刘海青,张华兴,李凤明,杨树荣

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陕西长武亭南煤业有限责任公司,陕西长武 713602)

垂线法留设保护煤柱的改进

刘海青1,2,张华兴1,2,李凤明3,杨树荣4

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;3.煤炭科学研究总院唐山研究院,河北唐山 063012;4.陕西长武亭南煤业有限责任公司,陕西长武 713602)

分析了垂线法留设保护煤柱存在的问题,通过对垂线长度公式的改变,改进了留设保护煤柱的垂线法,使操作程序更为简化,更适于在数字化图上作业。

垂线法;保护煤柱;移动角

留设保护煤柱是确保地物 (包括建筑物、河流等)不受煤矿开采影响的最有效的方法。保护煤柱留设的方法主要有 3种：垂直剖面法、数字标高投影法和垂线法。

垂直剖面法是一种图解的方法,需要沿煤层走向和倾向分别作垂直剖面,从而确定保护煤柱边界;数字标高投影法则要求先在图上作出保护煤柱空间体侧平面的等高线,在此基础上绘制出保护煤柱边界;垂线法则是把解释方法和作图法结合来确定保护煤柱边界。垂直剖面法和数学标高投影法的作图工作都比较繁琐,适合于手工作图,难以通过计算机辅助实现。相对而言,垂线法的作图工作简便,较适宜于在计算机上作图。本文在分析垂线法的基础上,对其进行了改进,使作图工作更为简化。

1 垂线法及其存在的不足

1.1 垂线法留设保护煤柱

垂线法留设保护煤柱,要先利用公式计算出各个垂线长度,然后在平面图上沿受护面积边界的垂线方向量出垂线长度,从而确定保护煤柱边界。现以一个例子来说明垂线法留设保护煤柱边界的方法。如图 1所示,abcde为保护对象的边界,ABCDE为相应的需要留设的保护煤柱边界,具体操作程序[1]如下：

(1)确定受护面积边界 在保护对象边界 abcde外 , 按围护带宽度 s画受护面积边界 a′b′c′d′e′。

围护带的宽度 s要根据保护对象的特点,结合有关规定[2]和资料确定。

图1 垂线法留设保护煤柱

(2)确定松散层保护边界 从受护面积边界a′b′c′d′e′向外量距离 d(松散层保护边界宽度 , 如图2所示 ), 得松散层保护边界 a″b″c″d″e″。d按下式计算：

式中,d为松散层保护边界宽度,m;h为松散层厚度,m;φ为松散层移动角。

(3)确定保护煤柱边界 取 q为向上山方向的垂线长度,l为向下山方向的垂线长度,k为走向方向的垂线长度。下山方向垂线长度 l的意义,如图 2所示。

图2 下山方向垂线长度 l原理

确定保护煤柱边界的操作步骤如下：计算垂线长度 q,l和 k;在平面图上,由松散层保护边界 a″b″c″d″e″" 向外量取相应的垂线长度 , 从而画出保护煤柱边界 ABCDE(图 1);擦去受护面积边界(a′b′c′d′e′) 和松散层保护边界 (a″b″c″d″e″)。

式中,q为上山方向垂线长度,m;l为下山方向垂线长度,m;k为走向方向垂线长度,m;H为 i′点处的煤层深度,m;θ为受护面积边界线在 i′点处与煤层走向所夹的锐角;α为煤层的伪倾角,tan α′=tanαcosθ;β′,γ′分别为斜交剖面下山移动角和斜交剖面上山移动角,按下式计算：

式中,β,γ,δ分别为下山移动角、上山移动角、走向移动角。

1.2 垂线法留设保护煤柱存在的不足

用垂线法留设保护煤柱时,除了画出保护对象边界 (图 1中 abcde)和最终的保护煤柱边界(ABCDE) 外 , 还要画出受护面积边界 (a′b′c′d′e′) 和松散层保护边界 (a″b″c″d″e″)。显然 , 后两个边界 (a′b′c′d′e′和 a″b″c″d″e″) 在整个操作过程中只起一个过渡作用。如果减少这两个边界的工作,无疑会简化整个工作程序,从而改进作业方法。

3 垂线法的改进

为简化保护边界工作程序,在计算垂线长度时,可以把围护带宽度 s、松散层保护边界宽度 d融合到公式 (1), (2)和 (3)里 (原理如图 3所示),得到一组新的公式：

图3 融合后的下山方向垂线长度 li计算原理

式中,qi为 i点处上山方向垂线长度,m;li为 i点处下山方向垂线长度,m;ki为 i点处走向方向垂线长度,m;hi为松散层厚度,m;φ为松散层移动角;Hi为 i点处的煤层深度,m;θi为保护对象边界线在 i点处与煤层走向所夹的锐角;α′i为煤层的伪倾角 ,tanα′i=tanαcosθi; βi′, γi′分别为斜交剖面下山移动角和斜交剖面上山移动角,按下式计算：式中,β,γ,δ分别为下山移动角、上山移动角、走向移动角。

显然,用公式 (4),(5)和 (6)计算得的垂线长度 qi,li,ki的实际意义与公式 (1), (2)和(3)已经有所不同,公式中各参数的意义也有了变化。以下山方向的垂线长度 li(图 3)为例,与图 2中的 l相比较,li实际上是由图 2中的 l,d和 s组成。相应地,留设保护煤柱的操作程序改进(如图 4所示)为：按公式 (4), (5)和 (6)计算各点对应的垂线长度 qi,li,ki,确定保护煤柱边界。

在平面图上,由保护对象边界 abcde向外做出保护煤柱边界 ABCDE。

3 结论

改进后的垂线法,操作程序简化,作图工作减少,操作更加简便,更适于延伸型建 (构)筑物(如铁路[3]、长输油气管道[4]等)下保护煤柱的留设。目前,煤矿用图基本上已经数字化,用改进后的垂线法确定保护煤柱,更容易在数字化平台(如 AutoCAD,GIS)矿图上使用。

图4 改进后的垂线法留设保护煤柱

[1]何国清,杨 伦,凌赓娣,等 .矿山开采沉陷学 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1991.

[2]国家煤炭工作局 .建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 [M].北京：煤炭工业出版社,2000.

[3]陈清通,文学宽 .铁路下煤层群留设保护煤柱方法的选择和计算 [J].煤矿开采,2008,13(6)：28-29.

[4]张华兴,刘海青,孙万明,祝 琨 .管道过采空区压煤开采与煤柱留设研究 [R].北京：天地科技股份有限公司开采设计事业部特殊采煤与矿区环境治理研究所,2009.

I mprovement of Protective Coal Pillar Design with VerticalL ineM ethod

L IU Hai-qing1,2,ZHANG Hua-xing1,2,L I Feng-ming3,YANG Shu-rong4
(1.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;3.Tangshan Research Institute,China Coal Research Institute,Tangshan 063012,China;4.Shanxi Changwu Coal Co.,Ltd.,Changwu 713602,China)

Thispaper analyzed the problem in designing protective coal pillarwith vertical line method and improved the method by changing length for mula of vertical line.The improved method makes calculation simple and adapted to map exercise.

vertical line method;protective coal pillar;movement angle

TD822.3

A

1006-6225(2010)04-0015-02

2010-03-15

刘海青 (1970-),男,山东诸城人,在读博士生,主要从事特殊采煤及煤矿灾害防治的研究工作。

周景林]