保护煤柱设计ppt课件
《保护煤柱的设计》PPT课件
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矿山开采沉陷学 22
4.保护煤柱的设计ห้องสมุดไป่ตู้
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4.保护煤柱的设计
什么叫松散层移动角?
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矿山开采沉陷学 24
4.保护煤柱的设计
松散层移动角----用基岩移动角自采空区边界划线和基岩松
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4.保护煤柱的设计
留设煤柱而呆滞的煤量Q为: Q A m cos
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
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4.保护煤柱的设计
掌握几个概念: ➢松散层移动角 ➢移动角 ➢围护带
1.1 概述 1.2 垂直断面法 1.3 垂线法
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4.保护煤柱的设计
上一节所讲内容回顾
知识点一: 留设保护煤柱的目的 知识点二: 保护煤柱的定义 知识点三: 留设保护煤柱的优缺点 知识点四: 设计保护煤柱的必要性
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矿山开采沉陷学 4
4.保护煤柱的设计
上一节所讲内容回顾
高炉、焦化炉，220KV以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交 桥；钢筋混凝土框架结构的工业厂房，设有桥式吊车的工业厂房、铁路 煤仓、总机修厂等较重要的大型工业建（构）筑物；办公楼，医院，学 校，剧院，百货大楼，二级火车站，长度大于20m的两层楼房和三层以 上多层住宅楼；输水管干线和铸铁瓦斯管道支线；架空索道，电视塔及 其转播塔
无吊车设备的砖木结构工业厂房，三、四级火车站，砖木、砖混结构平 房或变形缝区段小于20m的二层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆 塔，钢瓦斯管道等
保护煤柱的留设
保护煤柱的留设一、保护煤柱是指专门留在井下不予采出的、旨在保护其上方岩层内部和地表的保护对象不受开采影响的煤炭资源。
二、保护煤柱留设的原理在保护对象的下方留出一部分煤炭资源不予开采，使其周围煤炭的开采对保护对象不产生有危险性的移动和变形。
保护煤柱留设原理图三、保护煤柱留设所用参数（一）围护带宽度1、受护对象2、围护带围护带作用：①抵消参数误差，②抵消井上下位置关系误差。
围护带宽度根据受护对象的保护等级确定。
（二）移动角值参数1、基岩移动角：①走向移动角δ②上山移动角γ③下山移动角β2、松散层移动角（ψ）：①黄土层ψ=55°②风化坡积物ψ=45°③富水坡积物或砂层ψ=35°移动角值参数示意图四、保护煤柱留设方法（一）所需资料1、保护对象特征及使用要求；2、地质、采矿条件，煤层埋藏、地质构造情况；3、矿区移动参数；4、精度符合要求的必要图纸。
（二）保护煤柱留设方法垂直剖面法、垂线法和数字标高法。
1、垂直剖面法采用图解的方法，作沿煤层走向和倾向的垂直剖面，在剖面图上确定煤柱的边界宽度，并投影至平面图上而得保护煤柱边界。
步骤（1）确定受护面积边界①确定建（构）筑物保护边界②确定围护带③确定受护面积边界受护面积边界应与煤层走向、倾向平行。
垂直剖面法受护边界的确定示图（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，在松散层内用ψ角画直线，在基岩层内直接用基岩移动角β、γ、δ画直线，即可作出保护煤柱边界。
垂直剖面法留设保护煤柱示意图注意：在倾向剖面上，往上山方向用β角，往下山方向用γ角。
（3）保护煤柱压煤量估算（略）2、垂线法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。
步骤：（1）确定受护面积边界在平面图上直接作平行于受护对象边界的直线，构成多边形。
再在其外围画出围护带，得受护面积边界。
保护煤柱设计
2 矿井储量、年产量及服务年限2.1井田境界井田境界应根据地质构造、储量、水文、煤层赋存情况、开采技术条件、开拓方式及地貌、地物等因素，进行技术分析后确定.一般以下列情况为界: 1．以大断层、褶曲和煤层露头、老窑采空区为界；2．以山谷、河流、铁路、较大的城镇或建筑物的保护煤柱为界；3．以相邻的矿井井田境界煤柱为界；4．人为划分井田境界。
根据鹤煤六矿一号井井田地质情况，确定该井田境界如下：大断层为界；南部以F1东部以-800水平为界；西部以-300水平为界；北部以人为划分为界。
井田南北走向涨3.8km,东西倾斜宽1.2km,井田面积约为4.31km²。
2.2井田储量2.2.1矿井工业储量本井田煤层倾角20°>15°，所以根据煤炭储量计算要求，采用斜面积和真厚度来计算储量。
矿井工业储量如表2-2-1所示。
计算公式为：Q=S*SECα*M*ρ视式中，Q——————计算块段储量，万t；S——————计算块段煤层的平面积，万m²；M——————计算块段煤层的平均厚度，m；ρ视—————计算块段煤层的平均视密度，t/m³。
代入数据，计算得:工业储量Q=4964万t。
表2-2-1 矿井工业储量汇总表2.2.2矿井设计储量矿井工业储量减去设计计算的断层煤柱、防水煤柱、井田境界煤柱和已有的地面建筑物、构筑物需要留设的保护煤柱等永久性煤柱损失量后的储量。
井田边境煤柱：井田边境保护煤柱在井田边境留设20m的保护煤柱，西边的=80.25万t。
断层边界煤柱以30m留设，则其煤柱损失量为：Q边井田及工业场地保护煤柱：按设计规范规定，年产60万t/a的中型矿井，工业场地占地面积指标为1.2公顷/10万t。
工业场地的总占地面积：S=1.2*6＝7.2公顷＝72000ｍ²。
根据垂直剖面可计算工业广场的保护煤柱的留设，计算如下：工业广场占地面积为:360*300m²，平面形状为矩形，煤层地质条件为：倾角20°，煤层在受保护范围内中央的埋深H=450m，地面标高150m，煤层底板标高-300m，松散层厚度50m，此外煤厚8.1m。
垂线法设计保护煤柱
垂线法设计保护煤柱一、斜向移动角的求法图 5-6 斜向移动角图5-6表示煤层底板等高线与保护对象的位置关系。
在沿保护对象长轴方向的断面图上作保护煤柱时，不能采用主断面的移动角，而要用斜向移动角度'γ和'β来设计煤柱。
'γ和'β分别表示任意斜向断面上的上山方向和下山方向的移动角。
对于每一开采单元ΔS 它在走向方向、上山方向和下山方向的采动影响范围可用移动角βγδ、、来确定，如图5-7 。
图5-7 单元开采影响图5-8 斜向移动角影响图5-10 保护边界与煤层走向之间相对关系假定开采单元面积对地表的影响范围为一个椭圆形面积，这个椭圆由两个半椭圆合成（如图5-8），上山方向半椭圆的半轴分别为：γHctg c = δH c t g b =下山方向半椭圆的半轴分别为：βHctg a = δH c t g b = 式中H 为单元开采深度。
在图5-8中，x 轴为煤层倾向方向，y 轴为走向方向，假设保护边界位于开采单元的下山方向，并且切影响椭圆于M 点，保护边界线与煤层走向的夹角为θ。
保护边界至开采单元的水平距为'βHctg P =。
已知下山方向半椭圆的半轴分别为：βHctg a = δH c t g b =椭圆方程式为12222=+by ax椭圆上任一点)(11y x M ，的切线方程式为1x 2121=+y by x a由图5-8知，切线方程又可写为P y x =+θθsin cos由此可得θδθββ2222'sin cos ctg ctg ctg +=同理，可求出从保护边界向下山方向划煤柱的斜向移动角'γθδθγγ2222'sin cos ctg ctg ctg +=应该指出，式中的θ角是保护边界线与煤层走向所夹的锐角。
对于矩形建筑物，θ角有两个角值θ和'θ，（如图5-10）θ是保护边界AB 与煤层走向之间的夹角，'θ是保护边界BC 与煤层走向之间的夹角。
2第二章 保护煤柱的设计
第二章保护煤柱留设第一节保护煤柱留设基础知识地下采煤引起岩层与地表产生沉陷、移动和变形，导致位于其影响范围内的井筒、巷道、地面建筑物和构筑物、地表水系及地下含水层等遭受不同程度的破坏。
为了保护有些重要的建筑物、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。
保护煤柱：指专门留在井下不予采出的、旨在保护其上方岩层内部和地表的各种保护对象不受开采影响的那部分煤炭。
受保护对象包括：井筒、井下主要巷道和硐室、地面各类建（构）筑物、铁路、水体等。
留设保护煤柱的优点是能有效保护地表建（构）筑物，其缺点是：（1）浪费煤炭资源，缩短矿井服务年限；（2）使采掘工作复杂化，增大掘进工作量，造成采掘关系紧张。
下列情况下需要留设临时性的或永久性的保护煤柱：（1）矿井工业场地及风井井口附近的建筑物、构筑物和其他重要设施；（2）国务院明令保护的文物、纪念性建筑物和构筑物；（3）采用不搬迁进行采煤在技术上不可行，而搬迁又无法实现或在经济上严重不合理的建筑物和构筑物；（4）煤层开采后，地表可能产生抽冒、切冒等形式的塌陷漏斗坑和突然陷落，对地基及上部建筑造成严重破坏的重要建筑物和构筑物；（5）所在地表下方潜水位较高，采后地表下沉将导致建筑物及其附近地面积水，而又不可自动排泄或采用人工排泄方法经济上不合理的建筑物或构筑物；（6）对国民经济和人民生活有重大意义的、用其他保护方法不能确保安全的河(湖、海、水库) 堤坝、船闸、泄洪闸、泄水隧道和水电站等大型水工建筑工程。
一、保护煤柱留设原理保护煤柱留设原理是在保护对象的下方留出一部分煤炭不开采，使其周围的煤炭的开采对保护对象不产生有危险性的移动和变形。
图2-1 保护煤柱留设原理图如图2-1：设煤层上方的地面有一建筑物，其受护面积为a0b0c0d0，为保护建筑物不受开采的有害影响，需要留设保护煤柱。
确定煤柱大小的方法具体如下：首先，通过建筑物中心作沿煤层走向和倾向的剖面图，如图所示。
第四章保护煤柱留设-煤矿开采损害与保护
第二节 保护煤柱留设原理 留设保护煤柱的实质就是根据已掌握的地表 移动变形规律，在煤层层面上圈定一个保护煤柱 的边界，回采仅在该边界之外进行，已使开采的 影响不波及到需要保护的范围。 保护煤柱的边界是从受保护范围的边界起， 按移动角 δ 、 β 、 γ （主断面）上和斜向移动角 δ′ 、 β′、γ′（任意斜向断面上）所作的保护临界面与煤 层层面的交线。 如图4-1所示，地面上有一座需要保护的建筑 物ABCD，其受保护范围不是建筑物的外边界所圈 定的区域，而是过建筑物各角点平行于煤层走向 和倾向的四条直线所围成面积a0b0c0d0。
第二节 保护煤柱留设原理 从平面图上量出保护煤柱的面积A，根据煤层的倾 角 和煤的质量密度 及煤层厚度m，则可确定出 因留设煤柱而呆滞的煤量Q为:
Q A m cos
（4-1）
正确选取移动角是保护煤柱设计的关键。移动 角是指在充分采动或接近充分采动的条件下，主断 面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在 煤柱一侧所夹的角。 一般建筑物低于Ⅰ级损坏（裂缝宽度小于4mm）。 砖石结构房屋的临界变形值为
第二节 保护煤柱留设原理
保护煤柱留设时，由于地质采矿条件的差异、移动角 的误差、井上下位置关系的不准确等因素的影响，使得 所留设的保护煤柱的尺寸和位置出现偏差。因此，留设 的保护煤柱应具有一定的备用尺寸。加备用尺寸的方法 如下:
在地面上加维护带 加维护带在煤层层面上加维护带 加备用尺寸 （s 30 H / 6，s为维护带宽度，H为深度） 减小移动角 2 5
1．新设计的矿井和生产矿井在留设建筑物保护煤柱时， 应有相应的图纸和文字说明。其内容，包括地质开采技术条 件，受保护对象概况，留设煤柱的必要性，选取的参数及压 煤量计算。 2．煤柱留设和变更的批准权限如下： （1）国家一级铁路和二级铁路，对矿井安全生产有严 重威胁的水体，大型矿井的主要井筒及工业场地，县以上城 镇及大型工厂，压煤量超过50万吨的其它建筑物、水体、铁 路及主要井巷煤柱的留设，必须报省、市、自治区煤炭管理 部门批准、备案。 （2）上述以外的建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱 的留设，必须报矿务局总工程师 批准，报省、市、自治区煤炭管理部门备案。 （3）各类煤柱应按留设标准严加控制，不得任意变更， 特殊情况下非改变不可时，须按上述批准权限重新报批。
保护煤柱设计
（2）确定松散层保护边界
从受护面积边界向外量一段距离S，得松散层保护边界。
S的计算公式：s=hxCtg式中：S为松散层保护边界宽度；h
为松散层厚度；®为松散层移动角。
根据《保护煤柱设计规程》第1、2条，确定松散层移动角为®=45°。松散层厚度根据附近钻孔资料及实测基岩高度确定。
王家焉煤业有限公司
保
护
煤
柱
设
计
方
案
(2012)
壬家焉煤矿地测科
一、保护煤柱留设目的和任务3
二、保护煤柱设计参数3
（1）移动角3
（2）维护带3
三、保护煤柱留设的计算4
（1）确定受护边界4
（2）确定松散层保护边界5
（3）确定保护煤柱边界5
四、设计成果6
五、建议6
附1：王家焉煤矿保护煤柱留设尺寸表7
附2：5#煤层保安煤柱图7
一、保护煤柱留设目的和任务
保护煤柱是指专门留设在井下不予采出的、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。 留设保护煤柱是保护各类防水（沙）、上覆岩层和地面建筑、构 筑物不受开采影响。为了各煤矿能够安全生产，避免因地下采矿引 发的房屋裂缝、倒塌等威胁居民生命财产安全的地质灾害发生，我矿 对所有煤矿井田内的所有村庄范围进行测绘、调查，对村庄保护煤柱
20
II
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皿
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IV
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三、保护煤柱留设的计算
村庄和公路以及各类防水（沙）、建（构）筑物受护范围确定后， 利用垂线法计算设计其保护煤柱范围，然后按参数计算完成。
（1）确定受护边界
根据国家有关规程，村庄房屋和一般公路属于H级保护， 围 护带宽度为15m井田边界煤柱：30m；井田浅部防水煤柱：斜长 为50m斜井井筒保护煤柱：两井中间为30m两侧各为30m煤层大巷护巷煤柱：对近水平煤层，运输大巷与回风大巷布置在 开采水平时，两巷水平间距为20m垂距为10m回风大巷上方 留斜长为20m的煤柱；采区边界煤柱：20m；采区煤层上山：两巷
保护煤柱
保护煤柱设计：垂直断面法：建筑物概况：各边边长为238.79、251.05、234.7、246.91. 煤层倾角：30度，采深H0=195.24，地面标高为，煤层厚度：2.5保护等级Ⅱ级。
长轴与煤层走向斜交25度。
走向移动角δ78°移动角修正值△δ、△β、△γ 0° 13°20°最大下沉角θ69.3°松散层移动角45°松散层厚度h 3m充分采动角φ3、φ2、φ1走向长度l 668.24倾斜长度L 133.7m煤层倾角α30°煤层厚度 2.5上边界H2415.19下边界H1422.17开采深度418.68工作面推进速度 2.5m/a1，确定受护边界，通过建筑物的角点做平行于煤层走向和煤层倾向的四条直线，俩俩相交的一矩形范围。
表1建筑物和构筑物的保护等级维护带宽度s(m)Ⅰ20Ⅱ15Ⅲ10Ⅳ 5通过表1，维护带宽度s=15.从矩形范围向外圈出一维护带15m。
其外缘abcd 为受护边界。
2过保护范围abcd的中心o，作沿煤层走向和煤层倾向的垂直剖面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。
3在倾向垂直剖面上标出地表线，受护边界的位置m、n，松散层和煤层等，并标注出煤层的倾角α=30°。
煤层的厚度m=2.5,煤层的埋藏深度H0=418.68.及简要的地层柱状图。
4在受护边界点m、n作松散层移动角ρ=45°，与基岩面相交于m1、n1.在从m1、n1点分别作基岩移动角δ=γ=78 ，β=89，与煤层地板相交于点m2、n2，点m2、n2分别为沿煤层倾向剖面上保护煤柱的上下边界。
将m2、n2投影到平面图上，即得点M、N.5将平面图上Ⅰ-Ⅰ线与保护边界的交点q、k投影到走向剖面Ⅰ-Ⅰ上，得q、k点，从q、k点以ρ=45°作直线，与基岩面相交于q1、k1，再从q1、k1以基岩移动角δ作斜线。
6将Ⅱ-Ⅱ剖面上的m2、n2点分别水平投影到Ⅰ-Ⅰ上，与Ⅰ-Ⅰ剖面上从q1、k1点以δ做出的斜线相交，得q2、k2和q3、k3. q2、k2为煤柱上边界线在Ⅰ-Ⅰ剖面上的投影。
保护煤柱的设计
4.保护煤柱的设计
矿区建筑物和构筑物的保护等级
矿山开采沉陷学
4.保护煤柱的设计
矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度
矿山开采沉陷学
4.保护煤柱的设计
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；
矿山开采沉陷学
4.保护煤柱的设计
本节所讲内容
1.2 垂直断面法
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4.保护煤柱的设计
怎么设计保护煤柱? ----保护煤柱的留设原理
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4.保护煤柱的设计
煤层
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4.保护煤柱的设计
矿山开采沉陷学
4.保护煤柱的设计
建筑物
地表
松散层
煤柱
比例尺 0m 10 20
矿山开采沉陷学
（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。如 图所示。
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衷心感谢 各位老师和专家！
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4.保护煤柱的设计
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?
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4.保护煤柱的设计
移动角----地表移动盆地主断面上三个临界变形 值中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的 连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。 走向方向：δ；下山：β；上山：γ；底板λ。
3．矿区地表移动参数以及断层、背向斜等地质 构造情况。
矿井通风设施保护煤柱设计
矿井通风设施保护煤柱设计矿井通风设施的安全运行，事关矿井的安全生产。
地面通风机房作为矿井的重要建筑，保护区域过大就浪费井下煤炭资源，保护区域小就影响通风设施的安全运转，因此，合理确定其保护煤柱边界就尤为重要。
标签：岩层移动角；围护带；垂直断面法1 保护区域概述15区回风立井及机房为我矿的重要通风设施。
保护区域内有一立井，立井口高程+380.246m，井底高程115.474m；由于立井口在保护区域内距受保护边界25m以上，故不再另外设计保护煤柱。
保护区域地面高程+380m，井下煤层底板高程+135m，面积为5502平米见图1。
2 移动角与围护带2.1 矿井岩层移动参数根据我矿多年来岩层移动观测数据，得出以下基本参数（见表1）。
2.2 围护带的确定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（见表2）。
3 留设保护煤柱的方法根据上述条件，用垂直断面留设保护煤柱的方法和步骤如下（见图2）。
3.1 确定受护边界通过建筑群的角点作平行于煤层走向和平行于煤层倾向的四条直线，两两相交得一矩形保护范围。
根据表2得围护带宽度s=20m，从矩形保护范围边界向外圈出一围护带s=20m，其外缘abcd即为受护边界。
3.2 确定保护煤柱边界线过保护范围abcd的中心o，作沿煤层倾向的垂直剖面Ⅱ-Ⅱ；在倾向垂直剖面Ⅱ-Ⅱ上标出地表线，受护边界的位置m、n，松散层和煤层等，并标注出煤层的倾角a=6°，煤层的厚度m=2.5m，煤层的埋藏深度H=245m，及简要的地层柱状图。
在受护边界点m、n作松散层移动角？渍=45°，与基岩面相交于m1、n1，再从m1、n1点分别作基岩移动角？酌=72°和？茁=65°，与煤层底板相交于m2、n2点，点m2、n2分别为沿煤层倾向剖面上保护煤柱的上下边界。
将m2、n2投影到平面图上，即得点M、N；3.3 作沿煤层走向的剖面图I-I将平面图上I-I线与保护边界的交点q、k投影到走向剖面I-I上，得q、k 点。
2第二章保护煤柱的设计
2第⼆章保护煤柱的设计第⼆章保护煤柱留设第⼀节保护煤柱留设基础知识地下采煤引起岩层与地表产⽣沉陷、移动和变形，导致位于其影响范围内的井筒、巷道、地⾯建筑物和构筑物、地表⽔系及地下含⽔层等遭受不同程度的破坏。
为了保护有些重要的建筑物、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。
保护煤柱：指专门留在井下不予采出的、旨在保护其上⽅岩层内部和地表的各种保护对象不受开采影响的那部分煤炭。
受保护对象包括：井筒、井下主要巷道和硐室、地⾯各类建（构）筑物、铁路、⽔体等。
留设保护煤柱的优点是能有效保护地表建（构）筑物，其缺点是：（1）浪费煤炭资源，缩短矿井服务年限；（2）使采掘⼯作复杂化，增⼤掘进⼯作量，造成采掘关系紧张。
下列情况下需要留设临时性的或永久性的保护煤柱：（1）矿井⼯业场地及风井井⼝附近的建筑物、构筑物和其他重要设施；（2）国务院明令保护的⽂物、纪念性建筑物和构筑物；（3）采⽤不搬迁进⾏采煤在技术上不可⾏，⽽搬迁⼜⽆法实现或在经济上严重不合理的建筑物和构筑物；（4）煤层开采后，地表可能产⽣抽冒、切冒等形式的塌陷漏⽃坑和突然陷落，对地基及上部建筑造成严重破坏的重要建筑物和构筑物；（5）所在地表下⽅潜⽔位较⾼，采后地表下沉将导致建筑物及其附近地⾯积⽔，⽽⼜不可⾃动排泄或采⽤⼈⼯排泄⽅法经济上不合理的建筑物或构筑物；（6）对国民经济和⼈民⽣活有重⼤意义的、⽤其他保护⽅法不能确保安全的河(湖、海、⽔库) 堤坝、船闸、泄洪闸、泄⽔隧道和⽔电站等⼤型⽔⼯建筑⼯程。
⼀、保护煤柱留设原理保护煤柱留设原理是在保护对象的下⽅留出⼀部分煤炭不开采，使其周围的煤炭的开采对保护对象不产⽣有危险性的移动和变形。
图2-1 保护煤柱留设原理图如图2-1：设煤层上⽅的地⾯有⼀建筑物，其受护⾯积为a0b0c0d0，为保护建筑物不受开采的有害影响，需要留设保护煤柱。
确定煤柱⼤⼩的⽅法具体如下：⾸先，通过建筑物中⼼作沿煤层⾛向和倾向的剖⾯图，如图所⽰。
保护煤柱设计
王家焉煤业有限公司保护煤柱设计方案（2012）王家焉煤矿地测科目录一、保护煤柱留设目的和任务 (3)二、保护煤柱设计参数 (3)（1）移动角 (3)（2）维护带 (3)三、保护煤柱留设的计算 (4)（1）确定受护边界 (4)（2）确定松散层保护边界 (5)（3）确定保护煤柱边界 (5)四、设计成果 (6)五、建议 (6)附1：王家焉煤矿保护煤柱留设尺寸表 (7)附2：5#煤层保安煤柱图 (7)一、保护煤柱留设目的和任务保护煤柱是指专门留设在井下不予采出的、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。
留设保护煤柱是保护各类防水（沙）、上覆岩层和地面建筑、构筑物不受开采影响。
为了各煤矿能够安全生产，避免因地下采矿引发的房屋裂缝、倒塌等威胁居民生命财产安全的地质灾害发生，我矿对所有煤矿井田内的所有村庄范围进行测绘、调查，对村庄保护煤柱重新进行测量设计。
二、保护煤柱设计参数（1）移动角正确选取移动角是保护煤柱设计的关键。
移动角是指在充分采动或接近充分采动的条件下，主断面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在煤柱一侧所夹的角。
砖石结构房屋的临界变形值为i=3mm/m;k=0.2*10-3mm/m2;§=2mm/m。
（2）维护带保护煤柱留设时，由于地质采矿条件的差异、移动角的误差、井上下位置关系的不准确等因素，使得所留设的保护煤柱的尺寸和位置出现偏差。
因此，留设的保护煤柱应具备一定的备用尺寸。
在地面上加维护带加维护带在煤层层面上加维护带加备用尺寸（s=30-H/6,s为维护带宽度,H为深度减小移动角2°-5°通过建筑物的角点做平行于煤层走向和煤层倾向的四条直线，俩俩相交的一矩形范围。
建筑物和构筑物的保护等级维护带宽度s(m)Ⅰ20Ⅱ15Ⅲ10Ⅳ 5三、保护煤柱留设的计算村庄和公路以及各类防水（沙）、建（构）筑物受护范围确定后，利用垂线法计算设计其保护煤柱范围，然后按参数计算完成。
保护煤柱的设计
留设保护煤柱（Protective Coal Pillar）的实质就是根据已掌握的地表移动变形规律，在煤
层层面上圈定一个保护煤柱的边界，回采仅在该边界之外进行，已使开采的影响不波及到需 要保护的范围。
保护煤柱的边界是从受保护范围的边界起，按移动角δ、β、γ（主断面）上和斜向移动
图 4-2 加备用尺寸的方法
目前在保护煤柱设计中，一般在地面上加围护带（Safety Belt），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。表 4-1 给 出矿区建筑物和构筑物的保护等级，相应的围护带宽度列于表 4-2 中。
保护等级 Ⅰ
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
表 4-1 矿区建筑物和构筑物的保护等级[18] 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 高炉、焦化炉，220KV 以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥；钢筋混凝 土框架结构的工业厂房，设有桥式吊车的工业厂房、铁路煤仓、总机修厂等较重要的大型工 业建（构）筑物；办公楼，医院，学校，剧院，百货大楼，二级火车站，长度大于 20m 的 两层楼房和三层以上多层住宅楼；输水管干线和铸铁瓦斯管道支线；架空索道，电视塔及其 转播塔 无吊车设备的砖木结构工业厂房，三、四级火车站，砖木、砖混结构平房或变形缝区段 小于 20m 的二层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆塔，钢瓦斯管道等 农村木结构承重房屋，简易仓库等
《保护煤柱的设计》课件
煤柱的重要性
安全保障
煤柱作为采空区和留设采煤工作 区之间的界限，可以起到隔断作 用，有效保障采煤工人的安全。
煤炭资源的保护
煤柱可以充分利用煤炭资源，将 煤炭的损耗降至最低，减小采煤 产生的矿尘和噪音，实现节能环 保。
采煤效率的提升
有保护煤柱作为支撑，就可以放 大采煤空间，提高采煤
1
采用加强与替换
对于采空区域，需要采用加强与替换等措施来保障煤柱的稳定性，使煤柱的受力 合理分布。
2
支护与煤矸石充填方法
采用支护和煤矸石充填等方法，在煤柱周围形成强度均匀的支护体系，保障煤柱 不受上部加载而发生倒塌。
3
控制波及分析法
控制波及分析法能够分析采煤对煤柱周边空区的影响，通过调整采煤参数等方式， 减少采煤对煤柱的影响。
设计的局限性
1 地质条件限制
对于地质条件复杂的区域，保护煤柱会面临更大的难度和风险。
2 保护成本高昂
采用多重保护手段保护煤柱需要投入大量的人力、物力和财力。
3 保护难以持续
保护煤柱需要长期维护，在人员流动等方面也会面临较大的难度。
结论
在采煤过程中，保护煤柱的设计必不可少。本课件介绍了煤柱的重要性、保 护煤柱的设计原则和方法、应用实例分析以及局限性，希望能为广大生产一 线提供参考和借鉴。
应用实例分析
道南煤矿
针对道南煤矿的地质条件，采用 了加强加固、支护充填以及控制 波及等多种手段，取得了较好的 煤柱保护效果。
健康牌二矿
针对健康牌二矿地质特点采取超 前支护、卸压覆盖等保护方法， 成功地保护了煤柱。
辰能煤矿
辰能煤矿应用了加强加固、变形 监测、充填开采等多种方法，取 得了较好的保护效果。
合理确定煤柱大小
保护煤柱设计
王家焉煤业有限公司保护煤柱设计方案（2012）王家焉煤矿地测科目录一、保护煤柱留设目的和任务 (3)二、保护煤柱设计参数 (3)（1）移动角 (3)（2）维护带 (3)三、保护煤柱留设的计算 (4)（1）确定受护边界 (4)（2）确定松散层保护边界 (5)（3）确定保护煤柱边界 (5)四、设计成果 (6)五、建议 (6)附1：王家焉煤矿保护煤柱留设尺寸表 (7)附2：5#煤层保安煤柱图 (7)一、保护煤柱留设目的和任务保护煤柱是指专门留设在井下不予采出的、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。
留设保护煤柱是保护各类防水（沙）、上覆岩层和地面建筑、构筑物不受开采影响。
为了各煤矿能够安全生产，避免因地下采矿引发的房屋裂缝、倒塌等威胁居民生命财产安全的地质灾害发生，我矿对所有煤矿井田内的所有村庄范围进行测绘、调查，对村庄保护煤柱重新进行测量设计。
二、保护煤柱设计参数（1）移动角正确选取移动角是保护煤柱设计的关键。
移动角是指在充分采动或接近充分采动的条件下，主断面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在煤柱一侧所夹的角。
砖石结构房屋的临界变形值为i=3mm/m;k=0.2*10-3mm/m2;§=2mm/m。
（2）维护带保护煤柱留设时，由于地质采矿条件的差异、移动角的误差、井上下位置关系的不准确等因素，使得所留设的保护煤柱的尺寸和位置出现偏差。
因此，留设的保护煤柱应具备一定的备用尺寸。
在地面上加维护带加维护带在煤层层面上加维护带加备用尺寸（s=30-H/6,s为维护带宽度,H为深度减小移动角2°-5°通过建筑物的角点做平行于煤层走向和煤层倾向的四条直线，俩俩相交的一矩形范围。
三、保护煤柱留设的计算村庄和公路以及各类防水（沙）、建（构）筑物受护范围确定后，利用垂线法计算设计其保护煤柱范围，然后按参数计算完成。
（1）确定受护边界根据国家有关规程，村庄房屋和一般公路属于Ⅱ级保护，围护带宽度为15m。
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所需资料： 移动角 煤层底板等高线 井田地质剖面 井上下对照图
ⅠⅠ
m φ γ m1
n hφ
n1 β
n2
m2
q
φ δ
q1
q2
q3 ⅠⅠ
k
h
φ
k δ 1
-100
k2
-150 -200
-250
-300
•采用不搬迁或就地重建采煤在技术上不可能 或经济上不合理，搬迁又无法实现或在经济 上严重不合理的建筑物或构筑物。
需要留设保护煤柱的地面建筑物
• 采后重要建筑物或构筑物所在的地表可能产 生抽冒、切冒、滑坡等形式的塌陷漏斗坑、 突然下沉或滑动崩塌，造成对重要建（构） 筑物地基严重破坏的。
• 建（构）筑物所在的地表下面潜水位较高， 采后因地表下沉导致建（构）筑物及其附近 地面积水，又不能自流排泄或采用人工排泄 方法经济上不合理的。
h
h
采深不同，煤柱留设宽度不同，采深愈大，煤柱留设 宽度愈大。冲积层愈厚，煤柱留设宽度愈大
2）围护带
保护面积=建筑物本身+围护带
围护带的：
抵消移动角的误差测量中井上下 位置不准确误差
围护带尺寸取决于建筑物的重要 性和破坏后的后果。
保护等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
宽度(m)
20 15 10 5
三、垂直剖面法设计保护煤柱
级铁路线上的一、二级铁路车站； 5、采用其他方法处理，技术上不可能或经济上
不合理的铁路及其建筑物； 6、有严重滑坡危险又难以处理的铁路线；
铁路保护煤柱留设
以铁路保护煤柱为例推导任意剖面处垂线 长度
已知条件: 铁路与煤层斜交，交角为θ 表土层厚h，移动角， 基岩移动角为，和 煤层各点的埋深Hi和真倾角 铁路路基和其两侧围护带宽度之和为T
需要留设保护煤柱的地面建筑物
• 重要河（湖、海）堤、库（河）坝、船闸、 泄洪闸、泄水隧道和水电站等大型水工建 筑工程。
• 高速公路、机场跑道。 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设
与压煤开采规程》 中华人民共和国国家煤炭工业局，2000.6
保护煤柱留设原理
在保护对象的下方留一部分煤炭不开采，使其 周围的煤炭开采对保护对象不产生危险性的移 动和变形。
Bm φ γ HB
ls
nA φ β
αs
q
h
倾 H A 向 剖 面 上
q (HA h)
tg tg
l (HB h)
tg tg
4、垂线法（计算法）设计保护煤柱
计算从保 护边界所 做的垂线 长度
s = hctg
β′
qc1 q
b
C
qc2 c
c′
β′
150
B 100
c"
b lb
b′ b"
0
D
qd d d"
β′
c"
b lb
b′ b"
0
l (H i h) ctg ' 1 ctg ' tg cos
D
qd d d′d"
a"
θ a′ a
θ
-100
γ′
-200
-300
ld la 2
γ′
la 1
-400
A
垂线法设计保护煤柱分析
•涉及单独线条的保 护
•对于每条线来说， 只有伪倾斜上山方 向的移动角或伪 D 倾斜下山方向的移 动角；
k 3 -350
ⅠⅠ
ⅠⅠ
A(q3)
a
q b B(q2)
a′ b′
Ⅰ m2
m
n n2
d′ c′
d kc
C(k 3)
D(k 2)
结果为对称的梯形。
注意的问题：梯形上 Ⅰ 下边与煤层走向平行。
作图法比较简单，但 增大了煤柱尺寸，煤 柱损失较大。
-100
-150
-200
ⅠⅠ
-250 -300 -350
垂直剖面法煤柱尺寸的计算
-50 -100 -150 -200
建筑物受保护面积
•地面建筑物本身的面积 •建筑物周围增加了围护带后扩展的面 积
增加围护带的目的： •抵消留设保护煤柱时移动角的误差 •抵消井上下位置关系确定不准确误差
建（构）筑物保护等级与围护带宽度
建筑物保
护等级
Ⅰ
围护带宽
度(m)
20
Ⅱ
III Ⅳ
15
10
5
围护带尺寸取决于建筑物的重要性和破坏后 的后果。
2-2 建筑物保护煤柱设计
建筑物下采煤的4条技术路线：
✓留设保护煤柱 ✓建筑物搬迁 ✓减小开采引起的变形 ✓提高建筑物抗变形能力
保护煤柱是指专门留在井下不予采出的、
旨在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炭。
留设保护煤柱是保护岩层内部和地表建筑物 、构筑物免受开采影响的一种比较可靠的方 法。
铁路保护煤柱留设
Ⅰ
20
0
q BS
-20
θ
-40
T S A
l
B
φ
HB β′
ⅠⅠ T
S
S
A φh
γ′
α′ h q q
Ⅰ
HA
α′
hl
l
S=hctg
铁路直线段保护煤柱总宽度 W=T+2S+l+q
铁路保护煤柱留设
•埋深变化，垂线长 度不同
β′
qc1 q
b
C
qc2 c
c′
β′
150
B 100
c"
b lb
b′ b"
0
ld la 2
qd d d′d"
a"
γ′
θ a′ a
la 1
θ
-100
γ′
-200
-300
-400
A
铁路保护煤柱留设
以下情况需要留设铁路保护煤柱： 1、国家一级、二级铁路； 2、国家三级铁路：薄及中厚煤层H/M≤60 厚煤层及煤层群H/M≤80； 3、工矿专用铁路：薄及中厚煤层H/M≤40 厚煤层及煤层群H/M≤60； 4、铁路隧道：全长大于20m的铁路桥，一、二
a"
θ
-100
γ′
-200
ld la 2
a′
a
-300
γ′
la 1
-400
A
垂线计算
过a、b、c、d角点，分别作垂直ab、bc、
cd和ad直线的垂线，la1和lb，qb和qc1，qc2
和qd，la2和ld
C
β′
150
qc1 q
b
qc2 c
c′
B 100
q
(Hi
1 ctg '
h) ctg ' tg cos
缺点：
1、有一部份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，是采掘工作复杂化 和采掘工程量增大，还会导致局部矿压 集中，给矿井生产造成危害。
需要留设保护煤柱的地面建筑物
•工业场地建筑物和构筑物，矿井主要通风机 房及其风道等设施。
•国务院明令保护的文物、纪念性建（构）筑 物。
毕业设计为保护地面建筑物需留设的煤柱
工业广场煤柱； 风井煤柱； 铁路煤柱； 村庄煤柱。
保护煤柱留设参数
1）移动角 岩层（基岩）移动角 、、 煤层倾角α<50时， = = 煤层倾角α>50时, = , = -0.5α
黄土层= 55 松散层移动角 风化堆积物 =45
富水坡积物或砂层=35