保护煤柱计算方法

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。

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。

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。

天健矿业集团股份保护煤柱留设及防水安全煤岩柱计算规天健矿业集团股份二0一二年七月十五日目录一、保护煤柱的留设 (3)（一）基本概念和参数 (3)1、岩层移动角 (3)2、下沉系数（η） (4)3、围护带宽度 (5)（二）保护煤柱的留设方法 (5)二、防水安全煤岩柱的计算 (7)1、目的和意义 (7)2、计算公式 (8)一、保护煤柱的留设（一）基本概念和参数1、岩层移动角指在充分采动情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角。

符号为：下山移动角β；上山移动角γ；走向移动角δ；急倾斜煤层底板移动角λ；表土移动角ψ。

详见附图一。

附图一岩层移动角参数表附表1 序号名称符号取值围备注1 下山移动角ββ=δ-（0.6-0.7）αβ与煤层倾角成反比。

α为煤层倾角2 上山移动角γ55-60°3 走向移动角δ55-60°4 底板移动角λ55-60°用于急倾斜煤层5 表土移动角ψ45-50°干燥土层取大值，含水土层取小值说明：因本公司下属煤矿暂无实测岩移数据，表中数据仅供参考。

2、下沉系数（η）指在充分采动情况下，开采水平煤层时的地表最大下沉量与采高（多煤层开采时取累计采高）之比。

在开采倾斜煤层时，由于上覆岩层大致沿岩层法线方向弯曲，最大下沉区的移动基本上是法向移动，最大下沉量应为法向移动量的垂直分量，因此，下沉系数等于最大下沉量除以煤层倾角余弦值与采高的乘积。

下沉系数的大小与上覆岩层的坚固性系数成反比，与采煤方法、顶板管理方式和开采面积有关，与采深关系不大。

下沉系数表附表23、围护带宽度指建筑物边界与保护边界线之间的安全距离，一般取10-15m。

（二）保护煤柱的留设方法1、当建筑物、水体或其它保护对象的保护边界线与煤层走向基本平行时，可直接参照附表1中的参数确定保护煤柱边界。

作图方法如附图二。

2、当保护边界线与煤层走向斜交时，应根据附表1中的基岩移动角求得垂直于保护边界线方向（伪倾斜）的上山移动角γ＇和下山移动角β＇，然后再确定保护煤柱边界。

回采保安煤柱费用计算及原煤产量
一、工程总造价：579.9万元（约580万元）
（一）掘两条大巷造价：
920×2=1840m+100m×2=2040m
2400m/元×2040m=489.6万元
（二）重新砌筑永久闭墙43道
1、料：
红砖：4600块×0.4元/块=1840元
水泥：1.5吨×400元/吨=600元
沙子：3方×100元/吨=300元
1840＋600＋300=2740元
2、人工费：
（1）下料：
土：(7方)10车砖：16车水泥：2车沙子：5车10+16+2+5=33车/3车1趟=12趟/2趟1班=6班
4人/班×6班=24人（工）
（2）运料（人/工）：
砖：10个工水泥：2个工沙子：7个工黄土：15个工10+2+7+15=34个工
（3）砌墙及装土：18个工
合计：76个工×200元/工=15200元
3、合计：
2740+15200=1740元≈1.8万元
4、43道（大巷西侧26道、东侧17道）闭墙供需
1.8万元/道×43道=77.4万元
（三）拆除旧闭墙：
15个工/道×43道×200元/工=12.9万元
（四）共计：（总造价）
489.6＋77.4+12.9=579.9万元
二、回采大巷煤柱产量：
50m（宽）×600m（长）×13m（高）×1.35×0.85×0.6（回踩率）=26.8万吨。

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:1S=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、11mf——煤的强度系数,10Rc1.0=fRc——煤的单向抗压强度,MPa,取30MPa则10Rc1.0=f=1、414129.7mS===设计取30m。

贵州天健矿业集团股份有限公司保护煤柱留设及防水安全煤岩柱计算规范贵州天健矿业集团股份有限公司二0一二年七月十五日目录一、保护煤柱的留设 (3)（一）基本概念和参数 (3)1、岩层移动角 (3)2、下沉系数（η） (4)3、围护带宽度 (5)（二）保护煤柱的留设方法 (5)二、防水安全煤岩柱的计算 (7)1、目的和意义 (7)2、计算公式 (8)一、保护煤柱的留设（一）基本概念和参数1、岩层移动角指在充分采动情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角。

符号为：下山移动角β；上山移动角γ；走向移动角δ；急倾斜煤层底板移动角λ；表土移动角ψ。

详见附图一。

附图一岩层移动角参数表附表1 序号名称符号取值范围备注1 下山移动角ββ=δ-（0.6-0.7）αβ与煤层倾角成反比。

α为煤层倾角2 上山移动角γ55-60°3 走向移动角δ55-60°4 底板移动角λ55-60°用于急倾斜煤层5 表土移动角ψ45-50°干燥土层取大值，含水土层取小值说明：因本公司下属煤矿暂无实测岩移数据，表中数据仅供参考。

2、下沉系数（η）指在充分采动情况下，开采水平煤层时的地表最大下沉量与采高（多煤层开采时取累计采高）之比。

在开采倾斜煤层时，由于上覆岩层大致沿岩层法线方向弯曲，最大下沉区的移动基本上是法向移动，最大下沉量应为法向移动量的垂直分量，因此，下沉系数等于最大下沉量除以煤层倾角余弦值与采高的乘积。

下沉系数的大小与上覆岩层的坚固性系数成反比，与采煤方法、顶板管理方式和开采面积有关，与采深关系不大。

下沉系数表附表23、围护带宽度指建筑物边界与保护边界线之间的安全距离，一般取10-15m。

（二）保护煤柱的留设方法1、当建筑物、水体或其它保护对象的保护边界线与煤层走向基本平行时，可直接参照附表1中的参数确定保护煤柱边界。

作图方法如附图二。

2、当保护边界线与煤层走向斜交时，应根据附表1中的基岩移动角求得垂直于保护边界线方向（伪倾斜）的上山移动角γ＇和下山移动角β＇，然后再确定保护煤柱边界。

. . . .天健矿业集团股份保护煤柱留设及防水安全煤岩柱计算规天健矿业集团股份二0一二年七月十五日目录一、保护煤柱的留设 (3)（一）基本概念和参数 (3)1、岩层移动角 (3)2、下沉系数（η） (4)3、围护带宽度 (5)（二）保护煤柱的留设方法 (5)二、防水安全煤岩柱的计算 (7)1、目的和意义 (7)2、计算公式 (7)一、保护煤柱的留设（一）基本概念和参数1、岩层移动角指在充分采动情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角。

符号为：下山移动角β；上山移动角γ；走向移动角δ；急倾斜煤层底板移动角λ；表土移动角ψ。

详见附图一。

附图一岩层移动角参数表附表1 序号名称符号取值围备注1 下山移动角ββ=δ-（0.6-0.7）αβ与煤层倾角成反比。

α为煤层倾角2 上山移动角γ55-60°3 走向移动角δ55-60°4 底板移动角λ55-60°用于急倾斜煤层5 表土移动角ψ45-50°干燥土层取大值，含水土层取小值说明：因本公司下属煤矿暂无实测岩移数据，表中数据仅供参考。

2、下沉系数（η）指在充分采动情况下，开采水平煤层时的地表最大下沉量与采高（多煤层开采时取累计采高）之比。

在开采倾斜煤层时，由于上覆岩层大致沿岩层法线方向弯曲，最大下沉区的移动基本上是法向移动，最大下沉量应为法向移动量的垂直分量，因此，下沉系数等于最大下沉量除以煤层倾角余弦值与采高的乘积。

下沉系数的大小与上覆岩层的坚固性系数成反比，与采煤方法、顶板管理方式和开采面积有关，与采深关系不大。

下沉系数表附表2序号 下沉系数 采煤方法 顶板管理 覆岩类型 适应围1 0.6 长壁式 全部陷落法 坚硬辉绿岩、石灰岩、石英岩、砾岩、砂砾岩、砂质页岩2 0.6-0.8 长壁式 全部陷落法 中硬 砂质页岩、泥质砂岩、页岩等3 0.8-1.0 长壁式 全部陷落法 软弱风化带岩石、粘土岩、第三系第四系表土层3、围护带宽度指建筑物边界与保护边界线之间的安全距离，一般取10-15m 。

王家焉煤业有限公司保护煤柱设计方案（2012）王家焉煤矿地测科目录一、保护煤柱留设目的和任务 (3)二、保护煤柱设计参数 (3)（1）移动角 (3)（2）维护带 (3)三、保护煤柱留设的计算 (4)（1）确定受护边界 (4)（2）确定松散层保护边界 (5)（3）确定保护煤柱边界 (5)四、设计成果 (6)五、建议 (6)附1：王家焉煤矿保护煤柱留设尺寸表 (7)附2：5#煤层保安煤柱图 (7)一、保护煤柱留设目的和任务保护煤柱是指专门留设在井下不予采出的、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。

留设保护煤柱是保护各类防水（沙）、上覆岩层和地面建筑、构筑物不受开采影响。

为了各煤矿能够安全生产，避免因地下采矿引发的房屋裂缝、倒塌等威胁居民生命财产安全的地质灾害发生，我矿对所有煤矿井田内的所有村庄范围进行测绘、调查，对村庄保护煤柱重新进行测量设计。

二、保护煤柱设计参数（1）移动角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。

砖石结构房屋的临界变形值为i=3mm/m;k=0.2*10-3mm/m2;§=2mm/m。

（2）维护带保护煤柱留设时，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，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备一定的备用尺寸。

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°通过建筑物的角点做平行于煤层走向和煤层倾向的四条直线，俩俩相交的一矩形范围。

建筑物和构筑物的保护等级维护带宽度s(m)Ⅰ20Ⅱ15Ⅲ10Ⅳ 5三、保护煤柱留设的计算村庄和公路以及各类防水（沙）、建（构）筑物受护范围确定后，利用垂线法计算设计其保护煤柱范围，然后按参数计算完成。

H
M 煤的普氏硬度系数f'RC 315
7 1.313745 5.65 1.2912.9
普氏硬度系数：f=R/100 R 单位：Kg/cm 2
Kg/cm 2=9.8N/cm 2=9.8N/10-4 m 2=9.8×104 N/m 2=9.8×104Pa=9.8×104×10-6MPa=9.8×10-2M 新疆红山煤矿煤炭f=R/100=1.5
则：R=1.5×100=150 Kg/cm 2=150×9.8×10-2MPa ≈150×10×10-2
MPa=15MPa
巷道位于煤层底板岩层中时，其保护煤柱按“三下压煤”规程第44页第82条
巷道位于煤层中时，保护煤柱计算：即普氏硬度系数为1.5，单向抗压强度为15MPa 。

巷道位于煤层中时，其保护煤柱按“三下压煤”规程第45页第83条第一款规
巷道位于煤层顶板岩层中时，其保护煤柱按“三下压煤”规程第45页第83条
f ——煤的强度系数，
； RC——煤的单向抗压强度，MPa。

巷道一侧保护煤柱水平宽度 S 1= 其中：H ——巷道的最大垂深（埋深）；
M ——煤厚；
f
M H )6.05.2(
×104×10-6MPa=9.8×10-2MPa
0-2MPa=15MPa
一款规定执行。

第83条第四款规定执行。

第82条规定执行。

f S1
1.1443.02
1.146
2.16。

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。

防水煤（岩）柱常用计算公式
防水煤（岩）柱常用计算公式
1、对于煤层厚度小于3.5m，倾角小于30°，可按下列经验公式计算：d=5m+0.05H+0.002L 式中：d—防水煤柱宽度（m）， m—煤层厚度（m），H—开采深度（m），L—由最近的井筒到需设防水煤柱之间的距离（m）如上式计算结果小于20m，要用20m，大于20m则用计算数，防水煤柱未经上级主管部门批准，不允许损坏。

2、井下一些区段受水威胁时，也常用煤柱给予隔离，其计算公式为：
L=0.5km√3P/kp 式中：L—煤柱留设宽度（m），k—安全系数（一般取2～5），m—煤层采高（m），P—作用在煤上的压力（MPa），kp—煤的抗张强度（MPa）、软煤3～5（MPa）、硬煤17～40（MPa）
3、多煤层矿井，倾角小，上煤层已开采且积有老空水，下煤层开采时就需计算上下煤层之间岩层能否构成安全隔水层厚，其计算公式为：h=nB√[（kp×b×L×m）/r1cosα+H×m/（kp+ r1m）] 式中：h—矿山压力和静水压力对隔水层的破坏深度（m），n—待定系数（一般采用1.5～1.6，集中压力段采用1.8），B—采空冒落体的体积常数，kp—底板岩石平均抗张强度（T/m2），b—第一次来压的控顶距（m），m—煤层开采厚度（m），r1—隔水层岩石平均容重（T/m3），α—煤层倾角，H—工作面底板含水层静水压力（水柱高m）
探水超前距和帮距经验值（参考数）。