2024年5月31日发(作者：)
第
43
卷第
11
期
2020
年
11
月
煤炭与化工
Coal
and
Chemical
Industry
Vol.43
No.
11
Nov.
2020
地测与水害防治
导水构造防隔水煤
（
岩
）
柱的计算方法
刘阔林
，
曹栋
，
白辉辉
（
冀中能源峰峰集团有限公司羊东矿
，
河北邯郸
056201
）
摘要
：矿井生产期间
，
开采煤层受底板承压水威胁时
，
往往因导水构造的影响造成突水淹
井事故
，
因此
，
需对导水构造留设合理的防隔水煤
（
岩
）
柱
，
避免水害事故的发生
。
以往对
导水构造防隔水煤
（
岩
）柱的留设主要以绘图法为主
，
留设煤柱尺寸虽合理，
但在思想逻辑
上不易于理解
。
本文通过将导水构造防隔水煤
（
岩
）
柱留设的实际问题转换为数学问题
，
建
立数学模型
，
通过对煤岩层的赋存状态及导水构造的发育形态进行分析
、总结
，
确定了固定
的计算公式
，
准确
、
合理的计算出导水构造防隔水煤
（岩
）
柱尺寸
。
关键词
：
底板承压水
；
防隔水煤
（岩）
柱
；
计算公式
中图分类号
：
TD745
文献标识码
：
A
文章编号
：
2095-5979
（
2020
）
11-0055-04
Calculation
of
water-retentive
structural
coal
(rock)
columns
Liu
Kuolin,
Cao
Dong,
Bai
Huihui
(
Yangdong
Mine,
Jizhong
Energy
Fengfeng
Group
Corporation
Ltd.,
Handan
056201,
China
)
Abstract
:
During
the
production
period
of
the
mine,
when
the
coal
seam
is
threatened
by
the
bottom
pressure
water,
it
often
causes
sudden
flooding
accidents
due
to
the
influence
of
the
water-bearing
structure.
In
the
past,
the
retention
of
water
—
suppressing
coal
(rock)
columns
in
water-suppressing
structures
was
mainly
based
on
the
drawing
method,
and
although
the
size
of
coal
columns
was
reasonable,
it
was
not
easy
to
understand
the
logic
of
the
idea.
In
this
paper,
by
converting
the
practical
problems
of
water-ducting
structure
coal
(rock)
column
retention
into
mathematical
problems
and
establishing
a
mathematical
model,
and
by
analyzing
and
summarizing
the
coal
bed
state
and
the
development
pattern
of
water
—
ducting
structure,
a
fixed
calculation
formula
was
established
to
accurately
and
reasonably
calculate
the
size
of
water
—
ducting
structure
coal
(rock)
column
retention.
Key
words
:
base
plate
bearing
water;
watertight
coal
(rock)
column;
calculation
formula
0
引言
羊东井田水文地质类型为极复杂型矿井
，
随着
古地下暗河较为发育
、
且复杂
，
矿井开采期间
，
一
旦出现陷落柱导水，
可能造成淹井事故
。
矿井开采水平的不断延深
，采煤工作面承受的底板
奥灰地下水压力也逐渐增大
，
开采期间发生突水事
故的可能性也尤为凸显
。
羊东井田六一采区目前正
1
相关防治水措施
（
1
）
《
煤矿防治水细则
》
中附录六之四
：
在煤层位于含水层上方且断层导水的情况下，
防隔
在进行开拓延伸工程
，
结合地面三维地震资料
，
采
区内已探査出
5
个陷落柱
，
编号为
DX6
、
DX7
、
水煤
（
岩）
柱的留设应当考虑
2
个方向上的压力
，
一是煤层底部隔水层能否承受下部含水层水的压
DX8
、
DX9
、
DX10,
其中
DX9
陷落柱长轴
516
叫
短轴
170
m
。
资料表明六一采区奥陶系灰岩含水层
力
；
二是断层水在顺煤层方向上的压力
（可通过规
定的公式进行计算
）
。
当考虑底部压力时
，应当使
责任编辑
：
高小青
DOI
：
10.19286/.2020J
1.015
作者简介
：
刘阔林
（
1988-
）
,
男
，
陕西西安人
，水文地质工程师
。
引用格式
：
刘阔林
，
曹
栋
，
白辉辉•导水构造防隔水煤
（
岩
）
柱的计算方法
[J].
煤炭与化工
，
2020,
43
（
11
）
：
55-58.
55
2020
年第
11
期
煤炭与化工
第
43
卷
煤层底板到断层面之间的最小距离
（
垂距
）
，
大于
安全防隔水煤
（
岩
）
柱宽度
Ha
的计算值
，
但不得
之间的最小距离
（
垂距
）
，
大于安全防隔水煤
（
岩
）
柱宽度血的计算值
，
但不得小于
20
m
。
结合峰峰
小于
20
m
o
当考虑断层水在顺煤层方向上的压力
时
，
按附录六之二计算煤柱宽度
，
见式
（
1
）
。
L
=
0.5KM^^
集团各矿对此类煤柱的留设主要以绘图的方式进行
计算
、
留设
。
（
1
）
根据断层
（
陷落柱
）
发育形态绘制剖面图
，
在
剖面图上根据煤
（
岩）
层倾角及断层面
（
陷落柱塌
式中
：
Z
为煤柱留设的宽度
，
m;
K
为安全系数
，
一般取
2
~
5;
M
为煤层厚度或者采高
，
m;
P
为
陷面
）
倾角情况
，
在断层面
（
构造面
）
上取
2
个点
（
A
、
B
）
,
根据
2
点的标高及实际水压力计算出
Ha
（
Ha-A
、
Ha-B
）
。
在剖面上分别绘制以
A
、
B
点为
圆心
，
以该点所计算的
Ha
为半径的圆
，
并在剖面
图上标出已所取点
（
A
、
B
）
为起点的直线交至断
实际水头值
，
MPa;
K
”
为煤的抗拉强度
，
MPa
o
根据以上
2
种方法计算的结果
，
取用较大的数
值
，
但仍不得小于
20
m
o
（
2
）
《
河北省煤矿防治水管理办法
》
第三十
层上盘的圆线
（
交点分别为
a
、
b
）
,
保证该直线垂
直于断层面
，
a
、
b
点的连线与煤层底板的交点
（
D
）
至煤层底板与断层面交点的水平距离即为层
条
“
对导水陷落柱须参照导水断层留设防水煤
（
岩
）
柱
，
对不导水的陷落柱应对底板注浆加固处
理
，
否则须按导水陷落柱留设安全煤（
岩
）
柱
”
。
防水煤柱的宽度
（
图
1
）
。
上述方法主要以绘图的形式进行导水构造防水
煤柱的计算
，
留设煤柱虽然合理且符合规定
，
但无
2
原导水构造防隔水煤
（
岩
）
柱计算方法
对于导水构造
，
防隔水煤
（
岩
）
柱的计算过
详细
、
具体的计算过程
，
在思想逻辑上不易于
理解。
程
，
当考虑底部压力时
，
应当使煤层底板到断层面
图
1
导水构造防水煤柱计算方法示意
（
绘图法
）
Fig.
1
Calculation
method of
waterproofing
coal
pillar
of
watei^conducting
structure
3
导水构造防隔水煤
（
岩
）柱计算新方法
通过将实际问题转换成数学问题
，
建立数学模
上标出煤层倾角
、
断层
（
陷落柱
）导水面倾角
，
根
据断层面与煤层倾斜关系利用三角函数计算出
H,
再以
H
计算出
Ha,
通过绘制以
H
对应标高的断层
面的交点为圆心
，
以
Ha
为半径绘圆
，
与煤层底板
的交点至煤层底板与断层面交点的水平距离即为断
型
，
以此方法计算导水构造防隔水煤
（
岩
）
柱尺
寸
，
并确定了固定的计算公式
，
通过对六一采区陷
落柱
（
导水断层
）
防隔水煤柱的留设
，
考虑底部压
层防水煤柱的宽度
。
计算过程如下
：
力时
，
Ha
的计算方法可分为
4
种情况
。
计算方法
（
1
）
导水构造面与开采煤层夹角为钝角
，
且
开采煤层倾角从导水构造侧向开采煤层方向为下山
如下
：
根据导水构造发育形态绘制剖面图
，
在剖面图
时
（
图
2
）
。
56
刘阔林等
：
导水构造防隔水煤(岩)柱的计算方法
图
2
导水构造防水煤柱计算示意-情况
1
Fig.
2
Calculation
of
waterproofing
coal
pillar
of
water-conducting
structure
(condition
1)
计算公式
：
已知参数
：
B
、
Ts
、
4
断
、
4
岩
；
假设参数
：
H
、
Ha
、
X
o
其中
：
X=H
X
sin
-1
(4
gf)
(
2
)
X=Ha
X
tan
-1
(A
K-A
(
3
)
关系式
：
ffa
=
PITs
+10
=
(B+ff+136
)
/10+10
(
4
)
(2
)
=
(
3
)
-H
X
sin
-1
(A
gj)
=Ha
X
tan
-1
(A
K
-A
(
5
)
将式
(
4
)
带入式
(
5
)
:
H
x
sin-1
(4
jj
)
=
[
(
B+7Z+136
)
/10+10]
x
tan
-1
Q4
j,
-A
g)
可计算出
H
值
，
将
H
带入式
(
4
)
,
可求得
Ha
o
Ha
线段与煤层底板的交点与至煤层底板与断
层面交点的水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
(
2
)
导水构造面与开采煤层夹角为钝角
，
且
开采煤层倾角从导水构造侧向开采煤层方向为上山
时(图
3
)
。
图
3
导水构造防水煤柱计算示意-情况
2
Fig.
3
Calculation
of
waterproofing
coal
pillar
of
water-conducting structure
(condition
2)
计算公式
：
已知参数
B
、
Ts.
A
断
、
4
君
，
假设参数
H
、
Ha
。
其中
：
X
=Hx
sin
-1
(A
gf)
(
6
)
X
=
Ha
X
tan
-1
(A
断
+4
岩)
(7
)
2020
年第
11
期
关系式:
丑
3
=刊能+
10=
(S+Zf+136)
/10+10
(
8
)
(6
)
=
(
7
)
=H
X
sin
-1
(
4
断)
=Ha.
X
tan
-1
(
4
斷
+4
岩)
(9
)
将式
(
8
)
带入式
(
9
)
:
H
x
sin
-1
(4
断)
=
〔
(
j
B+H+136)
/10+10
〕
x
tan
-1
(4
断
+A
岩)
可计算出
H
值
，
将
H
带入式
(
8
)
,
可求得
Ha
。
Ha
线段与煤层底板的交点与至煤层底板与断
层面交点的水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
Ha
线段与煤层底板的交点与至煤层底板与断
层面交点的水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
(
3
)
导水构造面与开采煤层夹角为锐角
，
且
开采煤层倾角从导水构造侧向开采煤层方向为下山
时(图
4
)
。
图
4
导水构造防水煤柱计算示意-情况
3
Fig.
4
Calculation
of
waterproofing
coal
pillar
of
water-conducting
structure
(condition
3)
计算公式
：
已知参数
：
B
、
Ts,
A
断
、
4
卷
；
假设参数
：
H
、
Ha
。
X
o
其中
：
X
=Hx
sin-1
(A
断)
(10
)
X
=
Ha
X
tan
-1
(
4
断
+4
岩)
(11
)
关系式
：
Ha
=
P/Ts+10=
(d+H+136
)
/10+10
(
12
)
(10
)
=
(11)
=H
x
sin-1
(A
gj)
=Ha.
x
tan
-1
(
4
断
+4
誉
)
(
13
)
将式
(
12
)
带入式
(13
)
：
H
x
sin
1
(A
»f)
=
〔
(
B+H+136)
/10+10]
xtan-
1
(A
断
+A
君)
可计算出
H
值
，
将
H
带入式
(12
)
,
可求得
Ha
。
Ha
线段与煤层底板的交点与至煤层底板与断
层面交点的水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
(
4
)
导水构造面与开采煤层夹角为锐角
，
且
开采煤层倾角从导水构造侧向开采煤层方向为上山
时(图
5
)
。
57
2020
年第
11
期
煤炭与化工
Ha
。
第
43
卷
Ha
线段与煤层底板的交点与至煤层底板与断
层面交点的水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
（
5
）
解释
。
上述公式中
B
点值为剖面中煤层
底板与断层
（
导水构造面
）
交点处标高的绝对值;
Ts
取
0.1
MPa/m;
奥灰水位取
+136
m;
A
断为剖面
中断层
（
导水构造面
）
倾角
；
4
岩为剖面中煤岩层
图
5
导水构造防水煤柱计算示意-情况
4
Fig.
5
Calculation
of
waterproofing
coal
pillar
of
倾角
；
H
为
AABC
中
AB
线段的长度
；
Ha
为
△
BCD
中
CD
线段的长度
；
X
为
AABC
中
BC
线段
watei^conducting
structure
(condition
4)
的长度
，
也为
ABCD
中
BC
线段的长度
。
计算公式
：
已知参数
：
B
、
Ts
、
4
断
、
力
岩
；
假设参数
：
H
、
Ha
。
X
o
4
2
种方法的对比
以上
2
种方法虽留设方式不同
，
“
绘图法
”计
算的防隔水煤
（
岩
）
柱为
a
、
Jb
点的连线和煤层底
其中
：
X=H
X
sin
-1
(A
j,)
X=Ha
X
tan
-1
(A
g-A
板交点
D
点与煤层底板和断层面交点的水平距离
(
14
)
(
15
)
即为层防水煤柱的宽度
；
“
新计算法
”
计算的防隔
水煤
（
岩）
柱根据断层面与煤层倾斜关系利用三角
函数计算出
H,
再以
H
计算出
Ha,
通过绘制以
H
对应标高的断层面的交点为圆心
，
以
Ha
为半径绘
关系式
：
Ha
=
P/Ts+10=
(B+H+136)
/10+10
(16)
(14
)
=
(15
)
=H
x
sin
-1
(
4
断)
=Ha
x
tan
-1
(
A
斷
-A
普)
(17
)
圆
，
与煤层底板的交点至煤层底板与断层面交点的
水平距离即为断层防水煤柱的宽度
。
经相互验算
，
将式
(
16)
带入式
(17
)
:
H
x
sin-1
(A
jf)
=
〔
(
B+H+136
)
/10+10]
x
tan
-1
(A
tn
-A
其结果完全相同
（
图
6
）
。
可计算出
H
值
，
将
H
带入式
(
16
)
,
可求得
-1020
-1040
-1060
-1080
-1100
-1020
-1040
-1060
-1080
-1100
-1120
-1140
-1160
-1180
-1120
-1140
-1160
-1180
图
6
导水构造防水煤柱计算结果对比示意
Fig.
6
Comparison
of
calculation
results
of
waterproofing
coal
pillar
of
water-conducting
structure
5
结语
以往对导水构造防隔水煤
（
岩）
柱的留设主要
采用绘图法进行计算
，
本文通过将实际问题转换为
数学问题
，
建立数学模型
，
通过对煤岩层的赋存状
态及导水构造的发育形态进行分析
、
总结
，
确定了
以上
4
种固定的计算公式
，
准确的计算出安全防隔
水煤
（
岩）
柱宽度屁
，
从而计算出防隔水煤
（
岩
）
柱的尺寸
。
58
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