吕俊沛

（华阳集团新能股份有限公司，山西 阳泉 045000）

目前留设煤柱计算方法主要有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法。这几种方法的本质在于利用岩层移动参数对开采影响范围进行估算，从而确定在开采区域与被保护体留设的合适距离[1-5]。

1 工程概况

阳煤集团寺家庄煤矿位于山西昔阳，矿井设计生产能力5.0 Mt/a，矿井采用斜立混合开拓方式、大采高综采工艺，主采15 号煤。寺家庄煤矿井田范围内存在秦山水库，是昔阳县主要饮用水源之一，为保护秦山水库的安全，保证寺家庄煤矿井下采掘生产安全，最大限度地开发寺家庄煤矿煤炭资源，需对寺家庄煤矿秦山水库进行15 号煤层保护煤柱设计。秦山水库位于上秦山村西，为松溪河上游支流城西河中游，是昔阳县主要饮用水源之一，水库坝体为均质碾压土坝，长374 m，宽5 m，坝底长300 m，宽148m，设计总容量750 万m3，水库正常水位为958.25 m。

2 保护煤柱设计方法选择

目前留设煤柱计算方法主要有3 种，包括垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法。其中，垂直剖面法是根据建筑物外围轮廓以及煤层走向、倾向，从而采用岩层移动参数计算确定保护煤柱边界；垂线法是通过在建筑物外围轮廓留设一定的维护边界，采用岩层移动参数计算基岩移动边界，并确定边界垂线长度，从而确定保护煤柱边界；数字标高投影法是根据保护煤柱侧平面与煤层等高线的交点确定保护煤柱边界[5]。寺家庄煤矿秦山水库受护边界由20 个点连成的多边形圈定，形状不规则，适用于垂线法，因此确定采用垂线法设计秦山水库15号煤层保护煤柱。

3 保护煤柱设计参数选取

根据地形图上秦山水库最高洪水位线对水库圈定受护对象边界，秦山水库受护边界由20 个拐点连成的多边形圈定。据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的规定[6]，秦山水库保护等级属于Ⅰ级，设计围护带宽度应为20 m。秦山水库角量参数根据邻近阳煤集团老区已有的移动角参数确定，确定参数如下，煤层走向移动角δ取72°，下山移动角γ取72°，上山移动角采用公式β=72°-0.5α 确定，α为煤层倾角，松散层移动角ψ 取45°。地质资料显示，秦山水库围护带边界松散层厚度在5～15m 范围，取上限15 m。秦山水库保护煤柱设计采用垂线法，具体设计步骤如下：

（1）计算秦山水库与煤层斜交剖面移动角β'、γ'，采用公式（1）和（2）计算，公式如下：

ctgβ' =（ctg2β·cos2θ+ctg2δ·sin2θ）1/2（1）

式中：β'、γ'分别表示秦山水库与煤层斜交剖面上山移动角和下山移动角；β、γ、δ分别表示秦山水库上山移动角、下山移动角和走向移动角；θ表示秦山水库围护带边界与煤层走向线之间所夹的锐角。

（2）计算基岩边界拐点煤柱垂直线长度q、l，采用公式（3）和（4）计算，公式如下：

式中：q、l分别表示秦山水库保护煤柱上山和下山方向垂直线长度；h、H分别表示松散层厚度和煤层埋深；β'、γ'分别表示秦山水库与煤层斜交剖面上山移动角和下山移动角；θ表示秦山水库围护带边界与煤层走向线之间所夹的锐角；α为煤层倾角。

（3）在各点的垂线上按比例截取各计算长度，连接垂线各点形成的多边形为秦山水库保护煤柱边界线。

表1 给出了秦山水库保护煤柱垂直线长度计算结果，图1 给出了秦山水库保护煤柱留设示意图。

图1 秦山水库保护煤柱留设示意图

表1 秦山水库煤柱设计计算表

续表：

4 秦山水库压煤量分析

秦山水库压煤量采用地质块段法进行估算，采用公式（5）计算，公式如下：

Q=V·C=（A平面积/cosα）·m·C（5）

式中：Q表示秦山水库压煤量；A平面积表示秦山水库保护煤柱边界在平面上的投影面积；C表示煤的容重；α表示煤层倾角。

经计算，秦山水库保护煤柱压煤量1 361.32 万t。秦山水库保护煤柱压煤量计算表见表2。

表2 秦山水库保护煤柱压煤量计算表

5 结论

寺家庄煤矿井田范围内存在秦山水库，是昔阳县主要饮用水源之一，为保护秦山水库的安全，也为了保证寺家庄煤矿井下采掘生产安全，最大限度地开发寺家庄煤矿煤炭资源，采用垂线法设计了秦山水库保护煤柱。经估算，秦山水库15 号煤层保护煤柱压煤量共计1 361.32 万t，秦山水库保护煤柱设计有效地防护了寺家庄煤矿15 号煤层开采对其造成的影响。