1、2022-10-27保护煤柱的设计理工大保护煤柱的设计保护煤柱的设计-理工大理工大保护煤柱的设计理工大342地表移动和变形观地表移动和变形观测测保护煤柱的设保护煤柱的设计计 5建筑下采建筑下采煤煤 7铁路下采煤铁路下采煤地表移动和变形预地表移动和变形预计计6水体下采水体下采煤煤 1地表移动和变形规律地表移动和变形规律 保护煤柱的设计理工大123保护煤柱的设计理工大 由于煤矿地下开采范围大、开采层数多而开采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到上覆岩层与地表的一
2、些与人类生产和生活有密切关系的对象，关系的对象，如湖泊、河流、铁路、公路、民用住如湖泊、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宅和工业厂房、管道、农田水利设施以及并下工程等，等，使工农业生产不能正常进行，居民的居住安全使工农业生产不能正常进行，居民的居住安全得不到保证。得不到保证。如下图所示。如下图所示。因此，必须采取措施进行防护，以减小或者完全因此，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。中的措施之一。4.1 4.1 概述概述 保护煤柱的设计理工大保护煤柱的设计理工
3、大保护煤柱的设计理工大保护煤柱的设计理工大 留设保护煤往虽然是保护上覆岩层和地面建筑物、构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，但也存在如筑物不受开采影响的一种比较可靠的方法，但也存在如下下缺点缺点：1 1有一部分煤炭留在地下暂时或永远不能采出，造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；成大量煤炭资源的损失，缩短矿井生产年限；2 2由于留设保护煤柱，使采掘工作复杂化和采掘工由于留设保护煤柱，使采掘工作复杂化和采掘工程量增大程量增大 3 3、还会导致局部矿压集中，给矿井生产造成危害。、还会导致局部矿压集中，给
4、矿井生产造成危害。4.1 4.1 概述概述 保护煤柱保护煤柱是指专门留在井下不予采出的、目的是保护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。部分煤体。保护煤柱的设计理工大保护煤柱的设计理工大缺点缺点1:1:煤炭资煤炭资源浪费源浪费缺点缺点2:2:采掘工采掘工作复杂作复杂保护煤柱的设计理工大缺点缺点3:3:局部矿压局部矿压集中，给集中，给矿井生产矿井生产造成危害。造成危害。保护煤柱的设计理工大 由于采矿引起的岩层与地表移动，使得位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
5、建筑物和构筑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物、地表水系及含水层等遭受不同程度的损坏。坏。为了保护某些重要的建（构）筑物、水体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要建筑物，在浅部开采时留设保护煤柱还是必要的。必要的。4.1 4.1 概述概述 保护煤柱的设计理工大保护煤柱的设计理工大本章内容提要本章内容提要 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法
6、保护煤柱的设计理工大煤层煤层4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大煤层煤层4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大留设煤柱而呆滞的煤量留设煤柱而呆滞的煤量Q Q为为:式中式中,-煤层的倾角煤层的倾角;-煤的质量密度煤的质量密度m-m-煤层厚度煤层厚度A-A-平面图上保护煤柱的面积平面图上保护煤柱的面积4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂
7、直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大 移动角移动角-地表移动盆地主断面上三个临界变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。的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为移动角。走向方向：走向方向：；下山：；下山：；上山：；上山：；底板；底板。一般建筑物低于一般建筑物低于级损坏（裂缝宽度小级损坏（裂缝宽度小于于4mm4mm）。砖石结构房屋的临界变形值为）。砖石结构房屋的临界变形值为 4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4
8、.4.保护煤柱的设计保护煤柱的设计 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大松散层移动角松散层移动角-用基岩移动角自采空区边界划线和基岩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松散层交接面相交于B B点，点，B B点至地表下沉为点至地表下沉为10mm10mm处的点处的点C C连线与水平线在煤柱一侧所夹的锐角，用连线与水平线在煤柱一侧所夹的锐角，用表示。它不表示。它不受煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。受煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保
9、护煤柱的设计理工大 保护煤柱留设时，由于地质采矿条件的差异、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。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加备用尺寸的方法如下:4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大 目前在保护煤柱设计中，一般在地面上加围护带，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
10、外扩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。展一定的范围，作为设计保护煤柱的受保护边界。4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 矿区建筑物和构筑物的保护等级，如下表所示。矿区建筑物和构筑物的保护等级，如下表所示。保护煤柱的设计理工大矿区建筑物和构筑物的保护等级矿区建筑物和构筑物的保护等级 4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护保护等级等级 主主 要要 建建 筑筑 物物 和和 构构 筑筑 物物 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
11、吊车的大型厂房、平炉、水泥厂回转窖、大型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、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，高炉、焦化炉，220KV220KV以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥；以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥
12、；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、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，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，长度大于百货大楼，二级火车站，长度大于20m20m的两层楼房和三层以上多层住宅楼；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、砖混结构平房无吊车设备的砖木结构工业
13、厂房，三、四级火车站，砖木、砖混结构平房或变形缝区段小于或变形缝区段小于20m20m的二层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆塔，钢的二层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆塔，钢瓦斯管道等瓦斯管道等 农村木结构承重房屋，简易仓库等农村木结构承重房屋，简易仓库等保护煤柱的设计理工大矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 建筑物和构筑物的保护等级建筑物和构筑物的保护等级 围护带宽度围护带宽度s s(m)(m)20 20 15 15 10 10 5 5保护煤柱的设计理工大 保护煤柱留设所需的资料：保护煤柱留设所需的资料：1 1保护对
14、象（如工业广场、房屋、铁路、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；及煤层埋藏条件；2 2符合精度要求的必要的图纸资料，如井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，井上下对田地质剖面图，煤层底板等高线图，井上下对照图；照图；3 3矿区地表移动参数以及断层、背向斜等矿区地表移动参数以及断层、背向斜等地质构造情况。地质构造情况。4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 保护煤柱的设计理工大 如下图，要设计一群重要建筑物的保护煤柱，
15、保如下图，要设计一群重要建筑物的保护煤柱，保护等级为护等级为级，保护面积的平面形状为矩形，面积为级，保护面积的平面形状为矩形，面积为100m100m200m200m，长轴与煤层走向斜交，长轴与煤层走向斜交=60=60。煤层倾角煤层倾角a a=30=30，煤层在保护范，煤层在保护范围中央处的埋藏深度围中央处的埋藏深度H H0 0=250=250mm地面标高为零，松散地面标高为零，松散层厚度层厚度h h=40m=40m，煤层厚度，煤层厚度mm=2.5=2.5mm。该地区的移动角参数为：该地区的移动角参数为：=5555，=7373，=4545，4.2 4.2 垂直断面法垂直断面法 mnabcd保护煤
16、柱的设计理工大保护煤柱的设计理工大步骤：步骤：（1 1）确定受护边界：沿煤层走向和倾向确定受）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，得到受护边护对象的边界，按保护等级加围护带，得到受护边界；界；（2 2）确定保护煤柱边界：在受护面积边界与煤）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和基岩内分别用移动角和和、画直线，作画直线，作出保护煤柱边界。出保护煤柱边界。（3 3）计算因设置保护煤柱而留滞的煤量。）计算因设置保护煤柱而留滞的煤量。4.2 4.2 垂直断面法垂
17、直断面法 保护煤柱的设计理工大本章内容提要本章内容提要 保护煤柱的设计理工大4.3 4.3 垂线法垂线法 什么叫斜向移动角？什么叫斜向移动角？保护煤柱的设计理工大如如右图右图所示，保护边界所示，保护边界与煤层走向斜交成角，在与煤层走向斜交成角，在沿保护对象长轴方向的断沿保护对象长轴方向的断面图上作保护煤柱时，就面图上作保护煤柱时，就不能用主断面上的移动角不能用主断面上的移动角、，而需用，而需用斜向斜向移动角移动角来设计保护煤柱。来设计保护煤柱。和和 分别表示任意斜分别表示任意斜向断面上的向断面上的下山移动角下山移动角和和上山移动角上山移动角。4.3 垂线法垂线法abba保护煤柱的设计理工大4.
18、3 4.3 垂线法垂线法 任意斜向断面上的斜任意斜向断面上的斜向移动角向移动角 、可根可根据地表移动观站获得据地表移动观站获得的主断面上的移动角的主断面上的移动角、及斜向断面及斜向断面与煤层走向的交角与煤层走向的交角来确定。来确定。保护煤柱的设计理工大4.3 4.3 垂线法垂线法 斜向移动角的求解？斜向移动角的求解？保护煤柱的设计理工大 如右图，设有一开采单元如右图，设有一开采单元 s s，它在走向、下山方向和上山方它在走向、下山方向和上山方向的影响范围可用移动角向的影响范围可用移动角、来确定。来确定。根据地表移动变形规律，可根据地表移动变形规律，可假定：开采单元面积在地表的假定：开采单元面积
19、在地表的影响范围为一个椭圆，该椭圆影响范围为一个椭圆，该椭圆由由两个半椭圆两个半椭圆组合而成。组合而成。4.3 4.3 垂线法垂线法 单元单元 s s开采的影响范围开采的影响范围 y下下scy上上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao 保护煤柱的设计理工大 取取x x轴沿走向，轴沿走向，y y轴轴沿沿倾倾向。若保护边界向。若保护边界EFEF位于开采位于开采单元的下山方向，且与影响单元的下山方向，且与影响椭圆切于椭圆切于MM点，即从保护边点，即从保护边界向伪上山方向作保护煤柱界向伪上山方向作保护煤柱边界点。边界点。保护边界线与煤层走向保护边界线与煤层走向的夹角为的夹角为，
20、设保护边界至，设保护边界至开采单元的水平垂距为开采单元的水平垂距为p p。4.3 4.3 垂线法垂线法 单元单元 s s开采的影响范围开采的影响范围 y下下scy上上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao 保护煤柱的设计理工大4.3 4.3 垂线法垂线法 椭圆方程：椭圆方程：求导得：求导得：在椭圆上，故直在椭圆上，故直线线EFEF的方程为：的方程为：在切线在切线EFEF上，则上，则 （1）（2）对比（对比（1 1）和（）和（2 2）可知，）可知，y下下scy上上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao单元单元 s s开采的影响范围开采的影响范围 （
21、3）将（将（3 3）及）及P=HctgP=Hctg代入式（代入式（1 1）得：）得：保护煤柱的设计理工大 对于矩形建筑物，可由对于矩形建筑物，可由 和和两个角表示与煤层走两个角表示与煤层走向的方位，向的方位，是保护边界是保护边界BCBC与煤层走向之间的夹角，与煤层走向之间的夹角，是保护边界是保护边界ABAB与煤层走与煤层走向之间的夹角。向之间的夹角。4.3 4.3 垂线法垂线法 同理同理，也可以求出保护边界向伪下山方向作保护煤柱，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的斜向移动角 为：为：ABDC式中的式中的 角是保护煤柱边界线与煤层走向线所夹的锐角。角是保护煤柱边界线与煤层走向
22、线所夹的锐角。保护煤柱的设计理工大垂线长度垂线长度q q、l l 如何计算如何计算？4.3 4.3 垂线法垂线法 保护煤柱的设计理工大 右图为通过右图为通过a a点并点并与建筑物保护边界线与建筑物保护边界线垂直的断面图。垂直的断面图。保护保护边界边界与与煤层走向煤层走向相交相交成成角，而此断面与角，而此断面与煤层走向相交成煤层走向相交成9090-角，角，为煤层的为煤层的伪倾角。伪倾角。l H-h 4.3 4.3 垂线法垂线法 保护煤柱的设计理工大从下图可知从下图可知:故有：故有：4.3 4.3 垂线法垂线法 保护煤柱的设计理工大。因此有：l H-h 4.3 4.3 垂线法垂线法 保护煤柱的设计
23、理工大4.34.3垂线法垂线法 怎么用垂线法设计保护煤柱？怎么用垂线法设计保护煤柱？步骤。步骤。保护煤柱的设计理工大步骤：步骤：（1 1）确定受保护边界。在平面图（图）确定受保护边界。在平面图（图4-74-7）先确定需要保护）先确定需要保护的范围，然后加围护带的范围，然后加围护带s=15ms=15m，得受保护边界，得受保护边界1-2-3-41-2-3-4；4.3 4.3 垂线法垂线法 3 2 1-400m30s101198765260301124 43CBADr-300m-200m-100m保护煤柱的设计理工大（2 2）在受保护边界各点）在受保护边界各点1 1、2 2、3 3、4 4向外按宽度
24、向外按宽度r=hctgr=hctg划出矩划出矩形形1 1-2-2-3-3-4-4，即得表土层与基岩接触面上的受保护边界；，即得表土层与基岩接触面上的受保护边界；4.3 4.3 垂线法垂线法 3 2 1-400m30s101198765260301124 43CBADr-300m-200m-100m保护煤柱的设计理工大（3 3）从）从1 1、2 2、3 3、4 4 各点分别做出线段各点分别做出线段1 1-2-2 和和1 1-4-4、2 2-1-1 和和2 2-3 3、3 3-2-2 和和3 3-4-4、4 4-3-3 和和4 4-1-1 的垂线。的垂线。3 2 1-400m30s10119876
25、5260301124 43CBADr-300m-200m-100m 上山方向的垂上山方向的垂线长线长q q为：为：下山方向的垂线下山方向的垂线长长l l为：为：式中，式中，H为为1、2、3、4 位置的煤层埋藏深位置的煤层埋藏深度，它可以从煤层底板等高线图上量取；度，它可以从煤层底板等高线图上量取；为为各受保护边界与煤层走向所夹的锐角各受保护边界与煤层走向所夹的锐角 q1q3q2l1l2l3l4q44.3 4.3 垂线法垂线法 保护煤柱的设计理工大已知数据及计算结果列于下表。已知数据及计算结果列于下表。角点号角点号 1 1 2 2 3 3 4 4 H H 350 350 290 290145145205205H Hh h 310 310 250 250105105165165垂线垂线1 1-5 5 1 1-6 62 2-7 72 2-8 83 3-9 93 3-10104 4-11 114 4-1212/60603030 30 30 60 60 60 6030 30 30306060q q/m/m9999414160607979 l/m l/m 104 104112112 90 9055554.3 4.3 垂线法垂线法 2022-10-27保护煤柱的设计理工大
