CN111680261A - 一种保护煤柱的留设方法及留设系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保护煤柱的留设方法及留设系统，包括以下步骤：S01.留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线；S02.利用煤柱线的假定一个工作面作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；S03.将下沉预计等值线与留设煤柱线进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线在设定范围内，则证明所述留设煤柱线为正确的，反之，则为错误。本发明利用下沉预计等值线来验证计算留设煤柱的正确性是一种行之有效的方法，大大降低了计算量，减少计算中出错的几率。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，具体为一种保护煤柱的留设方法及留设系统。
背景技术
由于煤矿地下开采范围大、层数多且深度有限，开采的影响一般都能发展到地表，引起地表产生的抽冒和切冒等形式的漏斗坑和突然下沉，致使地基损毁，建(构)筑物、地理环境遭到破坏，工农业生产不能正常进行，居民的居住安全不能得到保证。为了减少或完全避免地下开采的影响，需要采取一些必要的防护措施以减少这种损坏，其中留设保护煤柱就是比较常用的保护方法。
通常采用的煤柱留设方法是垂直剖面法和垂线法。一般对保护煤柱进行设计时同时使用两种方法进行计算，对两种方法计算的留设煤柱范围进行比较，作出合理的留设。同时，这两种方法的计算也是对计算结果的一种正确性的检校，避免计算中因为参数的误用而产生煤柱留设的错误。但是，这种设计煤柱留设的方法计算量比较大，特别是对于不规则维护带，需要取大量的点位进行计算，而且使用两种方法进行计算，无形之中增加了很多的工作量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种工作量小的保护煤柱留设方法。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种工作量小的保护煤柱留设系统。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题之一的：
一种保护煤柱的留设方法，包括以下步骤：
S01.留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线；
S02.利用煤柱线的假定一个工作面作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；
S03.将下沉预计等值线与留设煤柱线进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线在设定范围内，则证明所述留设煤柱线为正确的，反之，则为错误。
本发明利用下沉预计等值线来验证计算留设煤柱的正确性，只采用一种方法来计算留设煤柱线，然后利用煤柱线一边的假定工作面作下沉预计等值线，查看下沉预计边界线与守护范围边界的距离情况来判断留设煤柱的正确性。这样能够大大减少计算煤柱的工作量，同时也能减少在计算中出错的几率，很大程度的提升工作效率。
优选的，所述步骤S01中，采用垂直剖面法、垂线法或数字标高投影方法其中之一计算留设煤柱线。
优选的，所述步骤S02中假定工作面具体为：所述假定工作面的一个顺槽与所述留设煤柱线的任意一边相邻并等长。
优选的，下沉预计等值线的生成方法为：首先根据矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结得到的下沉预计参数，再利用下沉预计软件对假定工作面进行下沉预计，生成沉降数据文件，然后用下沉等值线绘图软件对所述沉降数据文件进行处理，生成下沉预计等值线。
对应的，本发明还提供一种保护煤柱的留设系统，解决上述技术问题之二，应用上述的方法，包括
留设煤柱线计算模块，用以留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线；
下沉预计等值线计算模块，用以利用煤柱线的假定一个工作面作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；
判断模块，用以将下沉预计等值线与留设煤柱线进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线在设定范围内，则证明所述留设煤柱线为正确的，反之，则为错误。
优选的，所述留设煤柱线计算模块中采用垂直剖面法、垂线法或数字标高投影方法其中之一计算留设煤柱线。
优选的，所述假定工作面具体为：所述假定工作面的一个顺槽与所述留设煤柱线的任意一边相邻并等长。
优选的，所述下沉预计等值线计算模块中下沉预计等值线的生成方法为：首先根据矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结得到的下沉预计参数，再利用下沉预计软件对假定工作面进行下沉预计，生成沉降数据文件，然后用下沉等值线绘图软件对所述沉降数据文件进行处理，生成下沉预计等值线。
本发明的优点在于：
本发明利用下沉预计等值线来验证计算留设煤柱的正确性，只采用一种方法来计算留设煤柱线，然后利用煤柱线一边的假定工作面作下沉预计等值线，查看下沉预计边界线与守护范围边界的距离情况来判断留设煤柱的正确性。这样能够大大减少计算煤柱的工作量，同时也能减少在计算中出错的几率，很大程度的提升工作效率。
附图说明
图1为本发明实施例保护煤柱留设方法中工广的维护范围；
图2为针对图1计算得到的保护每组留设平面图；
图3为针对图2设计的假定工作面示意图；
图4为利用下沉预计软件对图3的假定工作面进行下沉预计生成的沉降数据文件；
图5为利用下沉等值线绘图软件对沉降数据文件进行处理，生成下沉预计等值线的计算过程图；
图6为图5计算结束后生成的下沉预计等值线示意图；
图7为图2与图6叠加后的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种保护煤柱的留设方法，包括以下步骤：
步骤1.留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线2；
1.1留设煤柱计算方法比较
通常保护煤柱计算方法有三种，垂直剖面法、垂线法和数字标高投影方法。比较常用的也就是前两种，它们各有优缺点。垂直剖面法一般适用于规则形状的受护范围，利用相关数据参数通过作垂直剖面图形，在图形上量取相关尺寸得到。这种方法形象直观，但是需要画出不少的剖面图形来得到，计算量不是太大，只是绘图太过频繁。垂线法适用任何形状的受护范围，它是在受护范围的特征拐点，利用相关数据参数和公式计算得到。这种方法适用范围较广，但计算量较大，不够形象。下面就以垂线法对工广煤柱留设方法进行讨论。
1.2垂线法对工广留设保护煤柱
垂线法留设保护煤柱其实就是用解析方法留设保护煤柱。先作受护面积边界的垂线，利用公式计算垂线的长度，再在平面图上量出垂线长度，从而确定保护煤柱边界线。
首先要根据工广范围确定受护面积边界。根据场地征地图，场地自然地面标高一般为+25.00m，维护带宽度取15m，工广的维护范围取值如图1。
再次根据工广维护带拐点处基岩标高h1、煤层标高H1、松散层厚度h、煤层倾角a、煤层走向与维护边的加角θ，根据下面的计算公式计算出煤层的留设煤柱范围。
松散层保护带为：S＝hctgφ；
基岩保护带为：
(1)ctgβ1＝√(ctgβcosθ+ctgδsinθ)；
(2)ctgγ1＝√(ctgγcosθ+ctgδsinθ)；
(3)q＝＝(H-h)ctgβ1/(1+ctgβ1cosθtanα)；
(4)l＝(H-h)ctgγ1/(1-ctgγ1cosθtanα)；
其中β、γ、δ为煤层上山、下山、走向移动角，β1、γ1为维护边界与煤层走向相交的斜交移动角，q、l分别为上山、下山的垂线长度。
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中当地地表移动实测参数资料,选取松散层与岩层移动角分别为φ＝41°,δ＝66°,γ＝70°,因α＝7°,故β＝66°-22°sinα＝63.3°。
场地受护范围各拐点的基岩标高h以及对应的松散层保护带各拐点的基岩标高h1和松散层保护带各拐点的煤层标高H1见下表：
| 拐点 | A | B | C | D | E |
| h | -396 | -387 | -370 | -366 | -377 |
| s | 484.31 | 473.95 | 454.40 | 449.79 | 462.45 |
| h1 | -401 | -405 | -346 | -361 | -388 |
| H1(1煤) | -490 | -505 | -635 | -720 | -580 |
按照上述参数，场地保护煤柱在煤层上、下山方向的垂线长度q、l的计算结果如下表所示：
保护煤柱留设平面图2所示。
步骤2.利用煤柱线2假定一个工作面2作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；具体为：
在煤矿开采过程中不可避免地要考虑地面塌陷问题，除了计算塌陷的范围外，还要进行下沉等值线的绘制，方便直观的了解分析和反映矿山开采范围内各区域的地表塌陷程度。因此，下沉等值线为评价地面塌陷的基础图件。原来绘制等值线是要经过大量的计算，手工绘出，现在随着计算机的高速发展，越来越多软件就能方便的完成这样的工作。
本实施例假想在煤层中存在一个工作面2，此工作面2的一顺槽与图2所计算的留设煤柱的一边E3A2相邻且等长。一般情况下，根据矿区特性，工作面2为正方形结构也可以为长方形，均可满足下沉量计算需求。本实施例的假设工作面长731.8m，宽659.9m。根据工作面的底板等高线图及相应的煤厚和采深情况，利用矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结出来的下沉预计参数，就可以对假定工作面2进行下沉预计数据文件的编辑。工作面布置如图3。
因为矿区处在深厚松散层采动条件下，采动后的松散层有太多的不确定性，本实施例从地表移动观测站求得的移动角都是综合移动角。求得沿煤层下山方向、上山方向和走向方向的综合移动角分别为β＝64.3°，γ＝68.6°，δ＝67.6°，上山、下山、走向方向边界角分别为γ0＝49°；δ0＝58°；β0＝45°。因为是为了更大限度的检验所留设煤柱的合理性，本实施例用边界角作为参数进行检验。下面以边界角作为数据参数，编辑数据文件，利用下沉等值线预计软件对假定存在的工作面进行预计。
编制好数据文件后，首先利用下沉预计软件对工作面下沉预计，生成沉降数据文件。如图4。
然后用下沉等值线图绘图软件对上面生成的沉降文件进行处理，如图5。最后生成下沉预计等值线。如图6。
步骤3.将下沉预计等值线与留设煤柱线2进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线2不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线2在设定范围内，则证明所述留设煤柱线2为正确的，反之，则为错误。具体为：
对上面计算得到设计煤柱线2与假定工作面2的下沉预计等值线叠加到同一张图上，看下沉预计等值线的边界线(即下沉10mm的范围线)和留设煤柱线2之间的距离，是否在可以接受的范围内，如果在可容许的范围内，那说明利用下沉预计等值线来检验留设煤柱线2正确性是可行的，反之，不可行。设计煤柱线2与假定工作面1的下沉预计等值线叠加后如图7。
将两图叠加后可以量出，工广守护边界与工作面顺槽(即留设煤柱线2)的距离是538m，工广守护边界与下沉预计边界线之间的距离为35m，两则之间的比例关系为15:1。考虑到煤柱线2设计时利用的理论值，即岩层和松散层的理论移动角参数，而检验是用的是通过沉降点观测和下沉预计线拟合得到参数，两则存在差别，且处在厚松散层地区，个别地方厚度能达到420m，给下沉预计带来很大的不确定性。考虑这些方面因素，这个结果是可以接受的，即利用下沉预计等值线来验证留设煤柱的正确性是可行的。
通过以上煤柱留设计算与下沉预计等值线的比较可知，利用下沉预计等值线来验证计算留设煤柱的正确性是一种行之有效的方法。这样就不用像往常利用两种方法分别对建(构)筑物的受护范围线进行计算，比较两种方法计算得到的留设煤柱线2范围情况来判断所留设煤柱的正确性。本实施例只用一种方法来计算留设煤柱线2，然后利用煤柱线2一边的假定工作面1作下沉预计等值线，查看下沉预计边界线与守护范围边界的距离情况来判断留设煤柱的正确性。这样能够大大减少我们计算煤柱的工作量，同时也能减少在计算中出错的几率。所以，利用下沉预计等值线来验证留设煤柱的正确性是可行的。
与上述方法对应的，本实施例还提供一种保护煤柱的留设系统，应用于上述的方法，包括
留设煤柱线计算模块，用以留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线2；
下沉预计等值线计算模块，用以利用煤柱线2的假定一个工作面1作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；
判断模块，用以将下沉预计等值线与留设煤柱线2进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线2不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线2在设定范围内，则证明所述留设煤柱线2为正确的，反之，则为错误。
具体为：
留设煤柱线计算模块：
1.1留设煤柱计算方法比较
通常保护煤柱计算方法有三种，垂直剖面法、垂线法和数字标高投影方法。比较常用的也就是前两种，它们各有优缺点。垂直剖面法一般适用于规则形状的受护范围，利用相关数据参数通过作垂直剖面图形，在图形上量取相关尺寸得到。这种方法形象直观，但是需要画出不少的剖面图形来得到，计算量不是太大，只是绘图太过频繁。垂线法适用任何形状的受护范围，它是在受护范围的特征拐点，利用相关数据参数和公式计算得到。这种方法适用范围较广，但计算量较大，不够形象。下面就以垂线法对工广煤柱留设方法进行讨论。
1.2垂线法对工广留设保护煤柱
垂线法留设保护煤柱其实就是用解析方法留设保护煤柱。先作受护面积边界的垂线，利用公式计算垂线的长度，再在平面图上量出垂线长度，从而确定保护煤柱边界线。
首先要根据工广范围确定受护面积边界。根据场地征地图，场地自然地面标高一般为+25.00m，维护带宽度取15m，工广的维护范围取值如图1。
再次根据工广维护带拐点处基岩标高h1、煤层标高H1、松散层厚度h、煤层倾角a、煤层走向与维护边的加角θ，根据下面的计算公式计算出煤层的留设煤柱范围。
松散层保护带为：S＝hctgφ；
基岩保护带为：
(1)ctgβ1＝√(ctgβcosθ+ctgδsinθ)；
(2)ctgγ1＝√(ctgγcosθ+ctgδsinθ)；
(3)q＝＝(H-h)ctgβ1/(1+ctgβ1cosθtanα)；
(4)l＝(H-h)ctgγ1/(1-ctgγ1cosθtanα)；
其中β、γ、δ为煤层上山、下山、走向移动角，β1、γ1为维护边界与煤层走向相交的斜交移动角，q、l分别为上山、下山的垂线长度。
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中当地地表移动实测参数资料,选取松散层与岩层移动角分别为φ＝41°,δ＝66°,γ＝70°,因α＝7°,故β＝66°-22°sinα＝63.3°。
场地受护范围各拐点的基岩标高h以及对应的松散层保护带各拐点的基岩标高h1和松散层保护带各拐点的煤层标高H1见下表：
按照上述参数，场地保护煤柱在煤层上、下山方向的垂线长度q、l的计算结果如下表所示：
保护煤柱留设平面图2所示。
下沉预计等值线计算模块，利用煤柱线2假定一个工作面2作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；具体为：
在煤矿开采过程中不可避免地要考虑地面塌陷问题，除了计算塌陷的范围外，还要进行下沉等值线的绘制，方便直观的了解分析和反映矿山开采范围内各区域的地表塌陷程度。因此，下沉等值线为评价地面塌陷的基础图件。原来绘制等值线是要经过大量的计算，手工绘出，现在随着计算机的高速发展，越来越多软件就能方便的完成这样的工作。
本实施例假想在煤层中存在一个工作面2，此工作面2的一顺槽与图2所计算的留设煤柱的一边E3A2相邻且等长。一般情况下，根据矿区特性，工作面2为正方形结构也可以为长方形，均可满足下沉量计算需求。本实施例的假设工作面长731.8m，宽659.9m。根据工作面的底板等高线图及相应的煤厚和采深情况，利用矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结出来的下沉预计参数，就可以对假定工作面2进行下沉预计数据文件的编辑。工作面布置如图3。
因为矿区处在深厚松散层采动条件下，采动后的松散层有太多的不确定性，本实施例从地表移动观测站求得的移动角都是综合移动角。求得沿煤层下山方向、上山方向和走向方向的综合移动角分别为β＝64.3°，γ＝68.6°，δ＝67.6°，上山、下山、走向方向边界角分别为γ0＝49°；δ0＝58°；β0＝45°。因为是为了更大限度的检验所留设煤柱的合理性，本实施例用边界角作为参数进行检验。下面以边界角作为数据参数，编辑数据文件，利用下沉等值线预计软件对假定存在的工作面进行预计。
编制好数据文件后，首先利用下沉预计软件对工作面下沉预计，生成沉降数据文件。如图4。
然后用下沉等值线图绘图软件对上面生成的沉降文件进行处理，如图5。最后生成下沉预计等值线。如图6。
判断模块，将下沉预计等值线与留设煤柱线2进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线2不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线2在设定范围内，则证明所述留设煤柱线2为正确的，反之，则为错误。具体为：
对上面计算得到设计煤柱线2与假定工作面2的下沉预计等值线叠加到同一张图上，看下沉预计等值线的边界线(即下沉10mm的范围线)和留设煤柱线2之间的距离，是否在可以接受的范围内，如果在可容许的范围内，那说明利用下沉预计等值线来检验留设煤柱线2正确性是可行的，反之，不可行。设计煤柱线2与假定工作面1的下沉预计等值线叠加后如图7。
将两图叠加后可以量出，工广守护边界与工作面顺槽(即留设煤柱线2)的距离是538m，工广守护边界与下沉预计边界线之间的距离为35m，两则之间的比例关系为15:1。考虑到煤柱线2设计时利用的理论值，即岩层和松散层的理论移动角参数，而检验是用的是通过沉降点观测和下沉预计线拟合得到参数，两则存在差别，且处在厚松散层地区，个别地方厚度能达到420m，给下沉预计带来很大的不确定性。考虑这些方面因素，这个结果是可以接受的，即利用下沉预计等值线来验证留设煤柱的正确性是可行的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种保护煤柱的留设方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01.留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线(2)；
S02.利用煤柱线(2)的假定工作面(1)作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；
S03.将下沉预计等值线与留设煤柱线(2)进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线(2)不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线(2)在设定范围内，则证明所述留设煤柱线(2)为正确的，反之，则为错误。
2.根据权利要求1所述的一种保护煤柱的留设方法，其特征在于：所述步骤S01中，采用垂直剖面法、垂线法或数字标高投影方法其中之一计算留设煤柱线(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种保护煤柱的留设方法，其特征在于：所述步骤S02中假定工作面(1)具体为：所述假定工作面(1)的一个顺槽与所述留设煤柱线(2)的一边相邻。
4.根据权利要求3所述的一种保护煤柱的留设方法，其特征在于：下沉预计等值线的生成方法为：首先根据矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结得到的下沉预计参数，再利用下沉预计软件对假定工作面(1)进行下沉预计，生成沉降数据文件，然后用下沉等值线绘图软件对所述沉降数据文件进行处理，生成下沉预计等值线。
5.一种保护煤柱的留设系统，其特征在于：应用于权利要求1至4任一所述的方法，包括
留设煤柱线(2)计算模块，用以留设保护煤柱计算，得到留设煤柱线(2)；
下沉预计等值线计算模块，用以利用煤柱线(2)的假定工作面(1)作下沉预计等值线，得到下沉预计等值线；
判断模块，用以将下沉预计等值线与留设煤柱线(2)进行叠加，如果下沉预计等值线和留设煤柱线(2)不存在相交，且下沉预计等值线的边界线与所留设的煤柱线(2)在设定范围内，则证明所述留设煤柱线(2)为正确的，反之，则为错误。
6.根据权利要求5所述的一种保护煤柱的留设系统，其特征在于：所述留设煤柱线(2)计算模块中采用垂直剖面法、垂线法或数字标高投影方法其中之一计算留设煤柱线(2)。
7.根据权利要求5或6所述的一种保护煤柱的留设系统，其特征在于：所述假定工作面(1)具体为：所述假定工作面(1)的一个顺槽与所述留设煤柱线(2)的一边相邻。
8.根据权利要求7所述的一种保护煤柱的留设系统，其特征在于：所述下沉预计等值线计算模块中下沉预计等值线的生成方法为：首先根据矿区内通过回采工作面沉降观测和曲线拟合总结得到的下沉预计参数，再利用下沉预计软件对假定工作面(1)进行下沉预计，生成沉降数据文件，然后用下沉等值线绘图软件对所述沉降数据文件进行处理，生成下沉预计等值线。
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