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第九章 建构筑物保护煤柱设计及损害评定方法
矿区建构筑物保护采用两种方法：
①留设保护煤柱，即在保护煤柱外开采，使建构筑物不受开采影响或受到的开采影响不会使建构筑物损害；
②采用特殊开采技术措施和建构筑物结构措施，使采动变形不会使建构筑物损害；

保护煤柱设计
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资源
受保护对象：井筒、井下主要巷道和硐室、地面各类建（构）筑物、铁路、水体等
优点：能有效保护受保护对象免受开采的影响
缺点：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

一、保护煤柱留设原理
在保护对象的下方留出一部分煤炭不开采，使其周围煤炭的开采对保护对象不产生有危险性的移动和变形。
在倾向剖面上，从受护边界点分别向煤层下山方向作上山移动角、向煤层上山方向作下山移动角，交煤层于c、d两点；
在走向剖面上，从受护边界点分别向两侧煤层作走向移动角，交煤层于a、b两点；
则a、b、c、d确定的煤柱范围就是保护煤柱的范围；将其投影到水平面上，就可在平面图上确定出建筑物保护煤柱的范围。
该煤层在保护煤柱边界外开采，不会引起受护建筑物的地表产生临界变形值以上的移动、变形。

注意：
1）在倾向剖面上，向煤层下山方向采用上山移动角；向煤层上山方向采用下山移动角。在走向剖面上，采用走向移动角。
2）深度越大、煤柱范围越大；深度越小、煤柱范围越小。

二、 围护带
围护带：留设煤柱时，为确保被保护对象的安全，还需要保护受护对象周围一定范围内的岩体或地表，这部分需附加保护的岩体或地表及其范围称为“围护带”
目的：
1）抵消留设保护煤柱时所用参数的误差引起煤柱尺寸的不足。移动角2～50。
2）抵消由于地质采矿条件和井上下位置关系的不准确而造成保护煤柱的尺寸和位置的误差。

ɑ′——斜交剖面上的煤层倾角为伪倾角；ɑ——煤层倾角；θ——斜交剖面与煤层倾向所夹得锐角；β，γ，δ为下山、上山、走向移动角

保护煤柱留设方法
保护煤柱留设方法有：垂直剖面法、垂线法、数字标高投影法、临界标高投影法、临界变形值方法、预计方法。常用的是垂直剖面法、垂线法
（1） 垂直剖面法
垂直剖面法是一种图解方法，其设计步骤如下：
（一）确定受护面积边界
1）如果建筑物边界和煤层走向、倾向平行时，在平面图上直接沿煤层走向、倾向留一定宽度的围护带，得受护面积边界（图9-6a）；

2）如果建筑物边界和煤层走向斜交时，通过建筑物四个角点，分别作与煤层走向或倾向平行的直线，再留围护带，得受护面积边界（图9-6b）；
3）如果地面有许多建筑物时，通过建筑群的最外角点，分别作和煤层走向或倾向平行的直线，再留围护带，得受护面积边界（图9-6c）。
垂直剖面法确定受护面积边界时，一般应和煤层走向、倾向平行。
（二）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，首先在松散层内用φ画线交于基岩面，再在基岩内用β、γ、δ画线交于煤层，即可得出保护煤柱边界。

[例9-1] 如图9-7，要设计一个重要建筑物的保护煤柱，保护级别为Ⅱ级，保护面积的平面形状为矩形，面积为100×200m2，长轴与煤层走向斜交成60°角。煤层倾角30° ，煤层在保护范围中央处的埋藏深度H=250m。地面标高为零，松散层厚度h=40m，煤层厚度M＝2.0m，该地区的移动角为：
试用垂直剖面法留设该建筑物的保护煤柱。方法和步骤如下：
用垂直断面法留设保护煤柱的方法和步骤如下：
(1)确定受护边界。通过建筑群的角点作平行于煤层走向和平行于煤层倾向的四条直线，两两相交得一矩形保护范围a’b’c’d’。查表9-1得围护带宽度为15m，从矩形保护范围边界向外圈出一围护带s＝15m，其外缘abcd即为受护边界。
(2)过保护范围abcd的中心O，作沿煤层走向和倾向的垂直剖面Ⅰ—Ⅰ、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，煤层的厚度M＝2.5m，煤层的埋藏深度。
(4)在受护边界点m、n，作松散层移动角，与基岩面相交于m1、n1。再从m1、n1点分别作基岩移动角，与煤层底板相交于m2、n2点，m2、n2点分别为煤层倾向剖面上保护煤柱的上下边界。将m2、n2点投影到平面图上，即得点M、N。
(5)将平面图上Ⅰ—Ⅰ线与受护边界的交点q、k，投影到走向剖面图Ⅰ—Ⅰ上，得q、k点。从q、k点以松散层移动角作直线，与基岩面相交于q1、k1。再从q1、k1点以基岩走向移动角作斜线。
(6)将Ⅱ—Ⅱ剖面上的m2、n2点分别水平投影到Ⅰ—Ⅰ剖面图上，与Ⅰ—Ⅰ剖面上从q1、k1点以作出的斜线相交，得q2、k2和q3、k3。 q2、k2为煤柱上边界线在Ⅰ—Ⅰ剖面上的投影， q3、k3为煤柱下边界线在Ⅰ—Ⅰ剖面上的投影。
(7)将q2、k2和q3、k3分别投影到平面图上，得B、C、D、A，依次连接A、B、C、D各点，该梯形即为所求保护煤柱的平面图。
(8)计算因留设保护煤柱而呆滞的煤量Q，即
式中A为平面图上保护煤柱的面积，ρ为煤的质量密度。
在煤矿生产实践中，保护煤住的边界线均用红线表示。

（2） 垂线法
垂直断面图留设保护煤柱存在两方面不足：①留设了多余煤柱，浪费资源；②对于铁路、公路等线性构筑物，将受护对象归化走向、倾向方向几乎不可能
垂线法实际上是斜向断面法，可用斜向移动角留设，煤层倾角采用伪倾角
留设保护煤柱步骤如下：

（一）确定受护面积边界
在建筑物保护范围外圈出一围护带得到保护边界
（二）确定松散层保护边界
从保护边界点向外作垂线，垂线长度为（松散层保护边界）
S——松散层保护边界宽度；h——松散层厚度；ψ——松散层移动角
（三）确定保护煤柱边界
指向上山方向垂线长：
指向下山方向垂线长：
H——计算点处煤层的埋藏深度；h——松散层厚度；θ——各受护边界和煤层走向所夹得锐角；α——煤层倾角；β′，γ′——斜交剖面上的斜交移动角

[例9-2] 例9-1中建筑物的保护煤柱也可用垂线法来留设，其方法和步骤如下：
(1)确定受护边界。在平面图上先确定需要保护的范围，然后加围护带s=15m，得受护边界1234。
(2)在受护边界各点1、2、3、4处，向外按宽度

画出矩形，即得表土层与基岩面上的受护边界1’、2’、3’、4’
(3) 从1’、2’、3’、4’各点分别作线段1’2’和1’4’、2’1’和2’3’、3’2’和3’4’、4’3’和4’1’的垂线，垂线的长度q(上山垂线长)、l（下山垂线长）可按下式进行计算，其具体的值列于表中。
(4)在各垂线上按比例截取其垂线长得点5、6、7、8、9、10、11、12，依次连接各点并相交于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。四边形ⅠⅡⅢⅣ即为用垂线法留设的保护煤柱。
(5)计算因留设保护煤柱而呆滞的煤量

立井与工业场地保护煤柱的留设
1） 第一类：深度大于和等于400m的主副井
保护煤柱用边界角圈定，如图所示

2）第二类：深度小于400m的主副井及各类风井、注砂井
保护煤柱以移动角圈定
3）第三类：穿过急倾斜煤层的立井
在煤层倾向剖面上以下盘移动角λ圈定保护煤柱的下山方向边界，在煤层走向剖面上，以走向移动角δ圈定保护煤柱的边界
4）第四类：穿过有滑移危险的软弱岩层、软煤层及高角度断层（断层面延至基岩面）的立井
此时，除按前三类规定留设保护煤柱外，还应加设防滑煤柱

5）第五类：地表为山地的立井
为了防止山地发生滑坡引起井筒破坏，一般应在井筒所在斜坡的上下坡两侧加大煤柱尺寸

铁路保护煤柱的留设方法比较简单：
1）首先确定受护面积边界：在平面图上沿着线路圈出受护对象范围，再留出围护带，得到受护面积边界；
2）然后根据铁路线形状间隔选择适当剖面，采用斜交剖面移动角、确定各个剖面上的煤柱范围（有松散层时先用松散层移动角画线至基岩面）；
3）最后将各个剖面上的煤柱边界投影到平面图上，相连后即得到铁路保护煤柱边界

采动区建筑物变形破坏机理
对建筑物影响主要移动变形值包括下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形，各种变形值影响不同
一、地表移动变形对建构筑物的影响
1、下沉
均匀下沉对建构筑物无影响，但当潜水位高时，有影响。
2、水平移动
地表水平移动对建构筑物影响很小。
3、倾斜
对底面积小、高度大的建构筑物影响大。可能导致其倾覆
改变道路、排水沟等的坡度
4、曲率
正曲率；房屋中央所产生的应力大于原有的应力，易在建筑物的顶部出现裂缝并向下发展，裂缝呈倒八字形；
负曲率：房屋两端地表应力增大，易形成底部出现裂缝并向上发展，裂缝呈正八字形。
5、水平变形
拉伸变形：建筑物受拉，出现竖向拉裂缝
压缩变形：建筑物受压，出现墙壁、地基压碎，地板鼓起，产生剪切和挤压裂缝，可使门窗洞口挤成菱形，砖砌体墙产生水平裂缝，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起
6、剪切变形
纵横墙基础向相对错动，转动。
7、扭曲变形
墙两边倾斜不同，导致产生扭曲变形。

位于采动区不同位置对建筑物损害的影响
建筑物破坏与以下因素有关：
①建筑物长度越大，承受地表变形的能力越弱，即建筑物短轴方向承受变形能力大于长轴方向；②建筑物承受压缩变形的能力大于承受拉伸变形的能力；③房屋承受扭曲变形的能力最低；④采空区边缘区为变形最大的区域，中间区下沉大但变形小

采动区建筑物损坏等级评定指标
建筑物损害评定指标主要采用三种指标：
允许变形指标
总变形指标
点数法
一、允许变形指标法
1、中国
采用倾斜、曲率、水平变形作为评定指标
2、英国
将地表水平变形、建筑物长度及建筑物的破坏程度联系在一起
二、总变形指标法
仅采用允许变形值方法存在缺陷：未考虑建构筑物长度、高度的影响
前苏联：
L为建筑物长度，m；ε为地表水平变形预计值，mm/m；mε、mR为工作条件系数（表9-16）；H为建筑物高度，m；R为曲率半径，m
三、 总点数法
将不同的影响因素所造成的不同破坏情况，进行了归纳分类，并给出了不同影响因素的权，即“点数”。将每一种影响因素的“点数”相加，得到总“点数”，与有关保护措施进行对比，就可得到保护建筑物的措施