保护煤柱的设计--理工大

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
1 地表移动和变形规律 2 地表移动和变形观测 3 地表移动和变形预计 4 保护煤柱的设计 5 建筑下采煤 6 水体下采煤
7 铁路下采煤
4
350
290 145
205
310
250 105
165
1-5 1-6 2-7 2-8 3-9 3-10 4-11 4-12
60 30 30 60 60 30 30 60
q/m
99 41 60 79
l/m
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
1
24
4.保护煤柱的设计
1
25
4.2 垂直断面法
什么叫松散层移动角?
1
26
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
Eb
b
H
δ
δ
Δs
c tg c2 tg c2 o sc2 tg si2 n 单元s开采的影响范围
1
45
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 ct2 g co 2 sct2 g si2 n
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
q3
30º1
1´ q1
式中，H为1、2、3、4位置的煤层埋藏深度， 6
它可以从煤层底板等高线图上量取；θ为各受
4 4´
r
q4 12
60º
q2
5
保护边界与煤层走向所夹的锐角
A
-100m -200m -300m -400m
1
54
4.3 垂线法
已知数据及计算结果列于下表。
角点号
H H—h
垂线
θ/°
1
2
3
1
42
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
F y上
oc
b
b
θ P
a
c
θ
x
a G（x0,y0）
M（x1,y1）
γ Δs H
β
假定：开采单元面积在地表的 影响范围为一个椭圆，该椭圆
y下
Eb
b
由两个半椭圆组合而成。
保护煤柱的定义
1
9
留设保护煤柱的优缺点
缺点1: 煤炭资 源浪费
1
缺点2: 采掘工 作复杂
10
留设保护煤柱的优缺点
缺点3:局 部矿压集 中，给矿 井生产造 成危害。
1
11
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。
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。
1
8
1
21
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
22
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
23
4.2 垂直断面法
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。
1
50
4.3垂线法
怎么用垂线法设计保护煤柱？ ——步骤。
1
51
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 C 10
3´0º
8
4 4´
r
12
-100m -200m
D
7
2´ 2
1 60º
30º
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
1
31
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 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
围护带宽度s (m)
20 15 10
Gx0,y0 在切线EF上，则
F y上
oc
b
b
θ P
a
c
θx a
G（x0,y0）
M（x1,y1）
γ Δs H
β
p/sxinp/cyos1
即,sinxcosy1
p
p
（2）
对比（1）和（2）可知，
x1 y1
a2 p b2 p
cos sin
（3）
将（3）及P=Hctgβ′代入式（1）得：
y下
煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。
1
27
4.2 垂直断面法
什么叫围护带?
1
28
4.2 垂直断面法
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:
5
1
32
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。
1
33
4.2 垂直断面法
2
第四章 保护煤柱设计
1 概述 2 垂直断面法 3 垂线法
3
4.1 概述
由于煤矿地下开采范围大、开采层数多而开采 深度有限，开采的影响一般都能发展到地表，波及 到上覆岩层与地表的一些与人类生产和生活有密切 关系的对象，如湖泊、河流、铁路、公路、民用住 宅和工业厂房、管道、农田水利设施以及并下工程 等，使工农业生产不能正常进行，居民的居住安全 得不到保证。如下图所示。
aHctg
bHctg cHctg
H
δ
δ
Δs
单元s开采的影响范围
1
43
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。
pHctg
F y上
出保护煤柱边界。
（3）计算因设置保护煤柱而留滞的煤量。
1
37
本章内容提要
4.1 概述 4.2 垂直断面法 4.3 垂线法
1
38
4.3 垂线法 什么叫斜向移动角？
1
39
4.3 垂线法
如右图所示，保护边界与
煤层走向斜交成角，在沿
保护对象长轴方向的断面
图上作保护煤柱时，就不
a
能用主断面上的移动角δ、
oc
b
b
θ P
a
c
θx a
G（x0,y0）
M（x1,y1）
γ Δs H
β
y下
Eb
b
H
δ
δ
Δs
单元s开采的影响范围
1
44
Mx1,y1
4.3 垂线法
椭圆方程：
x2
y2
1
a2 b2
求导得： dy b 2 x dx a 2 y
Mx1,y1 在ax12 椭xb圆y21 y上1，故直
线EF的方程为：
（1）
n
煤层厚度m=2.5m。
该地区的移动角参数为：=55，
c
==73，=45，
1
35
1
36
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
垂直断面法设计保护煤 柱的方法和步骤
1
34
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
a Ⅱ
m d
Ⅰ
煤层倾角a=30，煤层在保护范围
b Ⅱ 中央处的埋藏深度H0=250m．地 面标高为零，松散层厚度h=40m，
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。
1
12
设计保护煤柱的必要性
1
13
本章内容提要
4.1 概述 4.2 垂直断面法 4.3 垂线法
1
14
4.2 垂直断面法
怎么设计保护煤柱? ----保护煤柱的留设原理
加备用 加 减 尺维 小 寸 （ 护 移 在 在 2 s 带 动 3 煤 地 50角 H 层 面 /6， 层 上 s为 面 加 维 上 维 护 加 护 带 H 维 带 为 宽 护 深 度 带 度 ，
1
29
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
30
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
Ⅱ
Ⅲ Ⅳ
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
因此，必须采取措施进行防护，以减小或者完全 避免地下开采的有害影响。留设保护煤柱，就是其 中的措施之一。
1
4
留设保护煤柱的目的
1
5
留设保护煤柱的目的
1
6
留设保护煤柱的目的
1
7
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。
1
15
4.2 垂直断面法
煤层
1
16
4.2 垂直断面法
1
17
4.2 垂直断面法
建筑物
地表
松散层
煤柱
比例尺 0m 10 20
1
18
4.2 垂直断面法
α
1
19
4.2 垂直断面法
1
20
4.2 垂直断面法
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
之间的夹角。
1
B θ"
C D
A θ´
46
4.3 垂线法
垂线长度q、l 如何计算 ？
1
47
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
H-h
成θ角，而此断面与
煤层走向相交成90-
θ角，α′为煤层的 l
伪倾角。
1
48
4.3 垂线法
从下图可知: tg OO
1´
-300m
6 5
-400m
A
1
52
4.3 垂线法
（2）在受保护边界各点1、2、3、4向外按宽度r=hctgφ划出矩 形1-2-3-4，即得表土层与基岩接触面上的受保护边界；
9 C 10
3´
3
s
11
B
30º
8
4 4´
r
12
D
7
2´ 2
1 60º
30º
1´
6 5
A
1
-100m -200m -300m -400m
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
β、γ，而需用斜向移动
角来设计保护煤柱。
a
β’
和 ' 分别表示任意斜向断
面上的下山移动角和上山
移动角。
1
bθ b
γ’
40
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
41
4.3 垂线法 斜向移动角的求解？
53
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：
q1H ctghtgcctgos
9 C 10
l2 3´ l3
3
s
11
l4
B
30º
下山方向的垂线
8
长l为：
l1H ctghtgcctgos
D
7
l1
2´ 2
OA
tg OO
OB
OBOAcos O O O A tg O B t g
故有： tgtgcos
1
49
4.3 垂线法
tg(Hh)h1
q
tg(Hh)h2
l
tg h1 h2 。因此有：
ql
tgHhtg
q
tgHhtg
l
tgtgcos
H-h
q (Hh)ctg 1ctgtgcos
l (Hh)ctg
l
1ctgtgcos