各种保护煤柱设计及公式
保护煤柱设计
2 矿井储量、年产量及服务年限2.1井田境界井田境界应根据地质构造、储量、水文、煤层赋存情况、开采技术条件、开拓方式及地貌、地物等因素，进行技术分析后确定.一般以下列情况为界: 1．以大断层、褶曲和煤层露头、老窑采空区为界；2．以山谷、河流、铁路、较大的城镇或建筑物的保护煤柱为界；3．以相邻的矿井井田境界煤柱为界；4．人为划分井田境界。
根据鹤煤六矿一号井井田地质情况，确定该井田境界如下：大断层为界；南部以F1东部以-800水平为界；西部以-300水平为界；北部以人为划分为界。
井田南北走向涨3.8km,东西倾斜宽1.2km,井田面积约为4.31km²。
2.2井田储量2.2.1矿井工业储量本井田煤层倾角20°>15°，所以根据煤炭储量计算要求，采用斜面积和真厚度来计算储量。
矿井工业储量如表2-2-1所示。
计算公式为：Q=S*SECα*M*ρ视式中，Q——————计算块段储量，万t；S——————计算块段煤层的平面积，万m²；M——————计算块段煤层的平均厚度，m；ρ视—————计算块段煤层的平均视密度，t/m³。
代入数据，计算得:工业储量Q=4964万t。
表2-2-1 矿井工业储量汇总表2.2.2矿井设计储量矿井工业储量减去设计计算的断层煤柱、防水煤柱、井田境界煤柱和已有的地面建筑物、构筑物需要留设的保护煤柱等永久性煤柱损失量后的储量。
井田边境煤柱：井田边境保护煤柱在井田边境留设20m的保护煤柱，西边的=80.25万t。
断层边界煤柱以30m留设，则其煤柱损失量为：Q边井田及工业场地保护煤柱：按设计规范规定，年产60万t/a的中型矿井，工业场地占地面积指标为1.2公顷/10万t。
工业场地的总占地面积：S=1.2*6＝7.2公顷＝72000ｍ²。
根据垂直剖面可计算工业广场的保护煤柱的留设，计算如下：工业广场占地面积为:360*300m²，平面形状为矩形，煤层地质条件为：倾角20°，煤层在受保护范围内中央的埋深H=450m，地面标高150m，煤层底板标高-300m，松散层厚度50m，此外煤厚8.1m。
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
保护煤柱的留设
农村木结构承重房屋，简易仓库等
注：凡未列入表内的建（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，可组织专门讨论，并报省、自治区、直辖市煤矿主管部门审定。
围护带宽度/m
建筑物保护等级
围护带宽度/m
Ⅰ
20
Ⅲ
10
Ⅱ
15
Ⅳ
5
围护带宽度根据受护对象的保护等级而定，一般按表2确定：
表2矿区建（构）筑物保护等级划分
保护等级
主要建（构）筑物
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车房，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
保护煤柱的留设原则：
1、在一般情况下，保护煤柱应根据受护面积边界和移动角值进行圈定。移动角值按建筑物下列允许变形值确定：
倾斜i=±3mm/m
曲率k=+0.2×10-3·m-1
水平变形ε=+2mm·m-1
2、地面收护面积包括受护对象及其周围的维护带宽度可按下表确定：
表1建构物保护煤柱的化炉，220kV以上高压输电线路杆塔，矿区总变电站，立交桥；钢筋混凝土结构的工业厂房，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，二等火车站，长度大于20m的二层楼房和
Ⅲ
无吊车设备的砖木结构工业厂房，三、四等火车站，砖木、砖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；高压输电线路杆塔，钢瓦斯管道等
断层防护煤柱留设
附录五 “安全隔水厚度”和“突水系数”计算公式：4L t KP =式中：t----安全隔水厚度（m ）；L----采掘工作面底板最大宽度（m ）；r----隔水层岩石的容重（t/m3）;KP---隔水层岩石的抗张强度（t/m3）;H----隔水层底板承受的水头压力（tf/cm2）。
附图4—1（略）s P p T M C=- 式中 Ｔｓ-----突水系数〔kgf/(cm 2.m)〕;P-------隔水层承受的水压（kgf/cm2）;M-------底板隔水厚度（m ）；CP------采矿对底板隔以的扰动破坏厚度（m ）。
按式（1）计算，如底板隔水层实际厚度小于计算值时，就是不安全的。
按式（2）计算，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.6，正常块段不大于1.5。
附录入 各类防隔水煤（岩）柱的留设一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按以下公式计算：1、煤层露头无覆盖或被粘微透水松散层覆盖时：H 防=H 冒+H 保2、煤层露头被松散富含水层覆盖时（见附图8-1）；H 防=H 裂+H 保根据上两式计算的值，不得小于20米。
式中（H 冒）、裂高（H 裂）的计算参照附录七。
式中 H 防-----防水煤（岩）柱高度（m ）H 冒-----采报冒落带高度（m ）；H 裂-----垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m ）；H 保-----保护层厚度（m ）；a------煤层倾角（°）。
二、含水或导水断层防隔水煤柱的留设（附图8—2）可参照以下经验公式计算：0.5L = ≮20m式中： L----煤柱留设的宽度（m ）K----安全系 （一般取2—5）；M-----煤层厚度或采高（m ）；P-----水头压力（kgf/cm2）；KP----煤的抗张强度（kgf/cm2）。
三、煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（附图8—3），防水煤柱的留设：（图）1、当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防水煤柱可按附图8—3a 、b 留设。
垂线法留设保护煤柱
垂线法留设保护煤柱
1、 确定受护面积边界：
现在平面图上直接作平行于受护对象边界的直线、四边形或多边形等，再在它们的外围画出围护带，得到受护面积边界。
这种边界一般与煤层走向斜交。
2、 确定松散层保护边界
从受护面积边界向外量一段距离s ，得到松散层保护边界（见图1-1），s 的计算公式如下：
S=hctg φ
式中：S ——松散层保护边界宽度，m ；
h ——松散层厚度，m ；
φ——松散层移动角。
3、确定保护煤柱边界
垂线法留设煤柱，需要计算垂线长度，向上山方向的垂线长度为q ，向下山方向的垂线长度为l ，计算公式为：
θ
αββcos tg ctg 1)(∙∙'+'-=ctg h Hi q θαγγcos tg ctg 1)(∙∙'-'-=
ctg h Hi l 式中：Hi ——地表各点的埋藏深度，m ；
h ——松散层厚度，m ；
β',γ'——移动角；
α——煤层倾角；
θ——受护面积边界与煤层走向所交的锐角。
β'ctg =
θδθβ2222sin cos ctg ∙+∙ctg γ'ctg =θδθγ2222sin cos ctg ∙+∙ctg
式中：β，γ，δ——为峰峰矿区采用的下山、上山、走向移动角；分别采用
θ——受护面积边界与煤层走向所交的锐角。
2第二章 保护煤柱的设计
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。
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。
各类防隔水煤(岩)柱的留设
各类防隔水煤（岩）柱的留设一、煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按以下公式计算： 1、煤层露头无覆盖或被粘土类微透水松散层覆盖时： Ｈ防=Ｈ冒+Ｈ保2、煤层露头被松散富含水层覆盖时（见附图7-1）： Ｈ防=Ｈ裂+Ｈ保根据上两式计算的值，不得小于20m 。
式中冒高（H 冒）、裂高（H 裂）的计算参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。
式中：H 防-----防隔水煤（岩）柱高度（m ）； H 冒-----采后冒落带高度（m ）；H 裂-----垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m ）； H 保-----保护层厚度（m ）； α------煤层倾角（°）。
附图 6-1附图7-1二、含水或导水断层防隔水煤柱的留设（附图7-2）可参照以下经验公式计算：0.5L 20m 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 ）； P-----水头压力（kgf/cm 2）； K P ----煤的抗张强度（kgf/cm 2）。
附图 8-2附图7-2三、煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（附图7-3），防水煤柱的留设：（b）附图8-3（c）（a）附图7-31.当含水层顶面高于最高导水裂隙带上限时，防水煤柱可按附图7-3a、b留设。
计算公式为：123cosL L L L H H ctg H ctgθθα=++=++安裂裂2.最高裂隙带上限高于断层上盘含水层时，防水煤柱按附图7-3c留设。
计算公式为：()()() 123sin cos cosL L L L H ctg H M ctg ctgααθαθα=++=-++⋅+安安≥20m以上两式中：L-----防隔水煤（岩）柱宽度（m）,L1、L2、L3为分段宽度；H裂-----最大导水裂隙带高度（m）；θ----断层倾角（°）；α ----岩层塌陷角（°）；M-----断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度（m）；H安----导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度（m）。
2第二章 保护煤柱的设计
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。
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。
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1)安全煤(岩)柱种类;
井田内共发育4条断层,均为正断层,落差2、6～20m,F1、F2为勘探时地表填图控制并在井下实见,F3、F4为井下揭露。
勘探时在地表发现X1号陷落柱,并在主、副井实见,在井下生产过程中,又发现了4个陷落柱,一般为椭圆形,长轴直径最大约300m,一般150m左右。
井田内未发现岩浆侵入现象。
根据本矿的煤层赋存特征,矿井安全煤(岩)柱的种类确定如下:
井田边界煤柱;
井筒及大巷煤柱;
风氧化带防水煤柱;
采空区隔离煤柱;
断层、陷落柱保护煤柱;
地面工业场地保护煤柱;
公路及河流保护煤柱。
2)安全煤(岩)柱留设与计算结果
根据矿井防水煤(岩)柱的种类,按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定留设煤柱。
①井田边界煤柱:
本矿水文地质条件简单,井田边界煤柱采用垂直法留设,本矿留设20m。
②井筒煤柱
井筒安全煤柱的留设按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定留设,围护带宽度,按其保护等级留设。
表土层及基岩厚度参照实际揭露及邻近钻孔资料确定。
表土段移动角取45°,基岩段岩层水平移动角δ取72°上山移动角γ取72°,下山移动角β取72°—0、8α(α为煤层倾角)。
斜井井筒落底见煤处两侧各留40m。
根据矿方提供的1、2号煤层采掘工程平面图,主斜井与副斜井两侧保护煤柱
宽度不够,因此矿方在建设与生产过程中加强对井筒变形监测,同时对井筒两侧采空区进行注浆充填,减小采空区对井筒的影响。
③大巷煤柱
2号煤层开拓时大巷均沿2号煤层掘进,采用料石砌碹或锚网喷支护,2号煤层倾角3°~21°,根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》83条第1款规定采用下式进行计算:
1
S=
式中:S1——大巷保护煤柱的水平宽度(m)
H——巷道的最大垂深,(m),最大400m。
M——煤厚,(m),平均2、11m
f——煤的强度系数,10Rc
1.0
=
f
Rc——煤的单向抗压强度,MPa,取30MPa
则10Rc
1.0
=
f=1、414
129.7m
S===
设计取30m。
④风氧化带防水煤柱:
井田内1号与2号煤层均有出露,防水煤柱按50m留设。
⑤采空区隔离煤柱:
目前本井田范围内1号与2号煤层存在采空区,各采空区防水隔离煤柱按30m留设。
⑥断层、陷落柱防水煤柱
L=0、5KM
Kp
3P
式中:L――断层防水煤柱宽度,m;
M——煤层厚度或采高,由于井田内11号煤层埋藏最深,设计按11号煤
层厚度计算,取3、08m。
P——水头压力,煤层水头压力为3、018MPa;
Kp——煤的抗拉强度,11号煤层抗拉强度为0、9 MPa;
K——安全系数,取3。
经计算L = 14、6m。
井田内断层煤柱留设取20m。
陷落柱防水煤柱留设取20m。
⑦地面工业场地保护煤柱
主井工业场地处煤层埋深约20m,地面工业场地围护带宽度确定为20m,按照表土层岩层移动角45°,基岩移动角72°(表土层按20m计)进行投影计算留设。
经作图计算得工业场地保护煤柱宽度为40m。
⑧公路及河流保护煤柱。
设计为霍沁公路及柏子河在1、2、3、6、11号煤层分别留设了85m、90m、93m、140m、160m保护煤柱。