保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)-理工大

1、 開采損害與保護(hù)Mining damage and protection第四章 保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)Chapter 4 Protective coal pillar design342地表移動(dòng)和變形觀測(cè)保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì) 5建筑下采煤 7鐵路下采煤地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)6水體下采煤 1地表移動(dòng)和變形規(guī)律 概述垂直斷面法12第四章 保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)垂線法31 由于煤礦地下開采范圍大、開采層數(shù)多而開采深度有限，開采的影響一般都能發(fā)展到地表，波及到上覆巖層與地表的一些與人類生產(chǎn)和生活有密切關(guān)系的對(duì)象，如湖泊、河流、鐵路、公路、民用住宅和工業(yè)廠房、管道、農(nóng)田水利設(shè)施以及并下工程等，使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，居民的居住安全

2、得不到保證。如下圖所示。 因此，必須采取措施進(jìn)行防護(hù)，以減小或者完全避免地下開采的有害影響。留設(shè)保護(hù)煤柱，就是其中的措施之一。 4.1 概述 留設(shè)保護(hù)煤柱的目的留設(shè)保護(hù)煤柱的目的留設(shè)保護(hù)煤柱的目的1 留設(shè)保護(hù)煤往雖然是保護(hù)上覆巖層和地面建筑物、構(gòu)筑物不受開采影響的一種比較可靠的方法，但也存在如下缺點(diǎn)： 1有一部分煤炭留在地下暫時(shí)或永遠(yuǎn)不能采出，造成大量煤炭資源的損失，縮短礦井生產(chǎn)年限； 2由于留設(shè)保護(hù)煤柱，使采掘工作復(fù)雜化和采掘工程量增大 3、還會(huì)導(dǎo)致局部礦壓集中，給礦井生產(chǎn)造成危害。 4.1 概述 保護(hù)煤柱是指專門留在井下不予采出的、目的是保護(hù)其上方巖層內(nèi)部和地表的上述保護(hù)對(duì)象不受開采影響的

3、那部分煤體。保護(hù)煤柱的定義 留設(shè)保護(hù)煤柱的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)1: 煤炭資源浪費(fèi)缺點(diǎn)2: 采掘工作復(fù)雜留設(shè)保護(hù)煤柱的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)3:局部礦壓集中，給礦井生產(chǎn)造成危害。 1 由于采礦引起的巖層與地表移動(dòng)，使得位于其影響范圍內(nèi)的井巷、地面建筑物和構(gòu)筑物、地表水系及含水層等遭受不同程度的損壞。 為了保護(hù)某些重要的建（構(gòu)）筑物、水體等，使其免遭采動(dòng)損害的影響，有時(shí)需要在井下留設(shè)保護(hù)煤柱，特別是對(duì)小范圍內(nèi)的重要建筑物，在淺部開采時(shí)留設(shè)保護(hù)煤柱還是必要的。4.1 概述 設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的必要性14.1 概述4.2 垂直斷面法 4.3 垂線法本章內(nèi)容提要 14.2 垂直斷面法 怎么設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱?-保護(hù)煤柱的留設(shè)原理1煤層4

4、.2 垂直斷面法 14.2 垂直斷面法 1煤層4.2 垂直斷面法 14.2 垂直斷面法 14.2 垂直斷面法 1留設(shè)煤柱而呆滯的煤量Q為:式中, -煤層的傾角;-煤的質(zhì)量密度m-煤層厚度A-平面圖上保護(hù)煤柱的面積4.2 垂直斷面法 1掌握幾個(gè)概念:移動(dòng)角松散層移動(dòng)角圍護(hù)帶4.2 垂直斷面法 1 正確選取移動(dòng)角是保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 那么,什么叫移動(dòng)角?4.2 垂直斷面法 1 移動(dòng)角-地表移動(dòng)盆地主斷面上三個(gè)臨界變形值中最外邊的一個(gè)臨界變形值點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為移動(dòng)角。 走向方向：；下山：；上山：；底板。 一般建筑物低于級(jí)損壞（裂縫寬度小于4mm）。磚石結(jié)構(gòu)房屋的臨界

5、變形值為 4.2 垂直斷面法 14.保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì) 1什么叫松散層移動(dòng)角?4.2 垂直斷面法 1松散層移動(dòng)角-用基巖移動(dòng)角自采空區(qū)邊界劃線和基巖松散層交接面相交于B點(diǎn)，B點(diǎn)至地表下沉為10mm處的點(diǎn)C連線與水平線在煤柱一側(cè)所夾的銳角，用表示。它不受煤層傾角的影響，主要與松散層的特性有關(guān)。4.2 垂直斷面法 1什么叫圍護(hù)帶?4.2 垂直斷面法 1 保護(hù)煤柱留設(shè)時(shí)，由于地質(zhì)采礦條件的差異、移動(dòng)角的誤差、井上下位置關(guān)系的不準(zhǔn)確等因素的影響，使得所留設(shè)的保護(hù)煤柱的尺寸和位置出現(xiàn)偏差。因此，留設(shè)的保護(hù)煤柱應(yīng)具有一定的備用尺寸。加備用尺寸的方法如下:4.2 垂直斷面法 1 目前在保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)中，一般在地面

6、上加圍護(hù)帶，即根據(jù)建筑物不同的保護(hù)級(jí)別，從建筑物邊界向外擴(kuò)展一定的范圍，作為設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的受保護(hù)邊界。4.2 垂直斷面法 礦區(qū)建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí)，如下表所示。 1礦區(qū)建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí) 4.2 垂直斷面法 保護(hù)等級(jí) 主 要 建 筑 物 和 構(gòu) 筑 物 國(guó)務(wù)院明令保護(hù)的文物和紀(jì)念性建筑物；一級(jí)火車站，發(fā)電廠主廠房；在同一跨度內(nèi)有兩臺(tái)重型橋式吊車的大型廠房、平爐、水泥廠回轉(zhuǎn)窖、大型選煤廠主廠房等；特別重要或特別敏感的、采動(dòng)后可能導(dǎo)致發(fā)生重大生產(chǎn)、傷亡事故的建（構(gòu)）筑物；鑄鐵瓦斯管道干線，大、中型礦井主要通風(fēng)機(jī)房，瓦斯抽放站，高速公路，機(jī)場(chǎng)跑道，高層住宅樓等 高爐、焦化爐，220KV以上

7、超高壓輸電線路桿塔，礦區(qū)總變電所，立交橋；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，設(shè)有橋式吊車的工業(yè)廠房、鐵路煤倉(cāng)、總機(jī)修廠等較重要的大型工業(yè)建（構(gòu)）筑物；辦公樓，醫(yī)院，學(xué)校，劇院，百貨大樓，二級(jí)火車站，長(zhǎng)度大于20m的兩層樓房和三層以上多層住宅樓；輸水管干線和鑄鐵瓦斯管道支線；架空索道，電視塔及其轉(zhuǎn)播塔 無吊車設(shè)備的磚木結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，三、四級(jí)火車站，磚木、磚混結(jié)構(gòu)平房或變形縫區(qū)段小于20m的二層樓房，村莊磚瓦民房；高壓輸電線路桿塔，鋼瓦斯管道等 農(nóng)村木結(jié)構(gòu)承重房屋，簡(jiǎn)易倉(cāng)庫(kù)等1礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)煤柱的圍護(hù)帶寬度4.2 垂直斷面法 建筑物和構(gòu)筑物的保護(hù)等級(jí) 圍護(hù)帶寬度s (m) 20 15 10 51

8、保護(hù)煤柱留設(shè)所需的資料： 1保護(hù)對(duì)象（如工業(yè)廣場(chǎng)、房屋、鐵路、立井等）的特征及使用要求，礦區(qū)的地質(zhì)條件及煤層埋藏條件； 2符合精度要求的必要的圖紙資料，如井田地質(zhì)剖面圖，煤層底板等高線圖，井上下對(duì)照?qǐng)D； 3礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù)以及斷層、背向斜等地質(zhì)構(gòu)造情況。4.2 垂直斷面法 1垂直斷面法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的方法和步驟 4.2 垂直斷面法 1 如下圖，要設(shè)計(jì)一群重要建筑物的保護(hù)煤柱，保護(hù)等級(jí)為級(jí)，保護(hù)面積的平面形狀為矩形，面積為100m200m，長(zhǎng)軸與煤層走向斜交=60。煤層傾角a=30，煤層在保護(hù)范圍中央處的埋藏深度H0=250m地面標(biāo)高為零，松散層厚度h=40m，煤層厚度m=2.5m。該地區(qū)的移動(dòng)角

9、參數(shù)為：=55，=73，=45， 4.2 垂直斷面法 mnabcd11步驟： （1）確定受護(hù)邊界：沿煤層走向和傾向確定受護(hù)對(duì)象的邊界，按保護(hù)等級(jí)加圍護(hù)帶，得到受護(hù)邊界； （2）確定保護(hù)煤柱邊界：在受護(hù)面積邊界與煤層走向平行或垂直時(shí)所作的垂直剖面上，在松散層和基巖內(nèi)分別用移動(dòng)角和、畫直線，作出保護(hù)煤柱邊界。 （3）計(jì)算因設(shè)置保護(hù)煤柱而留滯的煤量。4.2 垂直斷面法 14.1 概述4.2 垂直斷面法 4.3 垂線法本章內(nèi)容提要 14.3 垂線法 什么叫斜向移動(dòng)角？1如右圖所示，保護(hù)邊界與煤層走向斜交成角，在沿保護(hù)對(duì)象長(zhǎng)軸方向的斷面圖上作保護(hù)煤柱時(shí)，就不能用主斷面上的移動(dòng)角、，而需用斜向移動(dòng)角來設(shè)計(jì)

10、保護(hù)煤柱。 和 分別表示任意斜向斷面上的下山移動(dòng)角和上山移動(dòng)角。 4.3 垂線法abba14.3 垂線法 任意斜向斷面上的斜向移動(dòng)角 、 可根據(jù)地表移動(dòng)觀站獲得的主斷面上的移動(dòng)角、 及斜向斷面與煤層走向的交角來確定。 14.3 垂線法 斜向移動(dòng)角的求解？1 如右圖，設(shè)有一開采單元s，它在走向、下山方向和上山方向的影響范圍可用移動(dòng)角、 來確定。 根據(jù)地表移動(dòng)變形規(guī)律，可假定：開采單元面積在地表的影響范圍為一個(gè)橢圓，該橢圓由兩個(gè)半橢圓組合而成。 4.3 垂線法 單元s開采的影響范圍 y下scy上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao 1 取x軸沿走向，y軸沿傾向。若保護(hù)邊界

11、EF位于開采單元的下山方向，且與影響橢圓切于M點(diǎn)，即從保護(hù)邊界向偽上山方向作保護(hù)煤柱邊界點(diǎn)。 保護(hù)邊界線與煤層走向的夾角為，設(shè)保護(hù)邊界至開采單元的水平垂距為p。 4.3 垂線法 單元s開采的影響范圍 y下scy上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao 14.3 垂線法 橢圓方程： 求導(dǎo)得： 在橢圓上，故直線EF的方程為：在切線EF上，則 （1）（2）對(duì)比（1）和（2）可知，y下scy上G（x0,y0）M（x1,y1）bbPEFcxaHbbHsao單元s開采的影響范圍 （3）將（3）及P=Hctg代入式（1）得：1 對(duì)于矩形建筑物，可由 和兩個(gè)角表示與煤層走向的方位， 是

12、保護(hù)邊界BC與煤層走向之間的夾角，是保護(hù)邊界AB與煤層走向之間的夾角。 4.3 垂線法 同理，也可以求出保護(hù)邊界向偽下山方向作保護(hù)煤柱的斜向移動(dòng)角 為：ABDC式中的角是保護(hù)煤柱邊界線與煤層走向線所夾的銳角。 1垂線長(zhǎng)度q、l 如何計(jì)算 ？ 4.3 垂線法 1 右圖為通過a點(diǎn)并與建筑物保護(hù)邊界線垂直的斷面圖。保護(hù)邊界與煤層走向相交成角，而此斷面與煤層走向相交成90-角，為煤層的偽傾角。 l H-h 4.3 垂線法 1從下圖可知: 故有： 4.3 垂線法 1。因此有： l H-h 4.3 垂線法 14.3垂線法 怎么用垂線法設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱？ 步驟。1步驟： （1）確定受保護(hù)邊界。在平面圖（圖4-7

13、）先確定需要保護(hù)的范圍，然后加圍護(hù)帶s=15m，得受保護(hù)邊界1-2-3-4；4.3 垂線法 321-400m30s10119876526030112443CBADr-300m-200m-100m1（2）在受保護(hù)邊界各點(diǎn)1、2、3、4向外按寬度r=hctg劃出矩形1-2-3-4，即得表土層與基巖接觸面上的受保護(hù)邊界； 4.3 垂線法 321-400m30s10119876526030112443CBADr-300m-200m-100m1（3）從1、2、3、4各點(diǎn)分別做出線段1-2和1-4、2-1和2-3、3-2和3-4、4-3和4-1的垂線。321-400m30s10119876526030112443CBADr-300m-200m-100m 上山方向的垂線長(zhǎng)q為：下山方向的垂線長(zhǎng)l為：式中，H為1、2、3、4位置的煤層埋藏深度，它可以從煤層底板等高線圖上量?。粸楦魇鼙Ｗo(hù)邊界與煤層走向所夾的銳角 q1q3q2l1l2l3l4q44.3 垂線法 1已知數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果列于下表。 角點(diǎn)號(hào) 1 2 3 4H 350 290145205Hh 310 250105165垂線1-51-62-72-83-93-