护带外边界即为受护范围边界。（二）在平面图上作各边平行于受护对象总轮廓的多边形；

在多边形各边外侧作围护带，该围护带外边界即为受护范围边界。

矿井保护煤柱设计时，在平面图上直接作平行于受护对象边界的直线、四边形或多边形等，再在它们的外围画出围护带，得到受护面积边界。各村庄受护面积为村庄边界外推10m（维护带）的范围。

三、确定保护煤柱计算方法

对于必须留设保护煤柱的建筑物，其保护煤柱边界可以采用垂直剖面法、垂线法或者数字标高投影法设计。特级建筑物保护煤柱按边界角留设，其他建筑物保护煤柱按移动角留设。

垂直剖面法时一种图解方法。其基本原理：首先在平面图上确定受护对象的受护范围边界；然后过受护范围几何中心点作沿煤层走向方向和倾斜方向的垂直剖面，在剖面图上确定保护煤柱

的边界位置；最后将剖面图上煤柱边界位置投影至平面图上，得出保护煤柱边界。当其形状规整，且长轴与煤层走向或倾向平行时，宜采用垂直剖面法圈定保护边界；但当受护对象形状不规则，尤其同走向或倾向不平行时，受护范围将扩大，不利于资源高效利用开采。

垂线法是一种解析方法。其基本原理：先作受护范围边界的垂线，利用公示计算垂线长度，再在平面图上量出垂线长度，从而确定保护煤柱边界。根据《采矿工程设计手册》第七章保护煤柱留设中说明，当保护对象形状复杂，且又与煤层走向斜交时，宜用垂线法圈定保护边界；当圈定延伸形建筑物或基岩面标高变化较大情况下的保护煤柱时，宜用数字标高投影法。

该矿井田范围内村庄边界形状复杂，且与煤层走向及倾向均不一致，如果采用垂直剖面法，将会造成可采煤量浪费，故选用垂线法计算矿井范围内村庄保护煤柱。

四、垂线法计算方法

设计步骤：1.确定受护范围边界；2.确定松散层保护边界；3.计算垂线长度，确定保护煤柱边界；

1、确定受护面积边界：

在平面图上直接作平行于受护对象边界的直线、四边形或多边形等，再在它们的外围画出围护带，得到受护面积边界。各村庄受护面积为村庄边界外推10m（维护带）的范围。

2、确定松散层保护边界

从受护面积边界向外量一段距离s，得到松散层保护边界，s的计算公式如下：

S=hcotφ

式中：S——松散层保护边界宽度，m；

h——松散层厚度，取（参照村庄附近钻孔选取参数，小于10m的地点统一按照10m计算，超过10m的地点按照松散层实际厚度计算）；

      φ——松散层移动角，取45°。

根据上式，可计算S=h。

3、确定保护煤柱边界

垂线法留设煤柱，需要计算垂线长度，向上山方向的垂线长度为q，向下山方向的垂线长度为l，计算公式为：

式中：Hi——地表各点的埋藏深度，m；

h——松散层厚度，m；

,——移动角；

——煤层倾角；

——受护面积边界与煤层走向所交的锐角。

=

=

式中：β，γ，δ均取72°，

——受护面积边界与煤层走向所交的锐角。

4、公式应用

因我矿煤层为近水平煤层，煤层倾角为1-7°，故上山移动角β、下山移动角γ、走向移动角δ均取72°。按照

=

=

计算，,-斜交剖面下山移动角和上山移动角计算结果均为72°。

另由于煤层倾角较小、,均为72°，为锐角，故

cotβ′tanαcosθ及cotγ′tanαcosθ数值小于0.04，所以向上山方向的垂线长度q，向下山方向的垂线长度为l，计算方法可简化为：

q=l=（Hi-h）cot72°，即保安煤柱外扩范围为0.325（Hi-h）。

5、实例讲解

按照上述公式，可计算各村庄保护煤柱范围，具体见下表。

五、结语

建筑物（构筑物）、水体、铁路及主要井巷所压覆煤炭资源，应当遵循煤炭资源优化利用、受护对象安全、生态环境保护和企业经济与社会效益良好等原则，因设计过程中计算方法、参数均属于经验公式，在实际开采过程中，仍然需要加强日常监测。日后工作中应开展围岩破坏和地表移动现场监测，综合分析，求取参数，总结规律，为本矿区的煤柱留设与压煤开采提供技术支撑。如情况发生变动，应及时变更保护煤柱设计。

参考文献：

1.胡炳南、张华兴、申宝宏《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》（煤炭工业出版社）

2.刘正和《煤柱安全留设宽度的分析与技术》（中国矿业大学出版社）