正益煤业11号煤层开采村庄保护煤柱设计.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０７􀆽 ０６ 作者简介何伟卿１９８８ － ꎬ男 ꎬ河北涿鹿人ꎬ助理工程师ꎬ从事地质测量工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. １０. ０２０ 正益煤业 １１ 号煤层开采村庄保护煤柱设计 何伟卿 山西焦煤集团 介休正益煤业有限公司ꎬ山西 介休 ０３２０００ 摘 要正益煤业批准可采煤层为 １１ 号煤层ꎬ为在有效保护地面构筑物的前提下尽可能提高煤炭利用率ꎬ 需合理恰当地设计地面构筑物的保护煤柱ꎬ文章以正益煤业 １１１０１ 工作面为背景ꎬ通过地表位移观测掌握 地面下沉规律ꎬ分析计算得到矿区移动参数ꎬ并以神关窑村为例采用垂直剖面法设计其保护煤柱ꎬ研究成 果对于地面构筑物的保护、提高煤炭资源采出率具有重要的实践意义ꎮ 关键词地表沉陷垂直剖面法理论计算ꎻ保护煤柱ꎻ压煤量 中图分类号ＴＤ８２３ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２０１０􀆽 ００５４􀆽 ０３ １ 工程概况 山西焦煤集团介休正益煤业有限公司位于介休 市东约 ２５ ｋｍ 处的连福镇甘草岭村ꎬ井田范围内主 要可采煤层为山西组 ３ 号煤层和太原组 ５ 号、９ 号、 １１ 号煤层ꎬ井田内大面积基岩裸露ꎬ山顶黄土覆盖 形成梁、垣、峁等特征的黄土地貌ꎬ表土层平均厚度 为 ２０ ｍꎮ 井田总体为一走向东西、向北倾斜的单斜 构造ꎬ地层倾角 ０ １８ꎮ 矿区现批准可采煤层为 １１ 号煤层ꎬ１１ 号煤平均厚度 ２. ８ ｍꎬ容重１. ４７ ｔ/ ｍ３ꎬ １１ 号煤层上距 ９ 号煤层为 ２０ ｍꎬ采用走向长壁一次 采全高综合机械化采煤法ꎬ全部垮落法管理顶板ꎮ 正益煤业井田范围内地面存在神关窑村、船窑村、甘 草岭村等数个村庄ꎬ这些村庄均需进行保护煤柱的 设计ꎬ为使煤柱的留设更为合理ꎬ需首先掌握 １１ 号 煤层开采对于地表的具体影响ꎬ因此在 １１ 号煤层首 采工作面进行地表沉陷特征监测ꎬ整理得到地表移 动角参数ꎬ据此进行各个村庄保护煤柱的设计ꎮ ２ 地表移动观测站建立 为保护地面的村庄、公路等建构筑物ꎬ避免 由于井下煤炭资源开采引起的地表下沉和变形影响 其稳定性ꎬ留设一定宽度的保护煤柱是一种行之有 效的方法ꎮ 由于各个矿井地质条件差异很大ꎬ煤层 开采对于地面的影响也极为复杂ꎬ掌握特定矿井开 采对于地面的影响是合理设计保护煤柱的前提ꎬ通 过建立地表移动观测站可准确掌握地表变形特征ꎬ 为建构筑物下采煤奠定基础ꎮ 正益煤业 １１１０１ 工作面长度为 １５０ ｍꎬ推进长度约７２０ ｍꎮ 地面测点 间距根据工作面开采深度进行确定ꎮ 根据相关规 定[１]ꎬ当工作面埋深大于４００ ｍ 时ꎬ测点间距应设计 为 ３０ ｍꎬ且可根据实际情况采深每增加１００ ｍꎬ测点 间距增加 ５ ｍꎬ１１１０１ 工作面埋深为 ４８０ ５１５ ｍꎬ因 此设计测点间距为 ４０ ｍꎮ 沿工作面推进方向共设 置 ２２ 个测点ꎬ工作面长度方向设置 １３ 个测点ꎬ共用 测点设置在工作面长度方向中部ꎮ 工作面地面对应 位置多为山岭ꎬ杂草重生ꎬ进行水泥桩测点埋设时较 困难ꎬ因此采用废弃的锚杆作为测点ꎬ测点设置根据 现场情况进行调整ꎬ最终测点的平面布置如图 １ 所 示ꎮ 图 １ 地面观测线布置 ３ 基于监测成果地表移动角值参数分析 地表测点沿垂直方向的位移定义为下沉量ꎬ测 点 ｎ 第 ｍ 次观测时其下沉量为[２ －３] ｗｎ＝ Ｈ０ ｎ－ Ｈ ｍ ｎ １ 式中ｗｎ为地面测点的下沉值ꎬｍｍꎻＨ０ ｎ、Ｈ ｍ ｎ 为 地面测点第一次和第 ｍ 次测得的高程ꎬｍｍꎮ 正益煤业 １１１０１ 工作面回采期间及回采结束 后ꎬ共两年期间进行了 １５ 次的现场实测ꎬ绘制出地 表最终的下沉曲线如图 ２ 所示ꎮ 由图 ２ 可以看出ꎬ在 １１１０１ 工作面开采影响下ꎬ 地面对应位置出现明显的下沉现象ꎬ沿工作面长度 ４５ 实实用用技技术术 总第 ２５４ 期 方向ꎬＡ１０号测点下沉量最大ꎬ达到２ ０７８ ｍｍꎬ沿工作 面推进方向ꎬＢ２４号测点下沉量最大ꎬ达到２ ５２０ ｍｍꎮ 进行村庄等保护煤柱设计时ꎬ需要用到移动角ꎬ移动 角指接近充分采动或充分采动条件下ꎬ地面沉陷形 成的盆地内达到临界变形值的点至采空区边界的连 线与水平线在矿柱一侧的夹角ꎬ如图 ３ 所示ꎮ 图 ２ 地表下沉曲线 图 ３ 移动角求解原理示意 结合正益煤业 １１１０１ 工作面的具体情况ꎬ采用 下沉量达到 ５０ ｍｍ 的测点至采空区边界的连线在 煤柱一侧的夹角求取移动角ꎬ工作面地面存在厚度 约２０ ｍ 的松散层ꎬ松散层的移动角根据相关资料取 ４５[４]ꎮ 根据图 ２ａ所示结果ꎬ下山方向下沉量达 到 ５０ ｍｍ 的点位于 Ａ３ Ａ４号测点间ꎬ距离下山边 界距离约 ２２０ ｍꎬ 采空区下山边界附近埋深约 ５２４. ８ ｍꎬ考虑松散层的影响ꎬ计算可得下山移动角 为 ６５. ０ꎮ 本次沿工作面长度方向的测线仅覆盖下 山方向ꎬ上山移动角无法根据监测结果直接求出ꎬ类 比类似地质条件下的参数ꎬ上山方向采空区边界埋 深约 ４８９. ５ ｍꎬ煤层倾角约 ４ꎬ综合分析得出上山综 合移动角为 ７５. ０ꎮ 沿工作面推进方向ꎬ下沉量达 到 ５０ ｍｍ 的点位于 Ｂ５号测点附近ꎬ距离工作面开 切眼的距离约 ２０９ ｍꎬ切眼处埋深约 ４９５. ２ ｍꎬ松散 层移动角取 ４５ꎬ厚度为 ２０ ｍꎬ计算可得走向移动角 为 ６５ꎬ综合以上分析可得正益煤业基岩移动参数 如表 １ 所示ꎮ 表 １ 正益煤业综合移动角汇总 地点 走向移动 角 δ/ 上山移动 角 γ/ 下山移动 角 β/ 松散层移 动角 φ/ 神关窑村村庄７５７５６５４５. ０ ４ 保安煤柱设计及压煤量计算 ４. １ 煤柱设计 采用垂直剖面法设计正益煤业地面构筑物的保 护煤柱ꎬ平面坐标系统采用 １９５４ 北京坐标系统ꎬ高 程系统采用 １９８５ 国家高程基准ꎮ 以神关窑村为例 进行设计ꎮ 根据本矿钻孔资料ꎬ神关窑村下方 １１ 号 煤层埋藏深度 Ｈ ＝ ５１３ ｍꎬ煤层倾角 α ＝ ４ꎬ基岩岩 性坚硬ꎬ松散层厚度 ｈ ＝ ２０ ｍꎮ 经实际测量圈定神 关窑村村庄受护范围坐标见表 ２ꎮ 表 ２ 经实际测量圈定神关窑村村庄受护范围坐标 点号 坐标 ＸＹＺ １４ ０９８ ６５８.０２１９ ５９８ ８７８.４８１ ３９４ ２４ ０９８ ３７２.９７１９ ５９８ ８４７.９２１ ３９６ ３４ ０９８ ４７０.２７１９ ５９８ ７１２.３３１ ４１７ ４４ ０９８ ５６９.２４１９ ５９８ ６４９.２２１ ４１３ 用垂直剖面法设计其在 １１ 号煤层的保护煤柱 步骤如下 １ 确定受护范围边界ꎮ 在图 ４ 平面图上船 窟村村庄角点 １、２、３、４ 处作平行于煤层走向和倾斜 方向的直线ꎬ得直角四边形 ａｂｃｄꎬ在 ａｂｃｄ 外侧加宽 度为 １５ ｍ 的围护带ꎬ其外边边界 ａ′ｂ′ｃ′ｄ′为神关窑 村村庄的受护范围边界ꎮ ２ 确定保护煤柱边界ꎮ ①在图 ４ 平面图上 过四边形 ａ′ｂ′ｃ′ｄ′中心点作煤层倾斜剖面 Ａ － Ｂ 和 走向剖面 Ｃ － Ｄꎮ ②Ａ － Ｂ 剖面图上标出村庄轮廓 线、煤层等ꎬ煤层厚度 ２. ８ ｍꎬ倾角 ４ꎬ埋藏深度 ５１３ ｍꎮ ③在平面图上将 Ａ － Ｂ 剖面线与受护面积 边界之交点转绘到 Ａ － Ｂ 剖面图的地表线上得 Ｍ、Ｎ 点ꎬ由 Ｍ、Ｎ 点以 φ ＝４５作直线至基岩面得交点 Ｍ、 Ｎ′ꎮ 然后ꎬ在煤层下山方向以 β ＝６５由 Ｎ′点作直线 与煤层底板相交于 ｎ点ꎻ同理ꎬ在煤层下山方向取得 ｍ点ꎬｎ、ｍ点为井下煤体的边界ꎮ ④将平面图上剖 面线 Ｃ － Ｄ 与受护边界之交点转绘到 Ｃ － Ｄ 剖面图 的地表线上得 Ｐ、Ｑ 点ꎮ 在 Ｃ － Ｄ 剖面图上由 Ｐ、Ｑ ５５ ２０２０ 年１０ 月 何伟卿正益煤业１１ 号煤层开采村庄保护煤柱设计 第２９ 卷第１０ 期 点以 φ ＝４５作直线ꎬ与基岩面相交于 Ｐ、Ｑ 点ꎮ 然 后ꎬ以 δ ＝６７. ９由 Ｐ′、Ｑ点分别作直线ꎮ ⑤将Ａ － Ｂ 剖面图上 ｎ、ｍ 点分别投影到 Ｃ － Ｄ 剖面图上ꎬ与 Ｃ － Ｄ 剖面图上基岩内的两条斜线相交ꎬ得交点 ｅｆ ′、及 ｇ、ｈꎮ ｅ ｆ ′ 为煤柱上边界线在 Ｃ － Ｄ 剖面上的 投影ꎬｇ′ｈ为煤柱下边界线在 Ｃ － Ｄ 剖面上的投影ꎮ ⑥将 ｅ、ｆ ′、ｇ 、ｈ′点分别转绘到平面图上ꎬ得 ｅ１１、ｆ１１、 ｇ１１、ｈ１１点ꎮ 连接 ｅ１１、ｆ１１、ｈ１１、ｇ１１点形成一个梯形ꎬ即 为神关窑村村庄在 １１ 号煤层的保护煤柱边界平面 图ꎮ 图 ４ 垂直剖面法图解得保护煤柱示意 ４. ２ 压煤量计算 因神关窑村庄下覆煤层倾角平均小于 １５ꎬ所 以可直接采用在煤层底板等高线图上测定的面积ꎬ 煤量计算可根据以下公式[５]压煤量 ＝ 煤柱面积 容重 煤层平均厚度ꎻ根据上述公式计算ꎬ得出神关 窑村村庄在 １１ 号煤层的压煤量ꎬ见表 ３ꎮ 表 ３ 神关窑村村庄保护煤柱压煤量计算 煤层面积/ ｍ２容重/ ｔ􀅱ｍ－３煤厚/ ｍ煤量/ ｔ １１ 号１９４ ３８７１.４７２.８８００ １００ ５ 结 语 正益煤业目前正在进行井田范围内 １１ 号煤层 的回采工作ꎬ为有效保护村庄等地面构筑物ꎬ以神关 窑村保护煤柱的设计为例ꎬ通过对 １１１０１ 工作面回 采引起的地面沉降特征监测ꎬ依据实测得到的矿区 移动参数采用垂直剖面法计算保护煤柱的留设面积 及压煤量ꎬ最终得到正益煤业表土移动角为 ４５ꎬ上 山移动角为 ７５ꎬ下山移动角 ６５ꎬ走向移动角 ７５ꎬ 神关 窑 村 保 护 煤 柱 面 积 １９４ ３８７ ｍ２ꎬ 压 煤 量 ８０. ０１ 万 ｔꎮ 研究结果对于保护地面建筑物、提高煤 炭资源采出率等具有重要的实践意义ꎮ 参考文献 [１] 王 维. 麦捷煤业山底铺村合理保护煤柱留设方法浅 析[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０２０３２７ －２９. [２] 班国华ꎬ向文勤. 压覆矿产资源储量估算中保护煤柱 边界分析[Ｊ]. 西部资源ꎬ２０２０２６０ －６１ꎬ６４. [３] 荣建科. 井筒附近工作面保护煤柱的确定及开采影响 分析[Ｊ]. 煤炭科技ꎬ２０２０ꎬ４１１５０ －５２. [４] 高 超ꎬ徐乃忠ꎬ刘 贵ꎬ等. 村庄等建筑物保护煤柱 内巷道布置的沉陷影响研究[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１９ꎬ５１ １２１１６ －１２０. [５] 徐飞亚. 寺河矿地表沉陷特征与特高压线塔保护煤柱 优化研究[Ｄ]. 焦作河南理工大学ꎬ２０１５. [责任编辑常丽芳] 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 上接第 ４０ 页 ４ 结 语 １ 针对辛置煤矿 ２ － ２０８ 综采面坚硬难垮落 顶板ꎬ提出耦合致裂方案为孔深 ３２. ０ ｍꎬ注水长度 ３２. ０ ｍꎬ装药长度 ２４. ０ ｍꎬ封孔长度 ８. ０ ｍꎬ孔排距 ６.０ ｍꎬ钻孔直为 １１０ ｍｍꎬ水泵压力控制在 ２２ ＭＰａꎬ 单一钻孔所需水量 ６. ７２ ｔꎮ １ 号、２ 号钻孔与煤层倾 向方向夹角为 ６５ꎬ１ 号钻孔与煤层走向方向夹角为 ３０ꎬ２ 号钻孔与煤层走向方向夹角为 ５５ꎮ ２ 现场试验表明ꎬ采用耦合致裂方法处理坚 硬难垮落顶板ꎬ有效解决了顶板大面积悬顶问题ꎬ使 ２ －２０８ 综采面实现了安全回采ꎬ为辛置煤矿在坚硬顶 板处理问题上提供了科学依据ꎬ对于指导后续工作面 顶板控制意义重大ꎬ也为类似矿井提供了参考依据ꎮ 参考文献 [１] 靳钟铭ꎬ徐林生. 煤矿坚硬顶板控制[Ｍ]. 北京煤炭工 业出版社ꎬ１９９４. [２] 闫少宏ꎬ宁 宇ꎬ康立军. 用水力压裂处理坚硬顶板的 机理及实验研究[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０００ꎬ２５１３２ －３５. [３] 伍永平ꎬ李开放ꎬ张艳丽. 坚硬顶板综放工作面超前弱 化模拟研究[Ｊ]. 采矿与安全工程学报ꎬ２００９ꎬ２６３ ２７３ －２７７. [４] 郭德勇ꎬ商登莹ꎬ吕鹏飞ꎬ等. 深孔聚能爆破坚硬顶板弱 化试验研究 [ Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０１３ꎬ３８ ７１ １４９ － １ １５３. [责任编辑常丽芳] ６５ ２０２０ 年１０ 月 何伟卿正益煤业１１ 号煤层开采村庄保护煤柱设计 第２９ 卷第１０ 期