4第四章 保护煤柱的设计
保护煤柱设计
保护等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
宽度(m)
20 15 10 5
三、垂直剖面法设计保护煤柱
作图法: 沿煤层走向和倾向作剖面，在剖面上由岩层移 动角确定煤柱宽度，并投影到平面图上，得到 保护煤柱边界。
所需资料： 移动角 煤层底板等高线 井田地质剖面 井上下对照图
ⅠⅠ
m φ γ m1
n
h
φ
n1 β
n2
m2
q
φ δ
q1
q2
q3 ⅠⅠ
k
h
φ
k1 δ
-100
k2
-150 -200
-250
-300
k 3 -350
ⅠⅠ
ⅠⅠ
A(q 3)
a
q b B(q 2)
结果为对称的梯形。
a′ b′
注意的问题：梯形上
Ⅰ
Ⅰ 下边与煤层走向平行。
m2 m
n n2
d′ c′
作图法比较简单，但
d kc D(k 2)
增大了煤柱尺寸，煤 柱损失较大。
x cos y sin 1
p
p
y1 b2
s in
p
x1 cos
a2
p
b2 sin
y1 p
x1
a2 p
c os
将x1,y1代入椭圆方程
(x1, y1)满足椭圆方程
b
bC
x12 a2
y12 b2
1
Y
θ
K
p
p′
o
c
a4 p2
cos 2
a2
b4 p2
s in
2
b2
1
C
·M·(x1,y1)
XL
关于建筑物（村庄）保护煤柱设计方法的思路解析
关于建筑物（村庄）保护煤柱设计方法的思路解析摘要：为了合理开采煤炭资源，保护建筑物（构筑物）、水体、铁路、主要井巷和地面生态环境，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）规范要求，根据不同的地形地貌及地质条件，选用垂线法计算保护煤柱，并通过公式变换，进一步提高保护煤柱设计的合理性及经济性。
关键词：建筑物、保护煤柱、垂线法、移动角为了合理开采煤炭资源，保护建筑物（构筑物）、水体、铁路、主要井巷和地面生态环境，根据《煤炭法》《矿产资源法》《土地管理法》《煤矿安全规程》等法律，2017年5月17日国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局、国家铁路局四部委联合下发了《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（安监总煤装〔2017〕66号）。
本文主要根据“规范”，并结合东峰煤矿实际地形地貌及地质条件，简述建筑物（村庄）保护煤柱的留设方法。
一、参数确定根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》第十五条规定，特级建筑物保护煤柱按边界角留设，其他建筑物保护煤柱按移动角留设。
矿区内村庄保护等级为Ⅲ级，村庄保护煤柱按移动角留设。
松散层及基岩厚度参照邻近钻孔的资料确定。
根据煤炭工业出版社出版煤炭科学研究总院中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会组织编写的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中提供的地表移动实测数据，晋城（二叠系）东峰煤矿3108工作面的实测数据计算为，松散层移动角φ取45°，上山移动角β、下山移动角γ、走向移动角δ均取72°。
二、受保护建筑物调查及维护带确定受护对象为避免煤矿开采影响破坏而需要保护的对象。
围护带设计保护煤柱划定地面受护对象范围时，为安全起见沿受护对象四周所增加的带形面积。
建筑物受护范围边界用下列方法确定：（一）在平面图上通过受护对象角点作矩形，使矩形各边分别平行于煤层倾斜方向和走向方向；在矩形四周作围护带，该围护带外边界即为受护范围边界。
建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程有关规定
建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程有关规定1 矿区建（构）筑物保护煤柱等级划分Ⅰ级高速公路、国家一级铁路、一等火车站、机场跑道、高层住宅楼······Ⅱ级一级公路、国家二级铁路、二等火车站、立交桥······Ⅲ级国家三级铁路、三、四等火车站······Ⅳ级农村木结构承重房屋、简易仓库等，工矿企业专用铁路（一、二、三级）2 建（构）筑物各保护等级煤柱的围护带宽度保护煤柱等级ⅠⅡⅢⅣ围护带宽度（m）20 15 10 53 确定建筑物保护煤柱的允许地表变形值采用下列数值倾斜i＝±3mm/m曲率k＝±0.2×10－3m水平变形ε＝±2mm/m4 “第四章铁路保护煤柱留设与压煤开采”中的有关规定4.1 必须在矿井、水平、采区设计时确定保护煤柱的铁路线路和与其配套的建（构）筑物为：①国家一、二、三级铁路：薄及中厚煤层的采深与单层采厚比小于60；厚煤层及煤层群的采深与分层采厚比小于80。
薄煤层煤层厚≤1.3米中厚煤层煤层厚1.3～0/5米厚煤层煤层厚＞0/5米②工矿企业专用铁路：薄及中厚煤层的采深与单层采厚比小于40；厚煤层及煤层群的采深与分层采厚比小于60。
③铁路隧道。
④全长大于20米的铁路桥。
⑤一、二级铁路线上的一、二等铁路车站。
⑥目前条件下采用改道或不留设煤柱方法处理在技术上不可能或经济上不合理的铁路线路或其他建（构）筑物。
⑦有严重滑坡危险而又难以处理的铁路线路。
4.2 上述各类铁路保护煤柱，在其条件符合下列规定时，允许进行开采或试采①允许采用全部跨落法进行开采，如表3-1。
如表3-1②允许采用全部跨落法进行试采，如表3-2。
表3-2③铁路下采煤时，即使采深采厚比符合①、②条规定，其最小深度中的基岩厚度必须大于跨落带厚度。
保护煤柱设计ppt课件
所需资料： 移动角 煤层底板等高线 井田地质剖面 井上下对照图
ⅠⅠ
m φ γ m1
n hφ
n1 β
n2
m2
q
φ δ
q1
q2
q3 ⅠⅠ
k
h
φ
k δ 1
-100
k2
-150 -200
-250
-300
•采用不搬迁或就地重建采煤在技术上不可能 或经济上不合理，搬迁又无法实现或在经济 上严重不合理的建筑物或构筑物。
需要留设保护煤柱的地面建筑物
• 采后重要建筑物或构筑物所在的地表可能产 生抽冒、切冒、滑坡等形式的塌陷漏斗坑、 突然下沉或滑动崩塌，造成对重要建（构） 筑物地基严重破坏的。
• 建（构）筑物所在的地表下面潜水位较高， 采后因地表下沉导致建（构）筑物及其附近 地面积水，又不能自流排泄或采用人工排泄 方法经济上不合理的。
h
h
采深不同，煤柱留设宽度不同，采深愈大，煤柱留设 宽度愈大。冲积层愈厚，煤柱留设宽度愈大
2）围护带
保护面积=建筑物本身+围护带
围护带的：
抵消移动角的误差测量中井上下 位置不准确误差
围护带尺寸取决于建筑物的重要 性和破坏后的后果。
保护等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
宽度(m)
20 15 10 5
三、垂直剖面法设计保护煤柱
级铁路线上的一、二级铁路车站； 5、采用其他方法处理，技术上不可能或经济上
不合理的铁路及其建筑物； 6、有严重滑坡危险又难以处理的铁路线；
铁路保护煤柱留设
以铁路保护煤柱为例推导任意剖面处垂线 长度
防水煤柱设计
第一章概况第一节目的和任务为认真贯彻落实《国家安监总局，国家煤矿安监局关于进一步加强煤矿水害防治工作的通知》的通知，进一步加强水害防治工作，采取切实有效措施，杜绝透水事故的发生，确保安全生产。
一、主要地质依据：1、1990年山西省煤炭地质144勘察院（原山西煤田地质勘探144队）编制的《山西省沁源县详查勘探地质报告》；2、2009年2月山西省煤炭地质144勘查院编制的《山西黄土坡煤焦有限责任公司一矿矿井调查报告》；3、2010年3月，山西省煤炭地质114勘查院编制的《山西黄土坡鑫能煤业有限公司水文补充勘探报告》；4、依据《煤矿防治水规定》、《煤矿安全规程》二、编制设计的技术要求1、符合矿井实际，科学合理。
2、对不同的水文地质区域及地质构造进行防水隔离煤柱设计。
第二节煤矿位置一、位置黄土坡鑫能公司位于山西省沁源县小岭底村以东500ｍ处，行政区录属聪子峪乡管辖。
地理坐标为：北纬：36°48′47″--------36°50′20″=东经：112°11′16″------112°13′01″矿区范围由以下5个坐标连线圈定：（1980西安坐标系）1、X=4080372.23 Y=19612080.952、X=4076481.39 Y=19612080.953、X=4076481.36 Y=19605930.964、X=4078651.36 Y=19605930.955、X= 4079441.38 Y=19608480.95矿区形态为一直角梯形，南北长2170--3891ｍ，东西宽6150ｍ，面积18.8723Kｍ2，开采矿井2#—11#号煤，开采深度由1480ｍ至1020ｍ标高。
二、交通汾（阳）-屯（留）公路线从矿区西部通过，向北60K ｍ可达南同蒲铁路的平遥车站，也可与大（同）-运（城）高速公路接运，向南经郭道镇可达沁县城关与太焦铁路线相连。
本矿交通比较方便（见1-2-1交通位置图）。
煤矿矿井保护煤柱设计
(sin 3cos 2tan ')cot 3 d HB KH B 2(tan 'cos 2sin 2)
中 国 矿 业 大 学
• 式中：ρ’ —软弱面（有时为岩层与煤层的 接触面）上的内摩擦角，当无实测值时， 取ρ’=13°； • α3 —煤层露头至α=ρ’的点其间煤层的平均 倾角； • α2 —向斜无建筑物一翼的煤层倾角； • HB —α=ρ’的点处的煤层埋藏深度； • K —系数，可查表获得。
φ M N I φ II β II n A βI φ m M N M φ γ=α1 φ β γ m β n m' Om On N φ γ n n' β
βI I β II II m
(a)
M ¦Υ ¦Β m N φ γ A β n φ γ m M
(c)
N φ M γ n φ γ N φ γ
(f)
300 750 矿井设计深度
(b)
(d)
(e)
中 国 矿 业 大 学
– （1）建筑物位于向斜轴部上方时，保护煤柱边界的圈定： • ①在煤层倾向剖面上由受护面积边界点M、N，以φ角 作直线至基岩面Ⅰ、Ⅰ点。 • ②在基岩内，由于向斜翼上煤层倾角的变化，在采用 β = δ－k α（式中δ为走向移动角，α为煤层倾角，k为 系数）确定保护煤柱上边界时，应选用不同的α值。 为计算方便，按倾角相差10°为间隔，用αⅠ求出βⅠ ， 由Ⅰ点以βⅠ作直线交于Ⅱ点。 • ③用αII 求出βⅡ，由Ⅱ点以βⅡ作直线至煤层底板m、n 点。如果在Ⅱ点至煤层之间，岩层的倾角仍变化很大， 则仍按上述原则确定出点Ⅲ、Ⅳ……直至煤层底板。 • ④煤层走向剖面保护煤柱边界的圈定方法是过向斜轴 面与煤层交点O处作走向剖面，以φ、δ角在松散层和 基岩内作直线，得出保护煤柱的上、下边界。
保安煤柱设计
保
1. 巷道煤柱按以下公式计算
()
f 0.6M 2.5H S 1+=
式中： S 1——巷道保护煤柱的水平宽度，m ； H ——巷道的最大垂深，取390m ；
M ——煤层厚度，m ，取4号煤层最大厚度3.10m ； f ——煤的强度系数，取2。
()f
0.6M 2.5H S 1+==()2 3.10.62.5390⨯+=29.16（m ） 巷道煤柱取30m 。
2. 断层煤柱按下列计算：
L=0.5KM P K 3P
式中: L ——煤柱留设的宽度，m ；
K ——安全系数（一般取2～5）；
M ——煤层厚度或采高，m ，取4号煤层最大厚度
3.10m ；
P ——水头压力，Mpa ，（877.7-550）×9.8×103-=3.21Mpa ；
Kp ——煤的抗张强度，取0.6Mpa 。
L=0.5KM p K P
3=0.5×4×3.106
.021.33⨯=24.84m
断层煤柱取30m
井田边界煤柱留20m，大巷之间留30m，大巷两侧留30m 煤柱，断层煤柱留30m，采空区边界留20m。
工业场地及井筒按一级保护，村庄按三级保护，按场地外沿外扩20m保护带，再根据表土层和基岩厚度（表土移动角45。
，基岩移动角72。
）计算保安煤柱。
第四章保护煤柱留设-煤矿开采损害与保护
第二节 保护煤柱留设原理 留设保护煤柱的实质就是根据已掌握的地表 移动变形规律，在煤层层面上圈定一个保护煤柱 的边界，回采仅在该边界之外进行，已使开采的 影响不波及到需要保护的范围。 保护煤柱的边界是从受保护范围的边界起， 按移动角 δ 、 β 、 γ （主断面）上和斜向移动角 δ′ 、 β′、γ′（任意斜向断面上）所作的保护临界面与煤 层层面的交线。 如图4-1所示，地面上有一座需要保护的建筑 物ABCD，其受保护范围不是建筑物的外边界所圈 定的区域，而是过建筑物各角点平行于煤层走向 和倾向的四条直线所围成面积a0b0c0d0。
第二节 保护煤柱留设原理 从平面图上量出保护煤柱的面积A，根据煤层的倾 角 和煤的质量密度 及煤层厚度m，则可确定出 因留设煤柱而呆滞的煤量Q为:
Q A m cos
（4-1）
正确选取移动角是保护煤柱设计的关键。移动 角是指在充分采动或接近充分采动的条件下，主断 面上临界变形值的点和开采边界的连线与水平线在 煤柱一侧所夹的角。 一般建筑物低于Ⅰ级损坏（裂缝宽度小于4mm）。 砖石结构房屋的临界变形值为
第二节 保护煤柱留设原理
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:
在地面上加维护带 加维护带在煤层层面上加维护带 加备用尺寸 （s 30 H / 6，s为维护带宽度，H为深度） 减小移动角 2 5
1．新设计的矿井和生产矿井在留设建筑物保护煤柱时， 应有相应的图纸和文字说明。其内容，包括地质开采技术条 件，受保护对象概况，留设煤柱的必要性，选取的参数及压 煤量计算。 2．煤柱留设和变更的批准权限如下： （1）国家一级铁路和二级铁路，对矿井安全生产有严 重威胁的水体，大型矿井的主要井筒及工业场地，县以上城 镇及大型工厂，压煤量超过50万吨的其它建筑物、水体、铁 路及主要井巷煤柱的留设，必须报省、市、自治区煤炭管理 部门批准、备案。 （2）上述以外的建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱 的留设，必须报矿务局总工程师 批准，报省、市、自治区煤炭管理部门备案。 （3）各类煤柱应按留设标准严加控制，不得任意变更， 特殊情况下非改变不可时，须按上述批准权限重新报批。
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1
13
4.2 垂直断面法
留设煤柱而呆滞的煤量Q为:
Q A cos m
式中, ----煤层的倾角;
A----平面图上保护煤柱的面积 ----煤的质量密度 m----煤层厚度
1
14
4.2 垂直断面法
掌握几个概念: 松散层移动角
移动角
围护带
1
15
4.2 垂直断面法
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?
1
18
4.2 垂直断面法
什么叫松散层移动角?
1
19
4.2 垂直断面法
松散层移动角----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φ表示。它不受 煤层倾角的影响，主要与松散层的特性有关。
1
20
4.2 垂直断面法
1
B
θ"
C D
A θ´39Fra bibliotek4.3 垂线法
垂线长度q、l 如何计算 ？
1
40
4.3 垂线法
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θ角，而此断面与 煤层走向相交成90θ角，α′为煤层的 伪倾角。
H-h
l
1
41
4.3 垂线法
从下图可知:
O B O A cos
1
l
43
4.3垂线法
怎么用垂线法设计保护煤柱？
——步骤。
1
44
4.3 垂线法
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；
9 -100m 11
30º
C 10
3´
3
s
B
-200m 12 -300m
8
4 r
2´
4´
2
30º
加备用尺寸
H 为深度）
1
22
4.2 垂直断面法
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。
矿区建筑物和构筑物的保护等级，如下表所示。
1
23
4.2 垂直断面法
矿区建筑物和构筑物的保护等级
保护 等级 Ⅰ 主 要 建 筑 物 和 构 筑 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 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、 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
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
1
地表移动和变形规律
2
3 4 5 6
地表移动和变形观测 地表移动和变形预计
保护煤柱的设计
建筑下采煤
水体下采煤
7
铁路下采煤
第四章 保护煤柱设计
1
a
b
θ
a β’
b γ’
33
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θ
来确定。
1
34
4.3 垂线法
斜向移动角的求解？
1
35
4.3 垂线法
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，该椭圆 由两个半椭圆组合而成。
38
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γ ′为：
ctg ctg
2
cos
2
ctg sin
2
2
式中的角是保护煤柱边界线与煤层走向线所夹的锐角。
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。
tg
OO O A
tg
OO O B
O O O Atg O Btg
故有： tg tg cos
1
42
4.3 垂线法
tg ( H h ) h1 q
tg ( H h ) h2 l
tg
a H ctg
y上 o c b θ a b P θ x F
c
H
γ β
Δs
a G（x0,y0） M（x1,y1）
y下 E b b
H
δ δ
b H ctg
c H ctg
1
Δs
单元s开采的影响范围
36
4.3 垂线法
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θ，设保护边界至开 采单元的水平垂距为p。
1
5
4.1 概述
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。
D
7
6 5 -400m
A
1
46
4.3 垂线法
（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：
q
9
C 10
l2 3´ l3 l4
30º
-100m
11 4
4´ q4
1
26
4.2 垂直断面法
垂直断面法设计保护煤 柱的方法和步骤
1
27
4.2 垂直断面法
如下图，要设计一群重要建筑物的保护煤柱，保护 等级为Ⅱ级，保护面积的平面形状为矩形，面积为 100m×200m，长轴与煤层走向斜交θ=60。
Ⅰ
b
a
Ⅱ
Ⅱ
m d
n
c Ⅰ
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，
x1 cos p 2 b y1 sin p a
2
p / cos
y 1
（2）
（3）
y下 E b b
对比（1）和（2）可知，
H
δ δ
将（3）及P=Hctgβ′代入式（1）得：
ctg ctg
2
Δs
cos
2
ctg sin
2
2
1
单元s开采的影响范围
1
28
1
29
4.2 垂直断面法
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φ和β、γ、δ画直线，作 出保护煤柱边界。 （3）计算因设臵保护煤柱而留滞的煤量。
tg
h1 q
h2 l
。因此有：
tg H h l tg
H h q
tg
tg tg cos
H-h
q
( H h ) ctg 1 ctg tg cos
l
( H h ) ctg 1 ctg tg cos
p H ctg
1
y上 o c b θ a b P θ F
c x
a G（x0,y0） M（x1,y1） H
γ β
Δs
y下 E b b
H
δ δ
Δs
单元s开采的影响范围
37
M x1 , y 1
4.3 垂线法
椭圆方程： 求导得：
M x1 , y 1
x1
2
x a
2 2
2
y b
1
4
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。
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。
农村木结构承重房屋，简易仓库等
1
Ⅲ Ⅳ
24
4.2 垂直断面法
矿区建（构）筑物保护煤柱的围护带宽度
建筑物和构筑物的保护等级 围护带宽度s (m)
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
20
15 10
Ⅳ
5
1
25
4.2 垂直断面法
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。