1、五、地面工业设施保护煤柱设计,5.1 保护煤柱留设原则及方法 5.1.1 保护煤柱留设原则 （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。 （2）地面受护面积包括受护对象及其周围的围护带宽度 ； （3）当受护建筑物和构筑物面积较小时，应酌情加大其保护煤柱尺寸，使建筑物受护面积内地表变形值叠加后不超过允许地表变形值。 （4）当受护边界与煤层走向斜交时，应根据基岩移动角求得垂直于受护边界线方向（即伪倾斜方向）的上山方向移动角和下山方向移动角。然后再确定保护煤柱；, 受护边界与煤层走向方向所夹的锐角； 、 分别为走向方向、上山方向和下山方向的基岩移动角。,（5）受护对象的外侧边界
2、，可以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面积边界； （6）有滑坡危险的山区建筑物留设保护煤柱时，为了防止山体滑移，在建筑物上坡方向，移动角应减小20 25；在建筑物下坡方向，移动角应减小5 10； （7）建筑物下有落差大于20 30 m断层时，保护煤柱应考虑沿断层面滑移的可能性，适当加大煤柱尺寸，使断层两翼均包括在保护煤柱范围之内； （8）立井保护煤柱应按其深度、用途、煤层赋存条件以及地形特点留设。,5.1.2 保护煤柱设计方法 对于必须留设保护煤柱的建筑物和构筑物、当其形状规整，且长轴与煤层走向或倾向平行时
3、，宜用垂直剖面法圈定保护边界； 当保护对象形状复杂，且又与煤层走向斜交时，宜用垂线法圈定保护边界；同时应用上述两种方法确定保护煤柱边界时，其重叠部分为受护对象的最合理保护煤柱； 煤层为向、背斜构造时，保护煤柱的留设方法一般用垂直剖面法，但保护边界的圈定要根据保护对象所在的构造位置和构造性质而定。,5.1.2.1 垂直剖面法 （1）确定受护边界 （2）确定保护煤柱 如下图所示，ABCD即为所求的保护煤柱边界,5.1.2.2 垂线法 （1）确定受护边界 在平面图上（图5-3）按保护对象的保护等级平行于保护对象的轮廓线留设围护带，可得受护边界abcd。 （2）确定保护煤柱 将受护边界abcd绘在煤层
4、底板等高线图上（图5-3）由受护边界向外量出距离S=hcot（h为冲积层厚度；为冲积层移动角），得在基岩面上的受护边界abcd。再从a、b、c、d四点向外作受护边界各边的垂线，各垂线在上山和下山方向的长度qi和li分别按下式计算：,式中： Hia、b、c、d各点位置的埋藏深度减去该点的冲积层厚度h； i 受护边界abcd各边与煤层走向之间所夹的锐角；当求垂直于受护边界ab的垂线长度时，i角为ab与煤层走向线间所夹的锐角；当求垂直于受护边界bd的垂线长度时，i角为bd与煤层走向线间所夹的锐角，求其余各垂线长度确定i角的方法同上； i 和i所作各垂线方向的下山和上山移动角，可根据i 角值按前式计算
5、。 然后，按计算结果分别在各垂线上量取qi 、li 值，得A、A、B、B、C、C、D、D各点，分别连接AB、AC、CD、DB各线，并使其延长相交于1、2、3、4四点，则1234即为所求保护煤柱边界。,同时应用垂直剖面法和垂线法确定保护煤柱时，其重叠部分为受护对象的最合理保护煤柱，如下图粗实线所示。,5.1.2.3 煤层为向、背斜构造时建筑物保护煤柱的留设方法,（1）建筑物位于向斜轴部上方时，保护煤柱边界的圈定： 在煤层倾向剖面上由受护面积边界点M、N，以角作直线至基岩面、点。 在基岩内，由于向斜翼上煤层倾角的变化，在采用 = k （式中为走向移动角，为煤层倾角，k为系数）确定保护煤柱上边界时，
6、应选用不同的值。为计算方便，按倾角相差10为间隔，用求出 ，由点以作直线交于点。 用II 求出，由点以作直线至煤层底板m、n点。如果在点至煤层之间，岩层的倾角仍变化很大，则仍按上述原则确定出点、直至煤层底板。 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、角在松散层和基岩内作直线，得出保护煤柱的上、下边界。,（2）建筑物位于向斜一翼上方时保护煤柱的圈定 1）当向斜构造煤岩层的倾角小于或等于45时，图b。 在倾向剖面上，有M点在冲积层内以角作直线，在基岩内以角作直线与煤层底板相交得m点，此点为保护煤柱边界。 由N点在冲积层内以角作直线，在基岩内以角作直线与煤层底板相
7、交得n点，此点为保护煤柱下边界。如果该直线与向斜轴面相交（如图b中交点A），则由交点以角作直线与煤层底板相交于n点，此点即为保护煤柱下边界。 在走向剖面上，保护煤柱边界圈定方法同前。,2）当向斜构造煤岩层的倾角45时（图c） 在倾向剖面上，保护煤柱上边界仍采用、角圈定。 保护煤柱上边界圈定方法如图c所示，由N点以角在表土层内作直线至基岩面。若有建筑物一翼的煤层平均倾角为1 ，则在基岩内以1 角作直线至向斜轴面交于A点。由A点以角作直线与煤层底板相交于n点，此点即为煤柱下边界。 为了防止保护煤柱在大倾角条件下出现滑移现象，保护煤柱应具有一定的平面尺寸，要求自保护煤柱下边界（n点）至向斜轴面的水平
8、距离小于d值。d值按下式计算：,式中： 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=13； 3 煤层露头至=的点其间煤层的平均倾角； 2 向斜无建筑物一翼的煤层倾角； HB =的点处的煤层埋藏深度； K 系数，可查表获得。,3）建筑物位于背斜轴部上方时，保护煤柱边界的圈定。 背斜两翼煤层倾角55时（图d）。 （1）在倾向剖面上，由受护面积边界以角在冲积层内作直线，以角在基岩内作直线，与煤层底板相交于m、n点，此二点即为保护煤柱边界。 （2）在走向剖面上，保护煤柱边界圈定方法同前。 背斜两翼煤层倾角55时（图e） 在倾向剖面上，如果以、所作直线不与煤层相交往下边界，则以矿井
9、设计深度作为保护煤柱下边界。 在走向剖面上，保护煤柱边界圈定方法同前。,背斜、向斜构造相连时（图f） 在倾向剖面上，由受护面积边界以角在表土层内作直线，以角在基岩内作直线，与背斜部分煤层底板相交于m、n点。 再以角在基岩内作直线，与向斜部分煤层底板分别相交于m、n点。若向斜轴面与煤层交点分别为Om和On，则m Om和n On为向斜部分的保护煤柱，mn为背斜部分的保护煤柱。 在走向剖面上，保护煤柱边界圈定方法同前。,5.2 保护煤柱设计示例 5.2.1 主井与工业广场保护煤柱的设计 5.2.1.1 主井井筒保护煤柱的设计 某矿立井井简的地质条件及冲积层和基岩移动角值见表44。保护煤柱边界的圈定如
10、下 。,（1）通过立井井筒中心沿煤层倾向和走向分别作剖面II和IIII，按I级保护建筑物在井筒周围留20 m宽的围护带，在剖面图上得m，n及k、l各点。 （2）根据冲积层和基岩的移动角值，绘出保护煤柱的边界线，在剖面II上得m1 ，n1 点，在剖面IIII上得k1、l1点。 （3）将m1 、n1 、k1、l1各点投影到平面图上，得m2、n2 、k2、l2点。过m2、n2点分别 作走向平行线，井截取线段k1 l1和gh分别等于k1 l1和gh，得梯形k1 l1 gh。连接对角线O k1 ，O g，O l1和Oh。 （4）以井简中心0为原点，分别以Om2、Ok2、On2、Ol2为半径画圆弧，并交于
11、对角线。 上；在对角线上取两圆弧与之相交的中点，得P，Q，R，S。 （5）用圆滑曲线连接m2 、P、k2、Q、n2、R、l2、S各点，即为立井井筒保护煤柱的边界。,5.2.1.2 工业广场保护煤柱的设计 工业场地保护建筑物的轮廓为abcdef（见下图）。保护煤柱边界的圈定方法如下： （1）自建筑物轮廓外侧留15m宽围护带，得受护面积边界abcdef。 （2）沿煤层倾向作剖面II，并将工业场地的受护边界投影到剖面图上，得a、f和b、c点。 （3）由a、 f和b、c点以 = 45作直线与基岩面相交。再由这四个交点分别作或角分别与煤层底板相交于a1、f1和点b1、c1。将a1、f1和点b1、c1点投
12、影到平面图上，即为煤柱在倾向上的边界点。,（4）沿煤层走向作剖面 ， ，并将工业场地的受护边界投影到剖面图上，得得a、b和e、c点。 （5）按给定的、角值和第3条所述的方法，可求得与煤层底板的交点a2、b2和e2、c2投影到平面图上，即为煤柱在走向上的边界点。 （6）在平面图上连接a1、b1和b2、c2点，并延长之；同时过点a2、e2 、f1、c1作相应受护边界的平行线。则可得保护煤柱边界ABCDEF。,5.2.2 急倾斜煤层群立井井筒保护煤术的设计 保护煤柱边界圈定方法如下（图9）： （1）过工业场地角点作平行煤层走向和倾向的直线得四边形1234。在四边形外留20 m宽围护带，得受护面积边界
13、1234。 （2）在过井筒中心的倾向剖面即A-B剖面上，过M点以 = 45作直线，交基岩面上m点；由m点以 = 55作直线，分别交m1和m2煤层于S和t点，此两点分别为两个煤层的开采下限。mst直线及矿井设计深度内所有煤层均为倾向剖面保护煤柱。 （3）在过井筒中心的走向剖面即C-D剖面上，由P、Q两点以 = 45作直线，交于基岩面p、q点；由p、q两点以 = 78作直线，两直线与设计深度所圈定的煤层，为走向剖面上的保护煤柱。 （4）在平面图画m1、 m2、 m3煤层保护煤柱边界。,5.2.3 主井防滑煤柱 立井防滑煤柱（图10）的下边界应根据煤层埋藏条件按下式计算确定：,式中：HB 开采多个煤
14、层时应留设防滑煤柱的深度，m；,5.2.5 反斜井井筒及工业广场保护煤柱设计 （1）在工业场地边界外侧留15 m宽的围护带；在斜井两侧留20 m宽的围护带，得受护面积边界abe1e1cd。 （2）过斜井轴线作倾向剖面AB。由工业场地受护边界a1、b1点以 = 45作直线与基岩面相交，由交点分别以 = 75和 = 70作直线，与煤层底板相交分别得a1、b1点。煤层与井筒在e点相交。由井底车场巷道顶板到煤层底板的垂高不应小于高度hsh。 （3）在走向剖面CD上，由p、q 点以 = 45作直线与基岩面相交，由交点以 = 75作直线，与倾向剖面上a1、b1点的投影线分别相交于点a2、a2和b2、b2。
15、a2a2和b2b2为走向剖面上工业广场保护煤柱边界。,斜井井筒受护面积边界和倾向剖面上g、e点的投影线相交于点g1、g1和e1、e1 。g1g1和e1e1为走向剖面井底车场保护煤柱边界。 由井口受护面积边界以 = 45作直线，与基岩面相交，由交点以 = 75作直线，与倾向剖面上h1点的投影线分别相交于h2、h2点。连接e1 h2和e1 h2，与b2b2分别相交于点b3和b3。 （4）将a2、a2 、b2、b2、b3、b3、e1 、e1、g1、g点投影到平面图上，则a2b2b3e1g1g1e1b3b2a2即为反斜井及工业场地保护煤柱边界。,5.2.7 水体安全煤（岩）柱设计方法,导水裂缝带高度,保护层厚度,基岩风化带深度,5.2.8 铁路保护煤柱设计,
