第九章 建構筑物保護煤柱設計及損害評定方法

1、第9章 建構筑物保護煤柱設計及損害評定方法礦區(qū)建構筑物保護采用兩種方法：留設保護煤柱，即在保護煤柱外開采，使建構筑物不受開采影響或受到的開采影響不會使建構筑物損害；采用特殊開采技術措施和建構筑物結構措施，使采動變形不會使建構筑物損害；保護煤柱設計保護煤柱：指專門留在井下不予采出的、旨在保護其上方巖層內部和地表的各種保護對象不受開采影響的那部分煤炭資源受保護對象：井筒、井下主要巷道和硐室、地面各類建（構）筑物、鐵路、水體等優(yōu)點：能有效保護受保護對象免受開采的影響缺點：1）浪費煤炭資源，縮短礦井服務年限；2）使采掘工作復雜化，增大掘進工作量，造成采掘關系緊張一、保護煤柱留設原理在保護對象的下方留出

2、一部分煤炭不開采，使其周圍煤炭的開采對保護對象不產生有危險性的移動和變形。在傾向剖面上，從受護邊界點分別向煤層下山方向作上山移動角、向煤層上山方向作下山移動角，交煤層于c、d兩點；在走向剖面上，從受護邊界點分別向兩側煤層作走向移動角，交煤層于a、b兩點；則a、b、c、d確定的煤柱范圍就是保護煤柱的范圍；將其投影到水平面上，就可在平面圖上確定出建筑物保護煤柱的范圍。該煤層在保護煤柱邊界外開采，不會引起受護建筑物的地表產生臨界變形值以上的移動、變形。注意：1）在傾向剖面上，向煤層下山方向采用上山移動角；向煤層上山方向采用下山移動角。在走向剖面上，采用走向移動角。2）深度越大、煤柱范圍越大；深度越小

3、、煤柱范圍越小。2、 圍護帶圍護帶：留設煤柱時，為確保被保護對象的安全，還需要保護受護對象周圍一定范圍內的巖體或地表，這部分需附加保護的巖體或地表及其范圍稱為“圍護帶”目的：1）抵消留設保護煤柱時所用參數的誤差引起煤柱尺寸的不足。移動角250。2）抵消由于地質采礦條件和井上下位置關系的不準確而造成保護煤柱的尺寸和位置的誤差。斜交剖面上的煤層傾角為偽傾角；煤層傾角；斜交剖面與煤層傾向所夾得銳角；，為下山、上山、走向移動角保護煤柱留設方法保護煤柱留設方法有：垂直剖面法、垂線法、數字標高投影法、臨界標高投影法、臨界變形值方法、預計方法。常用的是垂直剖面法、垂線法（1） 垂直剖面法垂直剖面法是一種圖解

4、方法，其設計步驟如下：（一）確定受護面積邊界1）如果建筑物邊界和煤層走向、傾向平行時，在平面圖上直接沿煤層走向、傾向留一定寬度的圍護帶，得受護面積邊界（圖9-6a）；2）如果建筑物邊界和煤層走向斜交時，通過建筑物四個角點，分別作與煤層走向或傾向平行的直線，再留圍護帶，得受護面積邊界（圖9-6b）；3）如果地面有許多建筑物時，通過建筑群的最外角點，分別作和煤層走向或傾向平行的直線，再留圍護帶，得受護面積邊界（圖9-6c）。垂直剖面法確定受護面積邊界時，一般應和煤層走向、傾向平行。（二）確定保護煤柱邊界在受護面積邊界與煤層走向平行或垂直時所作的垂直剖面上，首先在松散層內用畫線交于基巖面，再在基巖內

5、用、畫線交于煤層，即可得出保護煤柱邊界。例9-1 如圖9-7，要設計一個重要建筑物的保護煤柱，保護級別為級，保護面積的平面形狀為矩形，面積為100×200m2，長軸與煤層走向斜交成60°角。煤層傾角30° ，煤層在保護范圍中央處的埋藏深度H=250m。地面標高為零，松散層厚度h=40m，煤層厚度M2.0m，該地區(qū)的移動角為：試用垂直剖面法留設該建筑物的保護煤柱。方法和步驟如下：用垂直斷面法留設保護煤柱的方法和步驟如下： (1)確定受護邊界。通過建筑群的角點作平行于煤層走向和平行于煤層傾向的四條直線，兩兩相交得一矩形保護范圍abcd。查表9-1得圍護帶寬度為15m，

6、從矩形保護范圍邊界向外圈出一圍護帶s15m，其外緣abcd即為受護邊界。 (2)過保護范圍abcd的中心O，作沿煤層走向和傾向的垂直剖面、。(3)在傾向垂直剖面上標出地表線，受護邊界的位置（m、n）、松散層和煤層等，并標注出煤層的傾角，煤層的厚度M2.5m，煤層的埋藏深度。 (4)在受護邊界點m、n，作松散層移動角，與基巖面相交于m1、n1。再從m1、n1點分別作基巖移動角，與煤層底板相交于m2、n2點，m2、n2點分別為煤層傾向剖面上保護煤柱的上下邊界。將m2、n2點投影到平面圖上，即得點M、N。 (5)將平面圖上線與受護邊界的交點q、k，投影到走向剖面圖上，得q、k點。從q、k點以松散層移

7、動角作直線，與基巖面相交于q1、k1。再從q1、k1點以基巖走向移動角作斜線。 (6)將剖面上的m2、n2點分別水平投影到剖面圖上，與剖面上從q1、k1點以作出的斜線相交，得q2、k2和q3、k3。 q2、k2為煤柱上邊界線在剖面上的投影， q3、k3為煤柱下邊界線在剖面上的投影。 (7)將q2、k2和q3、k3分別投影到平面圖上，得B、C、D、A，依次連接A、B、C、D各點，該梯形即為所求保護煤柱的平面圖。 (8)計算因留設保護煤柱而呆滯的煤量Q，即 式中A為平面圖上保護煤柱的面積，為煤的質量密度。 在煤礦生產實踐中，保護煤住的邊界線均用紅線表示。（2） 垂線法垂直斷面圖留設保護煤柱存在兩方

8、面不足：留設了多余煤柱，浪費資源；對于鐵路、公路等線性構筑物，將受護對象歸化走向、傾向方向幾乎不可能垂線法實際上是斜向斷面法，可用斜向移動角留設，煤層傾角采用偽傾角留設保護煤柱步驟如下：（一）確定受護面積邊界在建筑物保護范圍外圈出一圍護帶得到保護邊界 （二）確定松散層保護邊界從保護邊界點向外作垂線，垂線長度為（松散層保護邊界） S松散層保護邊界寬度；h松散層厚度；松散層移動角（三）確定保護煤柱邊界指向上山方向垂線長：指向下山方向垂線長：H計算點處煤層的埋藏深度；h松散層厚度；各受護邊界和煤層走向所夾得銳角；煤層傾角；，斜交剖面上的斜交移動角例9-2 例9-1中建筑物的保護煤柱也可用垂線法來留設

9、，其方法和步驟如下：(1)確定受護邊界。在平面圖上先確定需要保護的范圍，然后加圍護帶s=15m，得受護邊界1234。(2)在受護邊界各點1、2、3、4處，向外按寬度畫出矩形，即得表土層與基巖面上的受護邊界1、2、3、4 (3) 從1、2、3、4各點分別作線段12和14、21和23、32和34、43和41的垂線，垂線的長度q(上山垂線長)、l（下山垂線長）可按下式進行計算，其具體的值列于表中。 (4)在各垂線上按比例截取其垂線長得點5、6、7、8、9、10、11、12，依次連接各點并相交于、。四邊形即為用垂線法留設的保護煤柱。(5)計算因留設保護煤柱而呆滯的煤量立井與工業(yè)場地保護煤柱的留設1）

10、第一類：深度大于和等于400m的主副井保護煤柱用邊界角圈定，如圖所示2）第二類：深度小于400m的主副井及各類風井、注砂井保護煤柱以移動角圈定3）第三類：穿過急傾斜煤層的立井在煤層傾向剖面上以下盤移動角圈定保護煤柱的下山方向邊界，在煤層走向剖面上，以走向移動角圈定保護煤柱的邊界4）第四類：穿過有滑移危險的軟弱巖層、軟煤層及高角度斷層（斷層面延至基巖面）的立井此時，除按前三類規(guī)定留設保護煤柱外，還應加設防滑煤柱5）第五類：地表為山地的立井為了防止山地發(fā)生滑坡引起井筒破壞，一般應在井筒所在斜坡的上下坡兩側加大煤柱尺寸鐵路保護煤柱的留設方法比較簡單：1）首先確定受護面積邊界：在平面圖上沿著線路圈出受

11、護對象范圍，再留出圍護帶，得到受護面積邊界；2）然后根據鐵路線形狀間隔選擇適當剖面，采用斜交剖面移動角、確定各個剖面上的煤柱范圍（有松散層時先用松散層移動角畫線至基巖面）；3）最后將各個剖面上的煤柱邊界投影到平面圖上，相連后即得到鐵路保護煤柱邊界采動區(qū)建筑物變形破壞機理對建筑物影響主要移動變形值包括下沉、水平移動、傾斜、曲率、水平變形，各種變形值影響不同一、地表移動變形對建構筑物的影響1、下沉均勻下沉對建構筑物無影響，但當潛水位高時，有影響。2、水平移動地表水平移動對建構筑物影響很小。3、傾斜對底面積小、高度大的建構筑物影響大?？赡軐е缕鋬A覆改變道路、排水溝等的坡度4、曲率正曲率；房屋中央所產

12、生的應力大于原有的應力，易在建筑物的頂部出現裂縫并向下發(fā)展，裂縫呈倒八字形；負曲率：房屋兩端地表應力增大，易形成底部出現裂縫并向上發(fā)展，裂縫呈正八字形。5、水平變形拉伸變形：建筑物受拉，出現豎向拉裂縫壓縮變形：建筑物受壓，出現墻壁、地基壓碎，地板鼓起，產生剪切和擠壓裂縫，可使門窗洞口擠成菱形，磚砌體墻產生水平裂縫，縱墻或圍墻產生褶曲或屋頂鼓起 6、剪切變形縱橫墻基礎向相對錯動，轉動。7、扭曲變形墻兩邊傾斜不同，導致產生扭曲變形。位于采動區(qū)不同位置對建筑物損害的影響建筑物破壞與以下因素有關：建筑物長度越大，承受地表變形的能力越弱，即建筑物短軸方向承受變形能力大于長軸方向；建筑物承受壓縮變形的能力大于承受拉伸變形的能力；房屋承受扭曲變形的能力最低；采空區(qū)邊緣區(qū)為變形最大的區(qū)域，中間區(qū)下沉大但變形小采動區(qū)建筑物損壞等級評定指標建筑物損害評定指標主要采用三種指標：允許變形指標總變形指標點數法一、允許變形指標法1、中國采用傾斜、曲率、水平變形作為評定指標2、英國將地表水平變形、建筑物長度及建筑物的破壞程度聯系在一起二、總變形指標法