煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法

本发明属于煤矿开采，具体涉及一种煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法。

背景技术：

1、煤炭资源是主要能源，目前85％以上的煤炭产量来自井工开采，不可避免地对地表造成损害。因此有必要通过各种保护性开采措施，包括留设保护煤柱，对地表沉陷进行控制，对地物进行保护。

2、保护煤柱是指专门留在井下不予开采的、承担隔离和支撑作用、保护受护对象不受损害的煤炭。保护煤柱留设方法主要包括垂直剖面法和垂线法。垂直剖面法原理上要求受护范围的边界平行(或垂直)于煤层的走向、倾向，往往需要扩大实际的受护对象范围使该条件成立，造成资源浪费；而垂线法无此要求，可以减少压煤量，特别是对于与煤层斜交或者狭长的建构筑物。

3、目前，垂线法保护煤柱留设原理主要具有以下两个缺陷：

4、(1)使用煤层走向作为标准方向，指向不明确。

5、煤层走向和倾向(特指倾向下山方向)是矿山常用的两个标准方向。走向方向的指向不明确，有两个相差180°的方位角，无法判断煤层的倾向上、下山方向(需至少两条带高程值的走向等高线才能求解上、下山方向)，即无法用走向方向选择垂线计算公式。

6、另外，由于走向方向不明确，无法用于定义矢量转角(唯一值)，需要在走向与受护边界的两个夹角中选择其一作为受护边界与走向所夹的锐角。

7、(2)保护对象的角点角度较小时，造成煤柱范围过估：

8、当保护对象的角点角度较小时，用垂线法留设的煤柱呈现狭长的形态，如图1，为不同角点角度下保护煤柱范围形态对比(图中垂线长度均相等)，造成煤柱留设面积过大，浪费煤炭资源。角点的角度越小，煤柱越狭长，此时狭长的煤柱还将割裂资源的分布，不利于工作面的布置。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，可有效解决上述问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供一种煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，包括以下步骤：

4、步骤1，确定保护对象的松散层保护范围；所述松散层保护范围是由多个第一角点a连接形成的多边形区域；相邻两个第一角点a之间的连线为松散层保护边界；

5、步骤2，将所述松散层保护范围自第一角点a外扩，形成初始保护煤柱范围；所述初始保护煤柱范围是由多个第二角点b连接形成的多边形区域；

6、步骤3，对所述初始保护煤柱范围的角点为锐角处的煤柱进行优化缩减，得到优化缩减后的保护煤柱范围。

7、优选的，步骤2具体为：

8、步骤2.1，对于所述松散层保护范围的每个第一角点a，假设第一角点a是松散层保护范围的边界e1和边界e2的交点，则过第一角点a向外分别作边界e1的垂线v1和边界e2的垂线v2，并确定垂线v1和垂线v2的长度，从而确定垂线v1的外侧端点和垂线v2的外侧端点；

9、步骤2.2，对于所述松散层保护范围的每条边界，确定其两端的两条垂线，将其两端的两条垂线的外侧端点相连形成一条直线；因此，如果所述松散层保护范围具有n条边界，确定对应的n条直线，n条直线相交后，交点相连形成初始保护煤柱范围。

10、优选的，步骤2.1中，垂线v1和垂线v2的长度，按照以下方法确定：

11、步骤2.1.1，对于垂线vi，i＝1或2，在第一角点a的位置，确定煤层倾向逆时针旋转到垂线vi的方向的角度ζ，角度ζ取值范围为[0,360°)；如果角度ζ在[90°,270°]区间，则执行步骤2.1.2和步骤2.1.3；否则，执行步骤2.1.2和步骤2.1.4；

12、步骤2.1.2，垂线vi与边界ei垂直；定义边界ei的方向为逆时针旋转时的方向；

13、确定煤层倾向逆时针旋转到边界ei方向的角度η；采用公式(1)或公式(2)，得到边界ei与煤层走向所夹锐角θ的余弦cosθ和正弦sinθ：

14、cosθ＝|sinη|  (1)

15、sinθ＝|cosη|  (2)

16、步骤2.1.3，采用公式(3)，计算垂线vi的长度l：

17、

18、其中：

19、h为煤层埋藏深度；

20、h为松散层厚度；

21、α为煤层倾角；

22、β′为下山斜交移动角，通过公式(4)得到：

23、

24、β为倾向下山移动角；

25、δ为走向移动角；

26、步骤2.1.4，采用公式(5)，计算垂线vi的长度l：

27、

28、γ′为上山斜交移动角，通过公式(6)得到：

29、

30、γ为倾向上山移动角。

31、优选的，步骤3具体为：

32、步骤3.1，遍历所述初始保护煤柱范围的每个第二角点b，判断其是否是锐角，如果不是，则对该第二角点b不进行处理；如果是，则执行步骤3.2；

33、步骤3.2，比较第二角点b对应位置的第一角点a的两条垂线，即：垂线v1和垂线v2的长度，假设垂线v1的长度大于垂线v2的长度，则保存较长的垂线v1；

34、步骤3.3，垂线v1的外侧端点和垂线v2的外侧端点的连线形成直线l，求解得到直线l的方程；

35、步骤3.4，过第一角点a向直线l做垂线，并在其延长线上找到点a，使第一角点a到点a的长度，与步骤3.2确定的垂线v1的长度相等；

36、步骤3.5，过点a作直线l的平行线，与所述初始保护煤柱范围的边界相交于点p1和点p2；

37、步骤3.6，点p1和点p2替换所述初始保护煤柱范围的第二角点b，即：点p1和点p2为对所述初始保护煤柱范围的第二角点b优化后的角点；

38、步骤3.7，所述初始保护煤柱范围的非锐角的第二角点b，以及各个锐角的第二角点b优化后的点p1和点p2顺次相连，形成优化缩减后的保护煤柱范围。

39、本发明提供的煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法具有以下优点：

40、本发明提供一种以煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，以煤层倾向方向为标准方向代替传统垂线法中的走向方向，使垂线计算公式选择时无需人工判断，规避现有以煤层走向为标准方向进行煤柱设计时的方向不确定性、夹角的多值性，并对保护煤柱范围拐点为锐角处的煤柱进行优化缩减，节约资源。

技术特征：

1.一种煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，其特征在于，步骤2具体为：

3.根据权利要求2所述的煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，其特征在于，步骤2.1中，垂线v1和垂线v2的长度，按照以下方法确定：

4.根据权利要求2所述的煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，其特征在于，步骤3具体为：

技术总结
本发明提供一种煤层倾向为标准方向的锐角优化垂线法保护煤柱留设方法，包括：确定保护对象的松散层保护范围；将所述松散层保护范围外扩，形成初始保护煤柱范围；对所述初始保护煤柱范围的角点为锐角处的煤柱进行优化缩减，得到优化缩减后的保护煤柱范围。本发明以煤层倾向方向为标准方向代替传统垂线法中的走向方向，使垂线计算公式选择时无需人工判断，规避现有以煤层走向为标准方向进行煤柱设计时的方向不确定性、夹角的多值性，并对保护煤柱范围拐点为锐角处的煤柱进行优化缩减，节约资源。

技术研发人员：蔡音飞,刘健松,廉旭刚,胡海峰
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12