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1、1,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,3,4,2,地表移动和变形观测,保护煤柱的设计,5,建筑下采煤,7,铁路下采煤,地表移动和变形预计,6,水体下采煤,1,地表移动和变形规律,概述,垂直断面法,1,2,第四章 保护煤柱设计,垂线法,3,1,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
2、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。 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。,4.1 概述,1,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。,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
3、。,1,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。,4.1 概述,1,4.1 概述,4.2 垂直断面法,4.3 垂线法,本章内容提要,1,4.2 垂直断面法,怎么设计保护煤柱?,-保护煤柱的留设原理,1,4.2 垂直断面法,1,4.2 垂直断面法,1,4.2 垂直断面法,1,4.2 垂直断面法,1,4.2 垂直断面法,1,留设煤柱而呆滞的煤量Q为:,式中, -煤层
4、的倾角;,-煤的质量密度,m-煤层厚度,A-平面图上保护煤柱的面积,4.2 垂直断面法,1,掌握几个概念:,移动角,松散层移动角,围护带,4.2 垂直断面法,1,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?,4.2 垂直断面法,1,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：；下山：；上山：；底板。,一般建筑物低于级损坏（裂缝宽度小于4mm）。砖石结构房屋的临界变形值为,4.2 垂直断面法,1,4.保护煤柱的设计,1,什么叫松散层移动角?,4.2 垂直断面法,1,松散层移动角-用基岩移动角自
5、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，用表示。它不受煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。,4.2 垂直断面法,1,什么叫围护带?,4.2 垂直断面法,1,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:,4.2 垂直断面法,1,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。,4.2 垂直
6、断面法,矿区建筑物和构筑物的保护等级，如下表所示。,1,矿区建筑物和构筑物的保护等级,4.2 垂直断面法,1,矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度,4.2 垂直断面法,1,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。,4.2 垂直断面法,1,垂直断面法设计保护煤柱的方法和步骤,4.2 垂直断面法,1,如下图，要设计一群重要建筑物的保护煤柱，保护等级为级，保护面积的平面形状为矩形，面积为1
7、00m200m，长轴与煤层走向斜交=60。,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，,4.2 垂直断面法,1,1,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和、画直线，作出保护煤柱边界。 （3）计算因设置保护煤柱而留滞的煤量。,4.2 垂直断面法,1,4.1 概述,4.2 垂直断面法,4.3 垂线法,本章内
8、容提要,1,4.3 垂线法,什么叫斜向移动角？,1,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，就不能用主断面上的移动角、，而需用斜向移动角来设计保护煤柱。 和 分别表示任意斜向断面上的下山移动角和上山移动角。,4.3 垂线法,1,4.3 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来确定。,1,4.3 垂线法,斜向移动角的求解？,1,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
9、，该椭圆由两个半椭圆组合而成。,4.3 垂线法,单元s开采的影响范围,1,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，设保护边界至开采单元的水平垂距为p。,4.3 垂线法,1,4.3 垂线法,椭圆方程：,求导得：,在椭圆上，故直线EF的方程为：,在切线EF上，则,（1）,（2）,对比（1）和（2）可知，,（3）,将（3）及P=Hctg代入式（1）得：,1,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。
10、,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 为：,式中的角是保护煤柱边界线与煤层走向线所夹的锐角。,1,垂线长度q、l 如何计算 ？,4.3 垂线法,1,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角，而此断面与煤层走向相交成90-角，为煤层的伪倾角。,4.3 垂线法,1,从下图可知:,故有：,4.3 垂线法,1,。因此有：,4.3 垂线法,1,4.3垂线法,怎么用垂线法设计保护煤柱？ 步骤。,1,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；,4.3 垂
11、线法,1,（2）在受保护边界各点1、2、3、4向外按宽度r=hctg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；,4.3 垂线法,1,（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：,下山方向的垂线长l为：,式中，H为1、2、3、4位置的煤层埋藏深度，它可以从煤层底板等高线图上量取；为各受保护边界与煤层走向所夹的锐角,q1,q3,q2,l1,l2,l3,l4,q4,4.3 垂线法,1,已知数据及计算结果列于下表。,4.3 垂线法,1,（4）在各垂线上按比例尺截取其垂线长，得点5、6、12，依次连接各点并相交于A、B、C、D。四边形ABCD就是用垂线法留设的保护煤柱的平面图； （5）计算因留设保护煤柱而呆滞的煤量。,4.3 垂线法,
