何伟卿

(山西焦煤集团 介休正益煤业有限公司，山西 介休 032000)

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，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，井田内大面积基岩裸露，山顶黄土覆盖形成梁、垣、峁等特征的黄土地貌，表土层平均厚度为20 m。井田总体为一走向东西、向北倾斜的单斜构造，地层倾角0～18°。矿区现批准可采煤层为11号煤层，11号煤平均厚度2.8 m，容重1.47 t/m3，11号煤层上距9号煤层为20 m，采用走向长壁一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。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，这些村庄均需进行保护煤柱的设计，为使煤柱的留设更为合理，需首先掌握11号煤层开采对于地表的具体影响，因此在11号煤层首采工作面进行地表沉陷特征监测，整理得到地表移动角参数，据此进行各个村庄保护煤柱的设计。

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，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，留设一定宽度的保护煤柱是一种行之有效的方法。由于各个矿井地质条件差异很大，煤层开采对于地面的影响也极为复杂，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，通过建立地表移动观测站可准确掌握地表变形特征，为建(构)筑物下采煤奠定基础。正益煤业11101工作面长度为150 m，推进长度约720 m。地面测点间距根据工作面开采深度进行确定。根据相关规定[1]，当工作面埋深大于400 m时，测点间距应设计为30 m，且可根据实际情况采深每增加100 m，测点间距增加5 m，11101工作面埋深为480～515 m，因此设计测点间距为40 m。沿工作面推进方向共设置22个测点，工作面长度方向设置13个测点，共用测点设置在工作面长度方向中部。工作面地面对应位置多为山岭，杂草重生，进行水泥桩测点埋设时较困难，因此采用废弃的锚杆作为测点，测点设置根据现场情况进行调整，最终测点的平面布置如图1所示。

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，测点n第m次观测时其下沉量为[2-3]：

(1)

正益煤业11101工作面回采期间及回采结束后，共两年期间进行了15次的现场实测，绘制出地表最终的下沉曲线如图2所示。

由图2可以看出，在11101工作面开采影响下，地面对应位置出现明显的下沉现象，沿工作面长度方向，A10号测点下沉量最大，达到2 078 mm，沿工作面推进方向，B24号测点下沉量最大，达到2 520 mm。进行村庄等保护煤柱设计时，需要用到移动角，移动角指接近充分采动或充分采动条件下，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，如图3所示。

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，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，工作面地面存在厚度约20 m的松散层，松散层的移动角根据相关资料取45°[4]。根据图2(a)所示结果，下山方向下沉量达到50 mm 的点位于A3～A4号测点间，距离下山边界距离约220 m，采空区下山边界附近埋深约524.8 m，考虑松散层的影响，计算可得下山移动角为65.0°。本次沿工作面长度方向的测线仅覆盖下山方向，上山移动角无法根据监测结果直接求出，类比类似地质条件下的参数，上山方向采空区边界埋深约489.5 m，煤层倾角约4°，综合分析得出上山综合移动角为75.0°。沿工作面推进方向，下沉量达到50 mm的点位于B5号测点附近，距离工作面开切眼的距离约209 m，切眼处埋深约495.2 m，松散层移动角取45°，厚度为20 m，计算可得走向移动角为65°，综合以上分析可得正益煤业基岩移动参数如表1所示。

表1 正益煤业综合移动角汇总

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，平面坐标系统采用1954北京坐标系统，高程系统采用1985国家高程基准。以神关窑村为例进行设计。根据本矿钻孔资料，神关窑村下方11号煤层埋藏深度H=513 m，煤层倾角α=4°，基岩岩性坚硬，松散层厚度h=20 m。经实际测量圈定神关窑村村庄受护范围坐标见表2。

表2 经实际测量圈定神关窑村村庄受护范围坐标

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。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，得直角四边形abcd，在abcd外侧加宽度为15 m的围护带，其外边边界a′b′c′d′为神关窑村村庄的受护范围边界。

2) 确定保护煤柱边界。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-D。②A-B剖面图上标出村庄轮廓线、煤层等，煤层厚度2.8 m，倾角4°，埋藏深度513 m。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，由M、N点以φ=45°作直线至基岩面得交点M＇、N′。然后，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；同理，在煤层下山方向取得m＇ 点，n＇、m＇点为井下煤体的边界。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。在C-D剖面图上由P、Q点以φ=45°作直线，与基岩面相交于P＇、Q＇ 点。然后，以δ=67.9°由P′、Q＇ 点分别作直线。⑤将A-B剖面图上n＇、m＇ 点分别投影到C-D剖面图上，与C-D剖面图上基岩内的两条斜线相交，得交点e＇f′、及g＇、h＇。e＇f′ 为煤柱上边界线在C-D剖面上的投影，g′h＇ 为煤柱下边界线在C-D剖面上的投影。⑥将e＇、f′、g＇、h′点分别转绘到平面图上，得e11、f11、g11、h11点。连接e11、f11、h11、g11点形成一个梯形，即为神关窑村村庄在11号煤层的保护煤柱边界平面图。

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15°，所以可直接采用在煤层底板等高线图上测定的面积，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；根据上述公式计算，得出神关窑村村庄在11号煤层的压煤量，见表3。

表3 神关窑村村庄保护煤柱压煤量计算

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，为有效保护村庄等地面构筑物，以神关窑村保护煤柱的设计为例，通过对11101工作面回采引起的地面沉降特征监测，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，最终得到正益煤业表土移动角为45°，上山移动角为75°，下山移动角65°，走向移动角75°，神关窑村保护煤柱面积194 387 m2，压煤量80.01万t。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。