地面構筑物保護煤柱留設方法分析及優化

許永杰

摘 要：保護煤柱留設方法是一種通用的方法，缺乏一定的針對性，導致在較厚和較薄煤層中留設的保護煤柱存在不同程度的問題。運用數值模擬的方法分析出現的問題，并在此基礎上優化保護煤柱，最終提出根據開采沉陷預計驗證并適當調整保護煤柱寬度尺寸的思路，以使保護煤柱既能有效保護受護對象不受損壞，又能盡量少占壓資源儲量。

關鍵詞：應力平衡;保護煤柱;煤柱留設方法;地表移動變形

中圖分類號：TD822.3 文獻標識碼：A文章編號：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

井下煤層被采出后，采空區周圍巖體的自然應力狀態和上覆巖層內部的原始應力平衡狀態受到破壞，巖層內部的應力經重新分布達到新的應力平衡[1-2]。此過程中，巖層和地表產生連續的移動、變形和非連續的破壞（開裂、冒落甚或塌陷）。保護煤柱的功能和作用是使井下煤炭開采造成的地表移動變形不對受護對象產生影響或將影響控制在允許范圍內，確保受護對象不發生損壞[3-4]。受護對象若發生損壞，則說明保護煤柱未起到保護作用。同時，不應為了確保受護對象不發生損壞留設過大的保護煤柱，以免浪費煤炭資源[5]。

本文將綜合分析垂直剖面法和垂線法留設煤柱方法中存在的問題，并對保護煤柱的方法進行了優化和分析。

1 保護煤柱留設方法

保護煤柱留設方法有垂直剖面法、垂線法和數字標高投影法。其中，垂直剖面法和垂線法得到了廣泛應用。

1.1 垂直剖面法

垂直剖面法是一種圖解方法，工作原理如圖1所示。通過被保護物體的最外角點作平行于煤層走向和傾向的4條線，得到保護范圍即矩形[abcd]。從矩形[abcd]作沿煤層傾斜方向的剖面圖（圖1中Ⅱ-Ⅱ部分），保護邊界為[m]、[n]。從[m]、[n]點均按照表土層移動角[φ]做直線即可得到表土層與基巖接觸面的保護邊界點，即[m1]、[n1]點。從[m1]、[n1]點分別按照基巖移動角[γ]與[β]做直線，即可與煤層交于[m2]、[n2]點。同理，從矩形[abcd]作沿煤層走向方向的剖面圖（圖1中的Ⅰ-Ⅰ部分），求得[q1]、[k1]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]等點。將[m2]、[n2]、[q2]、[k2]、[q3]、[k3]各點投影到平面圖上，即可得到煤柱的平面投影[ABCD]。將該投影的平面面積按煤層傾角轉換為真實面積，同時依據煤層、密度等參數即可求得煤柱壓煤量。

1.2 垂線法

垂線法是一種解析方法，基本原理如圖2所示。先作受護范圍邊界的垂線，利用公式計算垂線長度，再在平面圖上量出垂線長度，從而確定保護煤柱邊界。

通過以上論述可知，保護煤柱的留設方法與煤層開采厚度[m]無關。

2 地表移動變形

地表移動變形是指在采煤影響下地表產生的下沉、水平移動、傾斜、水平變形和曲率。

最大下沉值[Wcm]、最大水平移動值[Ucm]、最大水平變形值[εcm]、最大傾斜值[icm]和最大曲率值的計算公式分別為：

一個礦區或井田一般位于同一地質單元，其地質條件大體相同，相應的下沉系數[q]、水平移動系數[b]和煤層傾角[α]大同小異，一般不會發生大的變化。也就是說，對同一地質單元，煤層開采厚度[m]基本決定了地表下沉值和水平移動值，而地表下沉值和水平移動值又決定了地表傾斜值、曲率值和水平變形值。地表傾斜值、曲率值和水平變形值與建筑物損壞等級見表1。

通過分析可知，煤層開采厚度[m]是影響地表移動變形的關鍵因素，一定程度上決定了地表移動變形。

3 存在的問題分析

保護煤柱的功能與作用是確保受護對象不受采動影響或將影響控制在允許范圍內。它的留設方法與煤層開采厚度無關，但煤層開采厚度一定程度上決定了地表移動變形，進而確定了受護對象是否受采動影響發生損壞，決定著保護煤柱是否起到應有的功能與作用。也就是說，對同一受護對象，根據保護煤柱留設方法，煤層厚度1 m的煤層和煤層厚度10 m的煤層，保護煤柱的寬度尺寸是一樣的，但實際開采1 m厚的煤層與開采10 m厚的煤層造成的地表移動變形顯然是不同的，導致出現了兩種現象：一是礦井開采厚煤層時，雖然留設了保護煤柱，但受護對象仍受采動影響，發生了不同程度的損壞;二是礦井開采薄煤層，雖確保了受護對象不受采動影響，但留設煤柱較大，造成了煤炭資源的浪費。

為分析不同厚度煤層煤柱應力，本文進行了相關數值模擬分析。假設煤層為多孔介質，本文分別模擬了1 m、3 m、6 m、9 m厚度煤層煤柱應力分布圖。假設煤柱寬度為20 m，模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，不同采高上部巖層應力分布不同。采高越小，上部巖層應力分布集中區域越少;采高越大，上部巖層應力分布集中區域越多。

4 優化分析

為確定厚度范圍，現對垂向應力分布情況影響范圍進行分析，分別分析了不同厚度煤柱下采礦區的影響范圍。

由圖4可知，煤層厚度為6 m的塌陷范圍比煤層為3 m采厚的踩點塌陷范圍增大1.5倍。因此，為了降低地表沉陷量，在進行煤柱預留時，煤層厚度大的采區預留煤柱寬度應相應增加。

5 結論

為研究礦區上構筑物保護煤柱厚度，綜合分析類目前預留煤柱的方法，運用數值模擬研究分析了目前預留煤柱方法的缺陷，并制定了優化措施，得到了以下結論：①預留煤柱的方法有垂直剖面圖法和垂線法，但這些常規方法未考慮煤層厚度;②煤層厚度為6 m的采點塌陷區域是3 m采厚采點塌陷區域的1.5倍，為了降低地表沉陷量，在進行煤柱預留時，煤層厚度大的采區預留煤柱寬度應相應增加。

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