苏 洋

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046605）

0 引 言

紫沙庙隶属于长治市长治县北呈乡，坐立紫砂岭山巅，位于下霍矿井一采区东部矿界地表上方，该庙坐北朝南，东西长27.22m，南北宽30.17m，面积约821.23m2。始建于唐代，据正殿内刻砖记载明崇祯三年（1630年），清嘉庆十六年（1811年）履有修葺。紫沙庙由于年久失修和人为破坏，各建筑保存极差，院落地面凹凸不平，围墙倒塌，导致排水不畅，建筑残损严重。每年的七月十八庙会与平时周边上香许愿信徒很多，存在较大的安全隐患，随着国家对文化遗产的开发和挖掘，后经北张村委协商进行修缮[1-3]。

表1 钻孔资料

紫沙庙地势中部较高，向东、西两侧开始陡峭，且都为第四系覆盖。根据《山西三元煤业股份有限公司长子县下霍井田3号煤层勘探地质报告》显示、紫沙庙周围仅有3502#、3708#两个钻孔，钻孔资料如表1所示，且距离紫砂庙分别为942m、842m，从第四系表土层厚度等值线图上量取，紫沙庙周围表土层厚度平均约为16m。表土层下主要岩性依次为泥岩、砂质泥岩。3号煤层平均埋藏深度333.5m，煤层倾角在4°-5°之间，趋势由东北向西南倾斜[4-5]。

1 紫沙庙所压煤柱煤种、煤质

根据山西煤田地质勘探114队提交的《山西三元煤业股份有限公司长子县下霍井田3#煤层勘探地质报告》，紫沙庙所压煤柱中的3#煤层属二叠系下统山西组。煤种属低中灰-中灰、特低硫、高、特高热值、较高软化温度灰份贫煤、贫瘦煤，可作为动力用煤、气化用煤和民用煤。贫瘦煤可作为炼焦配煤。3#煤经洗选灰分降低至5.96%～12.30%，平均9.01%，全硫含量平均0.38%时，也可作为高炉喷吹用煤[6]。

2 围护带宽度、表土层及岩层移动角选择

2.1 围护带宽度选择

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第十一条规定：国家一般文物建筑物、在同一跨度内有两台重型桥式吊车的大型厂房及高程建筑等，按Ⅰ级保护等级进行保护。第十二条规定：在矿井、水平、采区设计时，对建筑物应当划定保护煤柱。保护等级为：特级、Ⅰ级、Ⅱ级建筑物必须划定保护煤柱。第十三条规定：建筑物受保护范围应当包括受护对象及其围护带。根据受护对象的保护等级确定Ⅰ级保护对象的围护带宽度为20m。

紫沙庙按一般文物建筑对象进行保护，故保护等级的围护带宽度选择Ⅰ级20m进行计算。

2.2 表土层移动角选择

根据第四系表土层等厚线图和山西煤田地质勘探114队编制完成的《山西三元煤业股份有限公司长子县下霍井田3#煤层勘探地质报告》显示，紫沙庙一带表土层平均厚度为15.6m，紫沙庙一带煤层顶板含水层富水性弱，松散层下部单位涌水量为q＝0.00046～0.006 L/（s·m）。此外结合2017版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》对松散层移动角的取值范围。因此，紫沙庙一带表土层移动角φ可采用50°。

2.3 岩层移动角选择

根据2017版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中对岩层移动角的取值范围，《山西三元煤业股份有限公司长子县下霍井田3号煤层勘探地质报告》对煤层上覆岩层的描述：“下霍井田3号煤层覆岩以中生代、古生代为主，直接顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，老顶为中-细粒砂岩，泥岩单向抗压强度5.8MPa，砂质泥岩单向抗压强度 4.8MPa～26.5MPa，粉砂岩的单向抗压强度13.7MPa～38.9MPa，老顶单向抗压强度 33.6MPa～57.0MPa”。参照覆沿性质区分的地表移动一般参数综合表中：中硬覆岩的单向抗压强度为30～60MPa，软弱覆岩的单向抗压强度为小于30MPa。

表2 保安煤柱设计选用的参数

移动角的取值范围：上山方向岩层移动角γ为70°～75°，走向岩层移动角δ为70°～75°，下山方向岩层移动角β=δ-（0.6-0.7）α。由于矿区3#煤层覆岩大部以中硬岩层为主，故上山方向岩层移动角γ和走向方向岩层移动角δ均取中间值72°，由于紫沙庙煤层倾角小于5°。因此，下山方向的岩层移动角β=72°，保安煤柱设计选用的参数见表2。

3 垂线法圈定保安煤柱边界

保安煤柱采用垂线法，由于紫砂庙处于井田矿界边缘。因此，取各边界移动垂线点连线与矿界交点作为移动边界的角点。在3#煤层底板等高线图上绘保安煤柱边界，具体步骤如下。

3.1 圈定受护边界

在紫沙庙保安煤柱地形图上，紫沙庙边界由4个拐点组成，以紫沙庙边界外垂直加20 m围护带宽度，即得到受护边界 W1、W2、W3、W4的连线。分别转绘到紫沙庙保安煤柱松散厚度等值线图（根据山西煤田地质勘探114队测绘成图的下霍井田三维地震勘探松散层厚度等值线图）和紫沙庙保安煤柱3号煤层底板等高线图（根据山西煤田地质勘探114队测绘成图的下霍井田3号煤层底板等高线图）上。

3.2 圈定松散层移动边界

表3 松散层移动垂线长计算

紫沙庙表土层移动边界的圈定根据山西煤田地质勘探114队测绘成图的下霍井田三维地震勘探松散层厚度等值线图，得紫沙庙保安煤柱松散层厚度等值线图。

在紫沙庙保安煤柱松散层等值线图上求得各点松散层厚度，取松散层移动角φ=50°，可得到松散层移动垂线长：L=hctgφ，各点松散层移动垂线长见表3。

其次在紫沙庙保安煤柱松散层厚度等值线图上，从受护边界各点按松散层移动垂线长向外作各边的垂线，过同一边两垂线端点的直线与各相邻两边的松散层移动边界相交得到 H1、H2、H3、H4各点的连线即为松散层移动边界。

3.3 计算岩层移动垂线长并圈定保安煤柱边界

紫沙庙保安煤柱的圈定，根据山西煤田地质勘探114队测绘成图的下霍井田3#煤层底板等高线图，和山西煤田地质勘探114队编制完成的《山西三元煤业股份有限公司长子县下霍井田3#煤层勘探地质报告》，及对应井下实际采掘3#煤层位置情况，在紫沙庙保安煤柱松散层厚度等值线图上，量取H1、H2、H3、H4各点的松散层厚度。

将紫沙庙保安煤柱松散厚度层等值线图上的松散层移动边界分别转绘到地形图和3#煤层底板等高线图上，从图上量取可得到 H1、H2、H3、H4各点的地面标高和对应的3#煤层底板位置标高。各点的地面标高与表土层厚度之差是各点的岩层面标高，各点岩层面标高与煤层底板标高之差就是各点的岩层厚度H，具体数值见表4。

表4 含3#煤层的岩层厚度表

在紫沙庙保安煤柱3#煤层底板等高线图上，量取计算出 H1、H2、H3、H4各点的煤层倾角 α 如表 5，松散层移动边界各边与煤层倾向线所夹的锐角θ。根据以下公式计算各点的岩层移动垂线长，具体数值详见表6。

表5 煤层倾角

斜交剖面的上山方向岩层移动角：

斜交剖面的下山方向岩层移动角：

上山方向岩层移动垂线长：

Q=Hctgβ'÷（1+ctgβ'cosθtgα）

下山方向岩层移动垂线长：

L=Hctgγ'÷（1-ctgγ'cosθtgα）

式中：H为包含3#煤层的岩层厚度；β、γ为下、上山方向岩层移动角；θ为松散层移动边界与煤层倾向线所夹锐角；α为煤层倾角。

在紫沙庙保安煤柱3#煤层底板等高线图上，从松散层移动边界各点按岩层移动垂线长向外作各边的垂线，过同一边两垂线端点的直线与各相邻两边的岩层移动边界相交得到 B1、B2、B3、B4各点的连线，即为保安煤柱边界。

4 垂直剖面法圈定保安煤柱边界

首先沿煤层走向和倾向作垂直剖面，在断面图上确定保护煤柱宽度，最后投影到平面图上获得保护煤柱边界。

表6 岩层移动垂线长计算

5 结 论

既为有效保护紫沙庙历史文物遗产，又为避免煤炭资源的浪费，根据两种方法圈定的保安煤柱边界，选取重叠区域作为最佳保安煤柱边界，最终得紫沙庙保安煤柱图，最终保安煤柱边界各角点坐标如表7。

表7 紫沙庙保安煤柱边界各角点坐标

从紫沙庙保安煤柱图上，量得最终保安煤柱的压煤面积S为43203.383m2。根据紫沙庙周边3502#、3708#钻孔揭煤厚度得压煤平均厚度h为5.37m，煤层容重为1.42t/m3，最终求得压煤量如下。

Q=Shρ=43203.383×5.37×1.42≈329443.077t