2第二章-保护煤柱的设计

38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。39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。在倾向剖面上，从受护边界点分别向煤层下山方向作上山移动角、向煤层上山方向作下山移动角，交煤层于c、d两点；在走向剖面上，从受护边界点分别向两侧煤层作走向移动角，交煤层于a、b两点；则a、b、c、d确定的煤柱范围就是保护煤柱的范围；将其投影到水平面上，就可在平面图上确定出建筑物保护煤柱的范围。该煤层在保护煤柱边界abcd以外的开采，不会引起受护建筑物的地表产生临界变形值以上的移动、变形，仅可能产生小于临界变形值的微量移动和变形。注意：（1）在倾向剖面上，向煤层下山方向采用上山移动角；向煤层上山方向采用下山移动角。（2）在走向剖面上，采用走向移动角，深度越大、煤柱范围越大；深度越小、煤柱范围越小。二、围护带留设煤柱时，为确保被保护对象的安全，还需要保护受护对象周围一定范围内的岩体或地表，这部分需附加保护的岩体或地表及其范围称为“围护带”。留设围护带的目的是：（一）抵消在留设煤柱时所用的移动角等参数的误差引起的煤柱尺寸的不足，移动角误差一般为2～5º；（二）抵消由于地质采矿条件和井上下位置对照关系不准确而造成的保护煤柱尺寸和位置的误差。40围护带的宽度根据保护对象的保护等级确定，按受保护建（构）筑物的重要性、用途以及受开采影响引起的不同后果，将矿区范围内的建（构）筑物保护等级分为四级，矿区建（构）筑物的保护等级及围护带宽度列于表2-1中。表2-1矿区建（构）筑物的保护等级及围护带宽度保护等级重要建筑物和构筑物围护带宽度(m)I国务院明令保护的文物和纪念性建筑物；一等火车站，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，水泥厂回转窑，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和伤亡事故的建（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20II高炉，焦化炉，22万伏以上超高压输电线杆塔，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，剧院，学校，百货大楼，二级火车站，长度大于20m的二层楼房和三层以上多层住宅楼；输水管干线和铸铁瓦斯管支线；架空索道，电视塔及其转播塔，一级公路等15III无吊车设备的砖木结构厂房，三、四级火车站，砖木、转混结构平房或变形缝区段小于20m的两层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线铁塔、钢瓦斯管道等10IV农村木结构承重房屋，简易仓库等5注：凡未列入表中的建（构）筑物，可依据其重要性、用途等类比其等级归属。对于不易确定者，可组织专门论证，并报省、直辖市、自治区煤炭主管部门审定。三、保护煤柱留设使用的参数（一）移动角在充分采动或接近充分采动的条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形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。当有松散层存在时，应从最外边的临界变形值点用松散层移动角划线和基岩与松散层交接面相交，此交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。按不同断面，边界角可分为走向移动角、下山移动角、上山移动角。在有实测资料的矿区，移动角选取本矿区实测值；在没有实测资料的矿区，可参照表2-2进行选取。表2-2按覆岩性质区分的地表移动一般参数表（α50°）覆岩类型移动角（°）松散层移动角（°）δγβ45°坚硬75°～80°75°～80°δ-（0.7～0.8α）中硬70°～75°70°～75°δ-（0.6～0.7α）软弱60°～70°60°～70°δ-（0.3～0.5α）（二）斜交剖面移动角41图2-2与走向斜交的垂直剖面图1－建筑物边界；2－受护面积边界；3－松散层保护边界如图所示，假设有一条铁路线与煤层走向斜交，受护面积边界与煤层走向所夹锐角为；沿I－I线作铁路线的垂直剖面，此时所作的断面与煤层走向斜交，该斜交剖面上的煤层倾角为伪倾角'，可以用以下公式计算：costan'tan（2-1）式中：－煤层倾角；－斜交剖面与煤层倾向所夹的锐角。斜交剖面上的移动角'和'可以采用以下公式计算：2222sintccostc'tcooo（2-2）2222sintccostc'tcooo（2-3）式中：、、为下山、上山、走向移动角。1、伪倾角'计算公式的推导公式costan'tan的推导情况如下：在图2-3中，设aA为受护面积边界线，它与煤层走向夹角为；ac′为与煤层走向斜交的剖面线；ac为与煤层走向垂直的剖面线；h为两条煤层等高线的高差。在直角三角形acb中：Lhtan，即tanLh（2-4）在直角三角形ac′b′中：''tanLh，即'tan'Lh（2-5）由于式（2-4）＝式（2-5），故有'tan'tanLL（2-6）42在直角三角形cc′a中：cos'LL（2-7）把式（2-7）带入式（2-6）得：tancos''tan'LL故可以得出：costan'tan图2-3'与之间关系图1－煤层走向；2－受护面积边界2、斜交剖面移动角'和'计算公式的推导公式2222sintccostc'tcooo的推导情况如下。设有一单元面积s（图2-4），其开采后在走向方向、下山方向和上山方向的采动影响范围可用移动角、、确定。假设单元面积的开采对地表的影响范围为一个椭圆；这个椭圆由两个半椭圆组成（图2-5），上山方向半椭圆的半轴分别为：cotHc，cotHb下山方向半椭圆的半轴分别为：cotHa，cotHb式中：H—单元的开采深度。43图2-4单元开采影响（a－沿走向剖面；b－沿倾向剖面）图2-5斜交剖面移动角求法图2-5表示单元面积被开采后，地表出现的影响椭圆。设x轴为煤层倾斜方向，y轴为走向方向。假设保护边界KL位于开采单元的伪下山方向，并且切影响椭圆于M点，M坐标为（x1,y1），这就是从保护边界向伪上山方向划保护煤柱的情况。保护煤柱边界线KL与煤层走向的夹角为。保护边界至开采单元的水平垂距为P。从保护边界向伪上山方向确定煤柱范围采用的伪下山移动角'可按下面方法导出。已知影响椭圆下山方向半椭圆的半轴分别为：cotHa，cotHb同时:'cotHP椭圆方程式为：12222byax微分上式，得椭圆上任一点的斜率为：yaxbdxdy22则在切点M（x1,y1）处的斜率为1212yaxb，所以直线KL的方程式为)()(112121xxyaxbyy（2-8）化简上式得：12121ybyxax（2-9）44从图2-5中可以看出，与椭圆相切的直线方程可以用以下公式表示：Pyxsincos即：1sincosPyPx（2-10）对比公式（2-9）和（2-10）可得Paxcos21及Pbysin21而切点M（x1,y1）的坐标应满足椭圆方程式：1221221byax将Paxcos21，Pbysin21代入上式得：1sincos222222PbPa（2-11）即：22222sincosPba（2-12）因为cotHa，cotHb，'cotHP所以：22222coscotcoscot'cot（2-13）即：2222sintccostc'tcooo（2-14）2222sintccostc'tcooo的推导与上述类似。第二节保护煤柱留设方法常用的保护煤柱留设方法有：垂直剖面法和垂线法。一、垂直剖面法垂直剖面法是一种图解方法，首先沿煤层走向和倾向作垂直剖面，在断面图上确定保护煤柱宽度，最后投影到平面图上获得保护煤柱边界。其设计步骤如下：（一）确定受护面积边界1、如果建筑物边界和煤层走向、倾向平行时，在平面图上直接沿煤层走向、倾向留一定宽度的围护带，得受护面积边界（图2-6a）；2、如果建筑物边界和煤层走向斜交时，通过建筑物四个角点，分别作与煤层走向或倾45向平行的直线，再留围护带，得受护面积边界（图2-6b）；3、如果地面有许多建筑物时，通过建筑群的最外角点，分别作和煤层走向或倾向平行的直线，再留围护带，得受护面积边界（图2-6c）。垂直剖面法确定受护面积边界时，一般应和煤层走向、倾向平行。图2-6垂直剖面法受护边界的确定1－建筑物边界；2－围护带（二）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，首先在松散层内用画线交于基岩面，再在基岩内用、、画线交于煤层，即可得出保护煤柱边界。下面介绍一个垂直剖面法留设保护煤柱的例题。[例2-1]如图2-7，要设计一个重要建筑物的保护煤柱，保护级别为Ⅱ级，保护面积的平面形状为矩形，面积为1002002m，长轴与煤层走向斜交成60度角。煤层倾角30，煤层在保护范围中央处的埋藏深度H=250m。地面标高为零，松散层厚度h=40m，煤层厚度M＝2.0m，该地区的移动角为：457355、、。试用垂直剖面法留设该建筑物的保护煤柱。46图2-7用垂直剖面法设计保护煤柱方法和步骤如下：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。查表2-1得围护带宽度为15m，从矩形保护范围边界向外圈出一围护带s＝15m，其外缘abcd即为受护边界。2、过保护范围abcd的中心O，作沿煤层走向和倾向的垂直剖面Ⅰ—Ⅰ、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30，煤层的厚度M＝2.0m，煤层的埋藏深度m250H。4、在受护边界点m、n，作松散层移动角45，与基岩面相交于mn11、。再从mn11、点分别作基岩移动角5573、，与煤层底板相交于mn22、点，点n22、m分别为煤层倾向剖面上保护煤柱的上下边界。将mn22、投影到平面图上，即得点M、N。5、将平面图上Ⅰ—Ⅰ线与受护边界的交点q、k，投影到走向剖面