垂线法留设保护煤柱

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。

２００５年第６期河北煤炭４ｌ垂线法设计保护煤柱过程的优化张玉英１．宫灿２（１，西山土１５也架Ⅲ官地矿．…卅太啄０３００２２：２诃北盒牛能弹股册耵毗公词科技＿！ｆ１１．ｉｌｌ『北邢俞０５４０００摘要：设计保护煤柱的常用方法是垂线法，为了使煤柱设计更加合理，将Ｅｘｃｅｌ软件的强大计算功能和煤柱计算相结合，对煤柱垂线长度的计算过程进行了优化。

从而获得更加合理的煤柱设计方案，解放更多的煤炭资源。

关键词：保护煤柱；垂线法；设计；Ｅｘｃｅｌ软件中田分类号：ＴＤｌ７文献标识码：Ｂ文章编号：１００７一１０８３（２００５）０６—００４ｌ—０２ＰｒｏｃｅｄｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏａｔｐｉＵａｒｐｍｔｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｗｅｅｐｉｎｇｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄＺＨＡＮＧＹｕ—ｖｉｎ一，ＣＯＮＧＣａ舻ｌ保护煤柱的设计方法目前在保护煤柱的设计中用的比较多的是垂线法，其方法和步骤如下：（Ｉ）确定受保护边界。

在平面图上先确定需要保护的范围．然后加围护带得受保护边界。

（２）在受保护边界各点向外按宽度Ｐ＝ｈ·ｃｍ划出矩形。

即得表土层与基岩接触面上的受保护边界。

（３）从基岩接触面上的受保护边界分别做出各点的垂线长度ｑ、ｆ，垂线长分别按下式进行计算：上山方向的垂线长口为。

＝黑拦㈩ｑ３ｉｉ而ｉ蕊ｏ‘’下山方向的垂线长ｆ为，（日一＾）·ｃｏｔ７’…‘一ｌ＋ｃ０吖’ｔａｎａｃｏｓ８（４）在各垂线上按比例尺截取其垂线长，得到各角点．将各角点相连得到一个多边形，就是用垂线法留设的保护煤柱的平面图。

２垂线法设计保护煤柱的优化在煤炭资源日益紧张的今天，如何使保护煤柱留设更趋合理，越来越成为人们关注的问题，一方面它可以起到有效地保护建筑物，同时又能尽量多地回收地下的煤炭。

２．１受护边界的确定在确定村庄保护边界时，以前为了保险起见往往把村庄所有建筑物都划人保护范围，以免房屋受采动影响遭到破坏．引起民事纠纷，但是这样就会扩大保护边界的范围，浪费煤炭资源。

“垂线法设计保护煤柱”在新建工程项目压覆矿产资源储量评估中的应用摘要：由于压覆矿产资源储量技术涉及工程地质、采矿技术和矿产勘查等多个领域，而目前全国没有相应的专门压覆储量技术规范作为指导，因此在实际工作中确定建设项目压覆范围的技术方法较为混乱。

“垂线法设计保护煤柱”适当范围广，参数取值容易，被用于新建工程项目压覆矿产资源储量评估工作中值得探讨与研究。

关键词：压覆矿产资源；技术方法；垂线法；压覆范围Abstract:Becauseofthepressureofmineralresourcestechnologyinvolvingengineeringgeo logy,miningandmineralexplorationandotherfields,butcurrentlythereisnocorrespondings pecialpressingreservesspecificationasaguide,sointheactualworkofconstructionprojectte chnologymethodforpressurerangeisrelativelyconfused.”Vertical methoddesignprotectiv ecoalpillar”appropriatescope,parameterseasily,beusedforanewprojectofpressureofmine ralresourcesassessmentworkworthyofstudyandresearch.Keywords:pressuremineralres ources;technology;verticalmethod;pressurerange0 引言近年来，随着我国经济建设的高速发展和改革开放的进一步深入，开工建设的各种项目日益增多。

根据各地方的经济发展规划，产业布局，新开工建设的项目必不可少的要压覆部分重要矿产资源。

文章编号:100320794(2003)022*******利用微机设计保护煤柱张智宏(北岳职业技术学院,山西大同037003)摘要:根据保护煤柱设计原理,利用微机采用垂线法留设保护煤柱的数学模型、程序流程以及得到的算例结果。

利用该方法,只要将有关资料输入计算机,就能快速准确地自动计算出煤柱角点坐标、煤柱面积和压煤量。

关键词:保护煤柱;垂直;建筑物;坐标中图号:TP3文献标识码:A1　引言本文根据保护煤柱设计原理和多年的工作经验编制了一个留设煤柱的实用程序,只要将有关资料输入微机,便可快速准确地计算出保护煤柱,使煤柱设计变得简单,也提高了工作效率。

保护煤柱设计通常采用垂直断面法和垂线法。

前者适用于图形比较规整,长短轴方向与煤层走向、倾向基本一致,或水平和近水平煤层地质条件下,但绘图精度要求高;后者不受图形条件和煤层地质等条件限制,只是在倾斜煤层条件下计算复杂些,需先计算斜向移动角和斜向移动量。

利用微机采用垂线法较为适宜,也没有了手工绘图、图解等误差。

现就建筑物、主要井巷煤柱设计的数学模型进行论述。

2　建筑物保护煤柱数学模型211　围护带角点坐标计算根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第十八条规定:围护带宽度是由受护对象的保护级别确定的,一级:20m;二级:15m;三级:10m;四级:5m。

据此推出围护带相对于受护边界平行外移量的计算公式:W(j)=25-5j,其中j代表保护级别。

围护带角点坐标利用相交直线求交点的方法进行计算。

如图1所示:b(i-1)、b(i)、b(i+1)为受护对象边界上的3个点,f(i)、f(i-1)为Li和L(i-1)边方位,W(j)为围护带外移量,h(i)是围护带上的角点(其对应于边界点b(i)),它是Li和L(i-1)两条线之交点。

h(i)点坐标X i、Y i计算如下:图1　建筑物受护边界Fig.1　Building protected bound ary (1)先算h′(i)和h″(i)坐标Xh′(i)=Xb(i)+W(j)cos[f(i)-90°]Yh′(i)=Yb(i)+W(j)sin[f(i)-90°]用同样的方法,利用f(i-1)可求出h″(i)之坐标。

保护煤柱设计：垂直断面法：建筑物概况：各边边长为238.79、251.05、234.7、246.91. 煤层倾角：30度，采深H0=195.24，地面标高为，煤层厚度：2.5保护等级Ⅱ级。

长轴与煤层走向斜交25度。

走向移动角δ78°移动角修正值△δ、△β、△γ 0° 13°20°最大下沉角θ69.3°松散层移动角45°松散层厚度h 3m充分采动角φ3、φ2、φ1走向长度l 668.24倾斜长度L 133.7m煤层倾角α30°煤层厚度 2.5上边界H2415.19下边界H1422.17开采深度418.68工作面推进速度 2.5m/a1，确定受护边界，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。

表1建筑物和构筑物的保护等级维护带宽度s(m)Ⅰ20Ⅱ15Ⅲ10Ⅳ 5通过表1，维护带宽度s=15.从矩形范围向外圈出一维护带15m。

其外缘abcd 为受护边界。

2过保护范围abcd的中心o，作沿煤层走向和煤层倾向的垂直剖面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。

3在倾向垂直剖面上标出地表线，受护边界的位置m、n，松散层和煤层等，并标注出煤层的倾角α=30°。

煤层的厚度m=2.5,煤层的埋藏深度H0=418.68.及简要的地层柱状图。

4在受护边界点m、n作松散层移动角ρ=45°，与基岩面相交于m1、n1.在从m1、n1点分别作基岩移动角δ=γ=78 ，β=89，与煤层地板相交于点m2、n2，点m2、n2分别为沿煤层倾向剖面上保护煤柱的上下边界。

将m2、n2投影到平面图上，即得点M、N.5将平面图上Ⅰ-Ⅰ线与保护边界的交点q、k投影到走向剖面Ⅰ-Ⅰ上，得q、k点，从q、k点以ρ=45°作直线，与基岩面相交于q1、k1，再从q1、k1以基岩移动角δ作斜线。

6将Ⅱ-Ⅱ剖面上的m2、n2点分别水平投影到Ⅰ-Ⅰ上，与Ⅰ-Ⅰ剖面上从q1、k1点以δ做出的斜线相交，得q2、k2和q3、k3. q2、k2为煤柱上边界线在Ⅰ-Ⅰ剖面上的投影。

合理留设保护煤柱的方法探讨摘要：简要介绍了保护煤柱留设方法，合理留设安全煤柱保护地面建筑物免受地下开采影响。

关键词：留设保护煤柱，计算方法一、概述留设安全煤柱仍是保护地面建筑物免地下开采影响的主要措施之一，其传统方法有垂直剖法和垂线法。

这些方法存在一个共同缺点，即在保护边界角点处，只考虑了垂直于边界方向上的影响距离，而未考虑到斜向影响距离，从而使角点处留设煤柱过大，造成不必要的煤炭损失。

对于这一问题，已有多种减少角点多余煤柱的方法，最常用的方法是取两种方法设计煤柱的重叠部分，但当保护边界为矩形且沿煤层走向（或倾向）时，两个煤柱完全重叠，这种方法失去作用。

同时由于传统方法在理论上仍存在一些问题（见下文），因此有必要进一步探讨保护煤柱留设方法，以期提出一种最直接进行计算、便于在图上表示、且使留设煤柱最为合理（煤柱最小）的实用设计方法。

二、传统方法存在的问题1、在固定围护带时，建筑物边界转折处（角点）的围护带边界为折线，其宽度S/sinT/2（T为内角）大于规定的标准宽度S，其差值为△S=S•（1/sinT/2-1）。

事实上，围护带边界（受护边界）到建筑物边界的法线距离应处处相等（都为带宽S），角点处受护边界应是以角点为圆心，以带宽S为半径作圆与直接部分相切所得圆。

2、作表土层保护范围时，对应于建筑物边界角点的保护边界是折线，其宽度Lф/sin/T/2大于计算宽度Lф=h•ctg ф，其差值为△Lф=hctgф（1/sinT/2-1），（式中h为表土层厚度，ф为表土层移动角）。

事实上，表土层保护边界到受护边界的法向距离都相等（其值为Lф），在转折处应是以建筑物边界角点为圆心，以（S+Lф）为半径作圆与直线部分相切所得圆弧。

综合以上两方面因素，使得表土层保护边界在角点处宽度增大，其值为：△L=（S+hctgф）（1/sinT/2-1），一般情况下，取ф=45°，则有△L=（S+h）（1/sinT/2-1）。

保护煤柱留设的三种方法保护煤柱是煤矿开采过程中的一项重要任务，其目的是确保矿井的安全稳定和煤矿资源的合理利用。

为了保护煤柱，可以采取以下三种方法：方法一：支护煤柱支护煤柱是保护煤柱的一种常用方法。

在煤矿开采过程中，通过设置支护设备对煤柱进行加固，以提高煤柱的强度和稳定性，减少煤柱变形和破坏的风险。

常见的支护设备包括钢支柱、木支撑、锚杆和注浆等。

这些支护设备可以有效地增加煤柱的承载能力，防止煤柱折断和塌陷，保证矿井的安全运营。

方法二：合理布置开采工作面合理布置开采工作面是保护煤柱的另一种重要方法。

在煤矿开采过程中，应根据煤层的地质条件和煤柱的强度，合理确定开采工作面的位置和方向。

同时，应根据煤层的厚度和开采工艺，科学规划开采工作面的宽度和长度。

合理布置开采工作面可以减少煤柱的受力和变形，降低煤柱破坏的风险，提高矿井的稳定性和安全性。

方法三：加强煤柱监测与管理加强煤柱监测与管理是保护煤柱的又一重要方法。

通过安装合适的监测设备，对煤柱的应力、变形和稳定性进行实时监测和评估，及时发现和预警煤柱的变形和破坏情况，采取相应的措施进行治理和维护。

同时，要加强煤柱的管理，建立健全的管理制度和责任体系，明确责任人和工作职责，加强巡视和检查，及时发现和解决煤柱问题，确保矿井的安全运营。

总结起来，保护煤柱是煤矿开采过程中的一项重要任务。

通过支护煤柱、合理布置开采工作面和加强煤柱监测与管理等方法，可以有效地保护煤柱，确保矿井的安全稳定和煤矿资源的合理利用。

煤矿企业和相关管理部门应高度重视煤柱保护工作，加强技术研究和工程实践，不断提高保护煤柱的能力和水平，为煤矿的可持续发展提供有力保障。

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。

保护煤柱计算程序的编辑利用打磨沟矿井摘要：本文主要介绍利用CASICOfx―4500PA型计算器，将垂线法煤柱计算的计算公式转换为煤柱计算程序，输入到便携计算器中。

使原有繁琐的计算步骤变得方便、快捷、准确。

关键词：计算公式；程序编写；计算实例引言保护煤柱采用垂线法计算原本是一项繁琐的内业计算工作，因其计算所用的计算公式用常规的计算顺序来计算比较繁杂，所以在计算人稍不细心或不认真。

一旦所计算的保护物体范围较大、拐点多时计算就容易出错，无形就增加了工作量，降低了工作效率。

随着科技的进步，便携式计算器的计算容量增大，又便于编辑简单、易记的适用计算程序。

我通过摸索，将繁琐的计算公式转化为简便的计算程序，从而使计算工作变得快捷、准确，大大提高了工作效率。

一、编程计算公式本文是以常用的垂线法煤柱计算公式为模型，用我们易懂的字母和数字，将公式转换为简便的计算程序。

1、用垂线法留设煤柱所用的计算公式（1）向上山方向作的垂线长公式：（2）向下山方向作的垂线长公式：（3）所作垂线方向（伪倾斜方向）的上山移动角计算公式：（4）所作垂线方向（伪倾斜方向）的下山移动角计算公式：（5）受保护物体拐点的地表高程、对应点煤层埋藏底板高程、松散层厚度之间的差值Hi=H－H′－h二、将所用公式进行转换，变为简便易记的计算器公式（1）将所作垂线方向的上山（或下山）移动角计算公式转换为：A=1÷tanB C=cosO D=1÷tanE F=sinO公式中的英文字母所代表的意思：A —代表公式中的ctg β（或ctg γ）值B—代表公式中的β值C —代表公式中的cosθ值 O —代表公式中的θ值D —代表公式中的ctgδ值 E—代表公式中的δ值（2）将向上山（或下山）方向作的垂线长公式转换为：G=tank M=H-N-PQ=（M×V）÷（1+V×C×G）L=（M×V）÷（1-V×C×G）公式中的英文字母所代表的意思：G—代表公式中的tgα值 K—代表公式中的α值M—代表公式中的Hi值 H—代表公式中的H值N—代表公式中的H′值 P—代表公式中的h值H—代表受保护物体松散层边界拐点的地表高程H′—代表对应点的煤层底板高程h—代表松散层厚度三、程序的编写（以fx-4500PA计算器为例）（1）输入文件名MZCXJS（煤柱垂线计算）AC→MODE→EXP→ALPHA→M→Z→C→X→J→S→EXE计算器显示：MZCXJS（2）程序内容输入（接上面）↓→ALPHA→A→2ndF→=→1→÷→tan→ALPHA→B→2ndF→◢→EXE计算器显示：A=1/tan B◢ALPHA→C→2ndF→=→COS→ALPHA→O→2ndF→◢→EXE计算器显示：C=COS O◢ALPHA→D→2ndF→=→1→÷→tan→ALPHA→E→2ndF→◢→EXE计算器显示：D=1/tan E ◢ALPHA→F→2ndF→=→sin→ALPHA→O→2ndF→◢→EXE计算器显示：F=sin O ◢ALPHA→V→2ndF→=→√→（→ALPHA→A→SHIFT→X²→×→ALPHA→C→SHIFT→X²→+→ALPHA→D→ SHIFT→X²→×→ALPHA→F→SHIFT→ X²→）→2ndF→◢→EXE计算器显示：V=√（A²×C²+D²×F²）◢ALPHA→M→2ndF→=→ALPHA→H→－→ALPHA→N→－→ALPHA→P→2ndF→◢→EXE计算器显示：M=H－N－P ◢ALPHA→G→2ndF→=→tan→ALPHA→k→2ndF→◢→EXE计算器显示：G=tan k ◢ALPHA→Q→2ndF→=→（→ALPHA→M→×→ALPHA→V→）→÷→（→1→+→ALPHA→V→×→ALPHA→C→×→ALPHA→G→）→2ndF→◢→EXE计算器显示：Q=（M×V）/（1+V×C×G）◢ALPHA→L→2ndF→=→（→ALPHA→M→×→ALPHA→V→）→÷→（→1→－→ALPHA→V→×→ALPHA→C→×→ALPHA→G→）→2ndF→◢→EXE计算器显示：Q=（M×V）/（1-V×C×G）◢说明：用方框的地方是计算器的按键，黑色三角符号代表计算器上的绿色实心三角符号。

在平面图上用垂直断面法
直接留设保护煤柱
用垂直断面法留设保护煤柱时，需作走向与倾向两幅断面图。

现将此法简化如下：
1、过保护面积角点作平行煤层走向、倾向的四条线，得矩形保护范围，然后向外圈出围护带，构成受护边界。

2、用表土层厚度h向外圈出表土层保护边界ABCD，（设表土层移动角φ=45°）。

3、过受护中心作倾向线N—N，然后用q、ι，m=H1ctgδ（δ为中心移动角）标出保护煤柱边界Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ（如图1所示）
图1
其中（1）
ι=（2）
式中：α————煤层倾角；
γ、β——上下山移动角；
a、H——如图2所示。

证明：在图2中，因为
图2
h1=(a+qtgα
h2=（a+ι）tgα所以
=
整理后便得（1）式，同理可得（2）式。