正益煤業11號煤層開采村莊保護煤柱設計

何偉卿

(山西焦煤集團 介休正益煤業有限公司，山西 介休 032000)

1 工程概況

山西焦煤集團介休正益煤業有限公司位于介休市東約25 km處的連福鎮甘草嶺村，井田范圍內主要可采煤層為山西組3號煤層和太原組5號、9號、11號煤層，井田內大面積基巖裸露，山頂黃土覆蓋形成梁、垣、峁等特征的黃土地貌，表土層平均厚度為20 m。井田總體為一走向東西、向北傾斜的單斜構造，地層傾角0～18°。礦區現批準可采煤層為11號煤層，11號煤平均厚度2.8 m，容重1.47 t/m3，11號煤層上距9號煤層為20 m，采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。正益煤業井田范圍內地面存在神關窯村、船窯村、甘草嶺村等數個村莊，這些村莊均需進行保護煤柱的設計，為使煤柱的留設更為合理，需首先掌握11號煤層開采對于地表的具體影響，因此在11號煤層首采工作面進行地表沉陷特征監測，整理得到地表移動角參數，據此進行各個村莊保護煤柱的設計。

2 地表移動觀測站建立

為保護地面的村莊、公路等建(構)筑物，避免由于井下煤炭資源開采引起的地表下沉和變形影響其穩定性，留設一定寬度的保護煤柱是一種行之有效的方法。由于各個礦井地質條件差異很大，煤層開采對于地面的影響也極為復雜，掌握特定礦井開采對于地面的影響是合理設計保護煤柱的前提，通過建立地表移動觀測站可準確掌握地表變形特征，為建(構)筑物下采煤奠定基礎。正益煤業11101工作面長度為150 m，推進長度約720 m。地面測點間距根據工作面開采深度進行確定。根據相關規定[1]，當工作面埋深大于400 m時，測點間距應設計為30 m，且可根據實際情況采深每增加100 m，測點間距增加5 m，11101工作面埋深為480～515 m，因此設計測點間距為40 m。沿工作面推進方向共設置22個測點，工作面長度方向設置13個測點，共用測點設置在工作面長度方向中部。工作面地面對應位置多為山嶺，雜草重生，進行水泥樁測點埋設時較困難，因此采用廢棄的錨桿作為測點，測點設置根據現場情況進行調整，最終測點的平面布置如圖1所示。

圖1 地面觀測線布置

3 基于監測成果地表移動角值參數分析

地表測點沿垂直方向的位移定義為下沉量，測點n第m次觀測時其下沉量為[2-3]：

(1)

正益煤業11101工作面回采期間及回采結束后，共兩年期間進行了15次的現場實測，繪制出地表最終的下沉曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，在11101工作面開采影響下，地面對應位置出現明顯的下沉現象，沿工作面長度方向，A10號測點下沉量最大，達到2 078 mm，沿工作面推進方向，B24號測點下沉量最大，達到2 520 mm。進行村莊等保護煤柱設計時，需要用到移動角，移動角指接近充分采動或充分采動條件下，地面沉陷形成的盆地內達到臨界變形值的點至采空區邊界的連線與水平線在礦柱一側的夾角，如圖3所示。

圖2 地表下沉曲線

圖3 移動角求解原理示意

結合正益煤業11101工作面的具體情況，采用下沉量達到50 mm的測點至采空區邊界的連線在煤柱一側的夾角求取移動角，工作面地面存在厚度約20 m的松散層，松散層的移動角根據相關資料取45°[4]。根據圖2(a)所示結果，下山方向下沉量達到50 mm 的點位于A3～A4號測點間，距離下山邊界距離約220 m，采空區下山邊界附近埋深約524.8 m，考慮松散層的影響，計算可得下山移動角為65.0°。本次沿工作面長度方向的測線僅覆蓋下山方向，上山移動角無法根據監測結果直接求出，類比類似地質條件下的參數，上山方向采空區邊界埋深約489.5 m，煤層傾角約4°，綜合分析得出上山綜合移動角為75.0°。沿工作面推進方向，下沉量達到50 mm的點位于B5號測點附近，距離工作面開切眼的距離約209 m，切眼處埋深約495.2 m，松散層移動角取45°，厚度為20 m，計算可得走向移動角為65°，綜合以上分析可得正益煤業基巖移動參數如表1所示。

表1 正益煤業綜合移動角匯總

4 保安煤柱設計及壓煤量計算

4.1 煤柱設計

采用垂直剖面法設計正益煤業地面構筑物的保護煤柱，平面坐標系統采用1954北京坐標系統，高程系統采用1985國家高程基準。以神關窯村為例進行設計。根據本礦鉆孔資料，神關窯村下方11號煤層埋藏深度H=513 m，煤層傾角α=4°，基巖巖性堅硬，松散層厚度h=20 m。經實際測量圈定神關窯村村莊受護范圍坐標見表2。

表2 經實際測量圈定神關窯村村莊受護范圍坐標

用垂直剖面法設計其在11號煤層的保護煤柱步驟如下：

1) 確定受護范圍邊界。在圖4平面圖上船窟村村莊角點1、2、3、4處作平行于煤層走向和傾斜方向的直線，得直角四邊形abcd，在abcd外側加寬度為15 m的圍護帶，其外邊邊界a′b′c′d′為神關窯村村莊的受護范圍邊界。

2) 確定保護煤柱邊界。①在圖4平面圖上過四邊形a′b′c′d′中心點作煤層傾斜剖面A-B和走向剖面C-D。②A-B剖面圖上標出村莊輪廓線、煤層等，煤層厚度2.8 m，傾角4°，埋藏深度513 m。③在平面圖上將A-B剖面線與受護面積邊界之交點轉繪到A-B剖面圖的地表線上得M、N點，由M、N點以φ=45°作直線至基巖面得交點M＇、N′。然后，在煤層下山方向以β=65°由N′點作直線與煤層底板相交于n＇點；同理，在煤層下山方向取得m＇ 點，n＇、m＇點為井下煤體的邊界。④將平面圖上剖面線C-D與受護邊界之交點轉繪到C-D剖面圖的地表線上得P、Q點。在C-D剖面圖上由P、Q點以φ=45°作直線，與基巖面相交于P＇、Q＇ 點。然后，以δ=67.9°由P′、Q＇ 點分別作直線。⑤將A-B剖面圖上n＇、m＇ 點分別投影到C-D剖面圖上，與C-D剖面圖上基巖內的兩條斜線相交，得交點e＇f′、及g＇、h＇。e＇f′ 為煤柱上邊界線在C-D剖面上的投影，g′h＇ 為煤柱下邊界線在C-D剖面上的投影。⑥將e＇、f′、g＇、h′點分別轉繪到平面圖上，得e11、f11、g11、h11點。連接e11、f11、h11、g11點形成一個梯形，即為神關窯村村莊在11號煤層的保護煤柱邊界平面圖。

圖4 垂直剖面法圖解得保護煤柱示意

4.2 壓煤量計算

因神關窯村莊下覆煤層傾角平均小于15°，所以可直接采用在煤層底板等高線圖上測定的面積，煤量計算可根據以下公式[5]：壓煤量=煤柱面積×容重×煤層平均厚度；根據上述公式計算，得出神關窯村村莊在11號煤層的壓煤量，見表3。

表3 神關窯村村莊保護煤柱壓煤量計算

5 結 語

正益煤業目前正在進行井田范圍內11號煤層的回采工作，為有效保護村莊等地面構筑物，以神關窯村保護煤柱的設計為例，通過對11101工作面回采引起的地面沉降特征監測，依據實測得到的礦區移動參數采用垂直剖面法計算保護煤柱的留設面積及壓煤量，最終得到正益煤業表土移動角為45°，上山移動角為75°，下山移動角65°，走向移動角75°，神關窯村保護煤柱面積194 387 m2，壓煤量80.01萬t。研究結果對于保護地面建筑物、提高煤炭資源采出率等具有重要的實踐意義。