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山区地面建筑物保护煤柱设计的研究

太原理工大学

硕士学位论文

山区地面建筑物保护煤柱设计的研究姓名：胡晋山

申请学位级别：硕士

专业：矿产普查与勘探指导教师：康建荣

2001.4.1太原理工大学硕士学位论文摘要

本文通过对阳泉矿区保护煤柱设计资料与煤柱保护效果的调查分

析，提出没有考虑山区地形与采动滑移的影响，照搬平地设计方法和

设计参数是造成山区地面受护建筑物破坏的主要原因。滥于目前山区

煤柱设计仍采用垂线法与垂直断面法，采用这两种方法的关键在于正

确选择设计参数，其中最主要的参数是移动角。文中首先从对移动角

的分析入手，指出对于近水平煤层、中硬覆岩长壁大冒顶开采条件下，

山区移动角的选取应结合上下坡方向采动、开采深厚比/、采动次

数、地表倾角、地形坡度变化、采动程度；此外还对山区煤柱设计其

它参数诸如围护带的选取、表土层移动角及表土层厚度的确定、以及

山区地面受护建筑的有利、不利地形作了分析。文中用一个山区煤柱

设计实例，指出采用山区地表移动预计是山区煤柱设计好后必要的补

充，建议当受护建筑边界临近变坡点时，为了安全起见，最好挖设缓

冲沟来减弱采动坡体滑移的影响。通过相似材料模拟试验和有限元数

值模拟对山区采动覆岩与地表移动规律及破坏过程作了研究，指出造

成山区地面受护建筑物破坏的主要原因并不是煤柱破坏向地表的传

递，而是采动地表滑移所致，并对现行规程有关山区煤柱留设部分存

在的一些问题作了探讨。本文的研究对于改善山区煤柱留设、煤矿的

安全生产以及环境保护有重要参考价值。

【关键词】开采沉陷保护煤柱设许、山区地面建筑物

山区地表移动太原大学硕士学位论文

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囊幽；太原理工大学硕士学位论文第一章绪论

随着采矿事业的发展，开采沉陷损害及其防护的研究愈来愈受到

人们的重视，长期以来，有关地面建筑物保护问题，主要研究对象是

平地，而涉及山区保护对象问题的研究很少，特别是山区煤柱设计问

题，至今尚未见到国外在这方面研究成果的发表。

我国大约有/的煤矿位于山区，金属矿在山区的比例更大，而

作为我国煤炭生产基地的山西，几乎所有矿区都在山区。山区不仅有

大量的工业、交通和民用建筑物，如工业广场、居民住宅、风井与风

机房、高压线塔、公路与铁路，而且还有大量村庄和耕地。

为了保护山区地面建筑及其它保护对象免受开采影响，充分合理

地开采煤炭资源，我国从五十年代中期起就在山区煤矿开展了地表移

动观测和研究工作，六十年代进行了山区煤柱设计的研究，七十年代

进行了压煤开采的试验，这些方面都取得了一定成绩，但也存在不少

亟待解决的问题。如一些保护煤柱未能起到应有的保护作用，使受护

对象遭到不同程度的损害。另外一些矿区的三下压煤量很大，

影

响矿井的开拓和经济效益，但至今没有妥善的解决办法。.研究的目的与意义

近年来，建筑物下压煤开采取得了很大进步，但迄今为止，大多

数煤矿的工业场地、住宅区和村镇居民点等工业与民用建筑物，仍然

主要采用留设煤柱的方法来加以保护。在山区，由于地形条件复杂，

采动地表存在附加滑移变形等诸原因，更是限制了建筑物下采煤。山

区移动范围及移动角与平地有明显区别，照搬平地的参数和方法设计

山区建筑物保护煤柱，曾出现过不少问题，如阳泉的大、小南沟村等

都曾遭到不同程度的损坏。有关山区煤柱的留设，原规程【规定：“在

设计山区煤柱时，建筑物上坡方向移动角应减小以，建筑物下坡

方向移动角应减小~,;新规程嘲在原规程基础上作了修正：“当保

护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表倾角大于。时，应采用本矿

区求得的山区移动角留设保护煤柱，如无本矿区实测资料而采用

平地

移动角留设保护煤柱时，建筑物上坡方向移动角应减小~,下坡。。.;【戍：太原理工大学硕士学位论文

方向移动角减小~”。然而这只是原则性的规定，事实上只要地表倾角大于~。,采动地表滑移都有可能发生。对一些中硬覆岩近水平煤层开采的山区观测资料分析表明，由于山区采动滑移影响，

山区

基岩移动角不仅与上、下坡方向采动有关，而且也与开采深厚比有一

定关系。为了合理地留设保护煤柱，需要有一套合适的方法和理论，

目前煤柱设计的方法有垂直断面法、垂线法、数字标高投影法、椭圆

锥法、四次曲线法、临界面标高投影法等，其中后三种方法离实践应

用还有差距，所以并没得到应用。目前山区煤柱设计多采用垂直断面

法和垂线法，采用这两种方法时移动角是一个最重要的参数，而现在

山区煤柱设计所选用的移动角仅考虑了与上、下坡采动的关系，并未

考虑它与深厚比、采动次数以及地表倾角等的关系，另外山区所

有受

护建筑物采用同一组临界变形值是否妥当，以及目前围护带的选用参

数是否准确都是值