4第四章 保护煤柱的设计

1
13
4.2 垂直断面法
留设煤柱而呆滞的煤量Q为:
Q A cos m
式中, ----煤层的倾角;
A----平面图上保护煤柱的面积 ----煤的质量密度 m----煤层厚度
1
14
4.2 垂直断面法
掌握几个概念: 松散层移动角
移动角
围护带
1
15
4.2 垂直断面法
正确选取移动角是保护煤 柱设计的关键。 那么,什么叫移动角?
1
18
4.2 垂直断面法
什么叫松散层移动角?
1
19
4.2 垂直断面法
松散层移动角----用基岩移动角自采空区边界划线和基岩松 散层交接面相交于B点，B点至地表下沉为10mm处的点C 连线与水平线在煤柱一侧所夹的锐角，用φ表示。它不受 煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。
1
20
4.2 垂直断面法
1
B
θ"
C D
A θ´39Fra bibliotek4.3 垂线法
垂线长度q、l 如何计算 ？
1
40
4.3 垂线法
右图为通过a点并 与建筑物保护边界线 垂直的断面图。保护 边界与煤层走向相交 成θ角，而此断面与 煤层走向相交成90θ角，α′为煤层的 伪倾角。
H-h
l
1
41
4.3 垂线法
从下图可知:
O B O A cos
1
l
43
4.3垂线法
怎么用垂线法设计保护煤柱？
——步骤。
1
44
4.3 垂线法
步骤：
（1）确定受保护边界。在平面图（图4-7）先确定需要保护的 范围，然后加围护带s=15m，得受保护边界1-2-3-4；
9 -100m 11
30º
C 10
3´
3
s
B
-200m 12 -300m
8
4 r
2´
4´
2
30º
加备用尺寸
H 为深度）
1
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4.2 垂直断面法
目前在保护煤柱设计中，一般在地面上加围护带，即 根据建筑物不同的保护级别，从建筑物边界向外扩展 一定的范围，作为设计保护煤柱的受保护边界。
矿区建筑物和构筑物的保护等级，如下表所示。
1
23
4.2 垂直断面法
矿区建筑物和构筑物的保护等级
保护 等级 Ⅰ 主 要 建 筑 物 和 构 筑 物 国务院明令保护的文物和纪念性建筑物；一级火车站，发电厂主厂房；在 同一跨度内有两台重型桥式吊车的大型厂房、平炉、水泥厂回转窖、大型 选煤厂主厂房等；特别重要或特别敏感的、采动后可能导致发生重大生产、 伤亡事故的建（构）筑物；铸铁瓦斯管道干线，大、中型矿井主要通风机 房，瓦斯抽放站，高速公路，机场跑道，高层住宅楼等
开采损害与保护
Mining damage and protection
第四章
保护煤柱设计
Chapter 4 Protective coal pillar design
1
地表移动和变形规律
2
3 4 5 6
地表移动和变形观测 地表移动和变形预计
保护煤柱的设计
建筑下采煤
水体下采煤
7
铁路下采煤
第四章 保护煤柱设计
1
a
b
θ
a β’
b γ’
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4.3 垂线法
任意斜向断面上的斜 向移动角 、 可根 据地表移动观站获得
的主断面上的移动角
、、 及斜向断面 与煤层走向的交角θ
来确定。
1
34
4.3 垂线法
斜向移动角的求解？
1
35
4.3 垂线法
如右图，设有一开采单元s， 它在走向、下山方向和上山方 向的影响范围可用移动角、、 来确定。 根据地表移动变形规律，可 假定：开采单元面积在地表的 影响范围为一个椭圆，该椭圆 由两个半椭圆组合而成。
38
4.3 垂线法
同理，也可以求出保护边界向伪下山方向作保护煤柱的 斜向移动角γ ′为：
ctg ctg
2
cos
2
ctg sin
2
2

式中的角是保护煤柱边界线与煤层走向线所夹的锐角。
对于矩形建筑物，可由 和两个角表示与煤层走向 的方位， 是保护边界BC 与煤层走向之间的夹角， 是保护边界AB与煤层走向 之间的夹角。
tg
OO O A
tg
OO O B
O O O Atg O Btg
故有： tg tg cos
1
42
4.3 垂线法
tg ( H h ) h1 q
tg ( H h ) h2 l
tg
a H ctg
y上 o c b θ a b P θ x F
c
H
γ β
Δs
a G（x0,y0） M（x1,y1）
y下 E b b
H
δ δ
b H ctg
c H ctg
1
Δs
单元s开采的影响范围
36
4.3 垂线法
取x轴沿走向，y轴沿倾向。 若保护边界EF位于开采单元 的下山方向，且与影响椭圆 切于M点，即从保护边界向 伪上山方向作保护煤柱边界 点。 保护边界线与煤层走向的 夹角为θ，设保护边界至开 采单元的水平垂距为p。
1
5
4.1 概述
由于采矿引起的岩层与地表移动，使得位 于其影响范围内的井巷、地面建筑物和构筑 物、地表水系及含水层等遭受不同程度的损 坏。 为了保护某些重要的建（构）筑物、水体 等，使其免遭采动损害的影响，有时需要在 井下留设保护煤柱，特别是对小范围内的重 要建筑物，在浅部开采时留设保护煤柱还是 必要的。
D
7
6 5 -400m
A
1
46
4.3 垂线法
（3）从1、2、3、4各点分别做出线段1-2和1-4、2-1和2-3、 3-2和3-4、4-3和4-1的垂线。 上山方向的垂 线长q为：
q
9
C 10
l2 3´ l3 l4
30º
-100m
11 4
4´ q4
1
26
4.2 垂直断面法
垂直断面法设计保护煤 柱的方法和步骤
1
27
4.2 垂直断面法
如下图，要设计一群重要建筑物的保护煤柱，保护 等级为Ⅱ级，保护面积的平面形状为矩形，面积为 100m×200m，长轴与煤层走向斜交θ=60。
Ⅰ
b
a
Ⅱ
Ⅱ
m d
n
c Ⅰ
煤层倾角a=30，煤层在保护范围 中央处的埋藏深度H0=250m．地 面标高为零，松散层厚度h=40m， 煤层厚度m=2.5m。 该地区的移动角参数为：=55， ==73，=45，
x1 cos p 2 b y1 sin p a
2
p / cos
y 1
（2）
（3）
y下 E b b
对比（1）和（2）可知，
H
δ δ
将（3）及P=Hctgβ′代入式（1）得：
ctg ctg
2
Δs
cos
2
ctg sin
2
2

1
单元s开采的影响范围
1
28
1
29
4.2 垂直断面法
步骤：
（1）确定受护边界：沿煤层走向和倾向确定受 护对象的边界，按保护等级加围护带，得到受护边 界； （2）确定保护煤柱边界：在受护面积边界与煤 层走向平行或垂直时所作的垂直剖面上，在松散层 和基岩内分别用移动角φ和β、γ、δ画直线，作 出保护煤柱边界。 （3）计算因设臵保护煤柱而留滞的煤量。
tg
h1 q

h2 l
。因此有：
tg H h l tg
H h q
tg
tg tg cos
H-h
q
( H h ) ctg 1 ctg tg cos
l
( H h ) ctg 1 ctg tg cos
p H ctg
1
y上 o c b θ a b P θ F
c x
a G（x0,y0） M（x1,y1） H
γ β
Δs
y下 E b b
H
δ δ
Δs
单元s开采的影响范围
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M x1 , y 1
4.3 垂线法
椭圆方程： 求导得：
M x1 , y 1
x1
2
x a
2 2

2
y b
1
4
4.1 概述
保护煤柱是指专门留在井下不予采出的、目的是保护 其上方岩层内部和地表的上述保护对象不受开采影响的那 部分煤体。
留设保护煤往虽然是保护上覆岩层和地面建筑物、构 筑物不受开采影响的一种比较可靠的方法，但也存在如 下缺点： 1．有一部分煤炭留在地下暂时或永远不能采出，造 成大量煤炭资源的损失，缩短矿井生产年限； 2．由于留设保护煤柱，使采掘工作复杂化和采掘工 程量增大 3、还会导致局部矿压集中，给矿井生产造成危害。
农村木结构承重房屋，简易仓库等
1
Ⅲ Ⅳ
24
4.2 垂直断面法
矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度
建筑物和构筑物的保护等级 围护带宽度s (m)
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
20
15 10
Ⅳ
5
1
25
4.2 垂直断面法
保护煤柱留设所需的资料： 1．保护对象（如工业广场、房屋、铁路、 立井等）的特征及使用要求，矿区的地质条件 及煤层埋藏条件； 2．符合精度要求的必要的图纸资料，如井 田地质剖面图，煤层底板等高线图，井上下对 照图； 3．矿区地表移动参数以及断层、背向斜等 地质构造情况。