长平矿大采高综采面合理区段煤柱尺寸研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 作者姓名作者姓名 王亚东 指导教师指导教师 张宝安 申请学位申请学位 工学硕士 学科专业学科专业 采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控制 分类号 TD355 学校代码 10147 UDC 622 密 级 公开 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 长平矿大采高综采面合理区段煤柱尺 寸研究 长平矿大采高综采面合理区段煤柱尺 寸研究 Study on the reasonable retainment size of section coal pillar in the full-mechanized of changping mine with greater mining-height 致 谢 致 谢 论文是在张宝安教授的悉心指导下完成的， 在论文的选题、 撰写及定稿过程中， 导师都给予了精心指导和严格的要求。师从三载，收获颇丰，感触亦深，在将近三 年的求学过程中，导师渊博的学识、严谨的治学态度、忘我的工作作风，给我留下 了及其深刻的印象，导师优秀的做人品质、勤奋的习惯、身教重于言教的作风，又 给我树立起潜移默化的作用，这些都必将成为我受益终生的财富。在此，谨向导师 张宝安教授表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意。 感谢肖辉赞教授、陈学华教授、李刚老师在论文设计和写作期间给予的指导和 大力帮助。 感谢学友蒋元男、许鹏飞、黄俊杰和赵奇在三年的学习生涯中给予的诸多理解 和帮助。 感谢我的父母、家人，多年来一直关心着我的学业，给予我极大的支持和理解， 为培养我付出了巨大的努力，他们的爱将永远激励我奋发向上。 感谢矿业学院的领导和研究生部的各位老师，三年来对我的关怀和照顾。 感谢长平煤业有限责任公司的领导和同事们在论文的现场实测和工业性试验 中给予的大力协助。 最后衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评审本文。由于作者水平和时间的限 制，文中难免有不足、疏漏甚至错误之处，敬请各位专家、老师批评指正，并希望 得到更多的指导和帮助。 - I - 摘 要 摘 要 我国很多矿区赋存有 6.0m 左右的厚煤层，大采高综采工艺逐步成为安全、高 效开采这类煤层的一种新方法。然而，大采高综采面合理的区段煤柱留设尺寸是确 保其安全、高效回采和最大限度回收煤炭的至关重要的问题。虽然区段煤柱留设尺 寸的问题前人做了诸多研究，并取得一定的研究成果，但针对具体条件下大采高综 采工作面合理区段煤柱留设尺寸进行研究，无疑具有一定的理论意义和实用价值。 论文以长平矿大采高工作面区段煤柱尺寸留设为具体的研究背景，基于理论分 析、数值模拟和现场实测等研究手段，对长平矿大采高工作面合理区段煤柱尺寸进 行研究。通过现场实测分析长平矿大采高工作面侧向支承压力的分布规律，为工作 面合理煤柱尺寸的确定积累可靠的实测依据，通过理论分析计算和数值模拟手段， 对实现煤柱稳定的合理尺寸进行研究，并基于以上研究结果分析，确定适合长平矿 大采高工作面的合理区段煤柱尺寸。最后，对确定的区段煤柱尺寸进行工业性试验， 并进行矿压观测，以此验证所留设煤柱尺寸的合理性。 论文的研究成果为长平矿大采高工作面合理区段煤柱尺寸留设提供了理论基 础和实测基础，并对相似条件下区段煤柱尺寸的留设具有一定的借鉴参考价值。 关键词大采高；区段煤柱；留设尺寸； - II - Abstract Abstract Assigned in many mining area there are about 6.0M in thick coal seam in China, with large mining height fully-mechanized technology becomes increasingly secure, a new of high efficiency mining such seams. However, reasonable in fully-mechanized mining face with large mining height coal pillar size is ensure their safe, efficient coal-mining and maximize recycling issues of critical importance. Although the problem of coal pillar size predecessors did a lot of research, and achieved certain results, but with large mining height fully-mechanized face under specific conditions study on rational coal pillar size, undoubtedly has a certain amount of theoretical and practical value. Papers takes the large mining height coal pillar size design of the Changping coal mine as the specific research background, based on theoretical analysis, numerical simulation and field test research on means of Changping coal mine working face with large mining height study on rational coal pillar size. Through onsite field study of Changping coal mine with large mining height face abutment pressure distribution laws, to face reasonable pillar dimension of accumulation of reliable measurement basis, by means of theoretical analysis and numerical simulation, undertake a study on realization of coal pillar stability of reasonable size, and based on the above analysis of the findings, determine the appropriate rational section of Changping coal mine working face with large mining height coal pillar size. Finally, to determine industrial experiment of coal pillar and ground pressure observation, to verify the rationality of design coal pillar size. Papers of the research results to Changping coal mine working face with large mining height and rational coal pillar size design provides the theoretical basis and test basis, and under similar conditions of coal pillar size design has the certain reference value. Key Wordslarge mining height; coal pillar; stay set size; - III - 目 录 目 录 摘 要 ........................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 研究背景及其意义 ............................................................................. 1 1.2 国内外研究状况 ................................................................................ 2 1.2.1 大采高综采技术发展现状 ............................................................ 2 1.2.2 区段煤柱尺寸留设理论研究现状 ................................................. 3 1.3 研究的主要内容 ................................................................................ 4 1.4 研究方法与技术路线 ......................................................................... 4 2 大采高综采工作面区段煤柱留设理论综述 ................................................. 5 2.1 区段煤柱的应力分布规律 ................................................................. 5 2.2 区段煤柱的受力变形过程 ................................................................. 7 2.3 区段煤柱稳定性的影响因素及其破坏形式 ....................................... 9 2.4 区段煤柱护巷的基本类型 ............................................................... 10 2.5 宽煤柱合理尺寸留设基本条件与原则 ............................................. 10 2.6 留小煤柱护巷机理分析 ................................................................... 12 2.7 本章小结 .......................................................................................... 13 3 长平矿大采高综采工作面合理区段煤柱尺寸留设研究 ............................ 14 3.1 区段煤柱合理尺寸留设理论分析 .................................................... 14 3.1.1 宽煤柱尺寸留设理论分析 .......................................................... 14 3.1.2 小煤柱尺寸留设理论分析 .......................................................... 19 3.2 区段煤柱尺寸留设现场实测分析 .................................................... 23 3.2.1 工程地质概况 ............................................................................. 23 3.2.2 区段煤柱侧向支承压力分布规律实测分析 ................................ 25 3.3 区段煤柱合理尺寸留设数值模拟分析 ............................................. 33 3.3.1 软件简介 .................................................................................... 33 - IV - 3.3.2 模型建立 .................................................................................... 34 3.3.3 模拟结果与分析 ......................................................................... 36 3.4 区段煤柱合理尺寸的确定 ............................................................... 59 3.5 本章小结 .......................................................................................... 59 4 长平矿大采高综采工作面合理区段煤柱尺寸留设现场实测验证 ............. 60 4.2 回采巷道稳定性现场观测方案 ........................................................ 60 4.2.1 回采巷道表面位移观测方案 ...................................................... 60 4.2.2 回采巷道顶板离层观测方案 ...................................................... 61 4.3 回采巷道现场实测数据分析 ............................................................ 62 4.3.1 回采巷道表面变形观测结果与分析 ........................................... 62 4.3.2 回采巷道顶板离层观测结果与分析 ........................................... 65 4.4 本章小结 .......................................................................................... 67 5 结论与展望 ............................................................................................... 68 5.1 结论 ................................................................................................. 68 5.2 展望 ................................................................................................. 68 参 考 文 献 ................................................................................................... 69 附录 A 附录内容名称 .................................................................................... 71 作 者 简 历 ................................................................................................... 72 学位论文数据集 .............................................................................................. 74 - - 1 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景及其意义研究背景及其意义 煤炭是我国的主要能源，对国民经济建设有着重要的战略意义。其中，厚煤层 的储量占总储量的 45％，厚煤层开采产量占 50％。因此厚煤层的开采技术几乎决 定着整个煤炭行业的技术面貌及经济效益。厚煤层开采方法有三种分层开采、放 顶煤开采及大采高综采[1]。 分层开采是传统的采煤方法，技术成熟，但随着综放技术的发展，其缺点也越 来越突出，如巷道的掘进率高、下分层巷道的支护难度大、区段煤柱的损失量大、 开采成本高等。近 20 年来，综放开采技术得到了快速发展，取得一系列有价值的 科研成果，为我国高产高效矿井的建设做出了巨大贡献。但不可否认的是，综放开 采[28]尚有很多技术难题未得到根本性解决，如回收率低，煤尘大，自燃的危险等， 因此其适用条件仍需进一步深入研究。 我国很多矿区赋存有 6.0m 左右的厚煤层，大采高综采工艺逐步成为安全、高 效开采这类煤层的一种新方法。目前，大采高综采的开采技术研究主要集中在采场 围岩控制、综采支架及其配套设备、开采工作面参数的确定等方面，而对大采高综 采工作面区段煤柱稳定性及其合理煤柱尺寸的研究还相对较少。 大采高综采工作面区段煤柱具有以下特点 1 矿山压力大。 2 大采高综采工作面区段煤柱的高度大。 3 顶板不稳定性大。随着采高加大，回采空间围岩应力有升高的趋势。工作 面采高加大，其上覆岩层断裂垮落后产生的自由空间影响也较大。 大采高综采面合理的区段煤柱留设尺寸是确保其安全、高效回采和最大限度回 收煤炭的至关重要的问题。虽然区段煤柱留设尺寸的问题前人做了诸多研究，并取 得一定的研究成果，但针对具体条件下大采高综采工作面合理区段煤柱留设尺寸进 行研究，无疑具有一定的理论意义和实用价值。 - - 2 论文以长平矿大采高工作面为具体研究背景，基于理论分析、数值模拟和现场 观测相结合的方法研究探索适合长平矿大采高综采工作面合理区段煤柱留设尺寸， 为长平矿大采高工作面合理区段煤柱尺寸留设提供理论依据和设计参考。 1.2 国内外研究状况国内外研究状况 1.2.1 大采高综采技术发展现状 俄罗斯、德国、波兰、捷克、英国、日本等国从 20 世纪 60 年代开始就发展采 用大采高综采。20 世纪末期以来，随着高新技术不断向传统采矿领域渗透，实现了 从普通综合机械化生产向高产高效集约化生产的根本性转变。这一发展过程表明， 国外对大采高综采技术的研究主要侧重采煤装备，通过对综采设备不断更新换代， 采用重型化、自动化、强力化和机电一体化的设备，走生产集中的途径，使工作面 的单产和工效得到大幅度提高[2]。 我国 1978 年从德国引进大采高综采设备，并开始研究大采高综采技术，1998 年以后大采高技术得到飞快发展[1]。目前，大采高综采面最高单产均在 1100 万 t/ 年以上，已经处于国际领先水平。 目前，我国大采高综采技术及其存在问题呈现以下发展趋势 （1）大采高的开采高度持续增大，由最初的 3.5m 到现在的 6.0m 左右，随着 7.0m 高性能液压支架的研制成功，采高将继续扩大，大采高综采技术的使用范围将 进一步扩大[31]。 （2）大采高综采技术由煤层赋存状况相对简单的神东、晋城等矿区向赋存结 构复杂的两淮、阳泉、潞安等矿区推广[4]。 （3）随着采煤高度的增加，采场支架与围岩的相互适应状况不同于普通综采， 采场矿压显现较大，煤壁片帮与冒顶事故加剧[3]。 伴随大采高技术的发展，煤壁片帮、架前漏顶、大采高综采面液压支架的稳定 性、支架-围岩系统控制和综采设备配套、区段煤柱合理尺寸留设等均是亟待解决的 问题[4]。 - - 3 1.2.2 区段煤柱尺寸留设理论研究现状 国外对区段煤柱尺寸留设理论研究较早，并且提出了多种相关理论。而我国 则基于这些理论，不断结合国内自身的情况，丰富了其内容，增加了这些理论的实 用性。 区段煤柱尺寸留设理论研究需要从煤柱强度、煤柱荷载与煤柱稳定性三个角度 去探索。目前，国内外研究理论成果主要内容如下 ① Gaddy 等人提出 Hollad-Gaddy 公式，其主要是提出实验室测得的煤岩强度 与煤柱强度之间的关系。 ② 格罗布拉尔认为煤柱核区内部的强度不一样， 并通过研究煤柱核区强度与实 际应力存在某种程度上联系，进而提出核区强度不等理论。 ③ K.A.阿尔拉麦夫和 E.C.科诺年科利用弹性力学理论，把煤柱与顶板的接触 面理想化，提出了极限平衡理论。我国侯朝炯、吴立新等人基于 Allamif 理论发展 并完善了极限平衡理论。 ④ 罗兰、理查德等人假想各煤柱支撑着它上部及与其相邻煤柱平分的采空区 上部覆岩的重量，提出有效区域理论。 ⑤ A.H.Wilson 根据煤柱具有三向强度特性，同时结合煤柱承受的载荷与采空 区内各点顶底板闭合量，提出了 A.H.威尔逊两区约束理论。 ⑥ 通过分析采空区上方压力拱形状为椭圆形的形成，上覆岩层的负载只有很 少一部分作用到直接顶上，其它部分的覆岩重量会向采面两侧的煤体拱脚转移， 拱有内宽和外宽，分析采宽与拱内外宽的关系，进而研究得出压力拱理论。 ⑦ 谢和平等提出了煤柱的破坏失稳是典型的非线性过程； 高玮通过极限平衡法 分析了煤层倾角对煤柱稳定性的影响[7]。侯朝炯教授提出用沿空掘巷围岩大、小结 构的稳定性原理指导综放沿空掘巷的实践以及目前应用弹塑性力学、数值仿真技术 等研究方法来研究煤柱的尺寸留设问题。这些均是从煤柱稳定性角度进行理论的研 究。 - - 4 1.3 研究的主要内容研究的主要内容 论文研究主要意旨是确定长平矿大采高工作面合理区段煤柱留设尺寸，论文主 要研究内容如下 1）区段煤柱应力分布规律及变形过程研究； 2）区段煤柱稳定性影响因素及其破坏形式分析； 3）留小煤柱护巷机理分析； 4）长平矿大采高工作面区段煤柱合理留设尺寸理论研究； 5）长平矿大采高工作面侧向支承压力分布规律实测研究； 6）长平矿大采高工作面合理煤柱尺寸留设数值模拟研究； 7）基于以上研究，确定出长平矿大采高工作面合理煤柱留设尺寸，并通过巷 道稳定性实测结果验证煤柱留设尺寸的合理性。 1.4 研究方法与技术路线研究方法与技术路线 论文以理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法，对长平矿 3煤层大 采高综采工作面区段煤柱合理尺寸留设进行研究。研究技术路线如下图 1.1 所示。 图 1.1 研究技术路线图 Fig.1.1 The technical route draw of research - - 5 2 大采高综采工作面区段煤柱留设理论综述 2 大采高综采工作面区段煤柱留设理论综述 大采高综采工作面区段煤柱留设尺寸大小直接影响着矿井的安全高效生产，主 要表现在回采工作面上下两巷与区段煤柱是否相对稳定[8]。故需要从区段煤柱的应 力分布规律、受力变形过程、稳定性影响因素、护巷方式等角度去研究。 2.1 区段煤柱的应力分布规律区段煤柱的应力分布规律 （1）一侧采空区煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布 当工作面刚回采完，煤柱中各点随着与采空区边缘距离 x 增大而各自承受的应 力呈现减小趋势，并按照负指数曲线关系衰减[9]。随着时间的推移，煤柱发生屈服 现象，煤柱（体）逐渐变化成图 2.1 中 2 所示，此时由煤柱（体）的边缘到深部， 依次会出现塑性区（靠采空区一侧的应力低于原岩应力的部分称为破裂区）、弹性 区、原始应力区[25]。并且煤柱（体）所承受的应力先是随着与采空区边缘距离 x 的 增大而增大，当增大到峰值点时，应力随着与采空区边缘距离 x 的增大而减小，直 到减小到原始应力（即未受采动影响区域煤柱（体）自身所承受的应力）并保持恒 定。 图 2.1 煤柱（体）的弹塑性变形区及铅直应力分布图 Fig.2.1 Elastic-plastic deation zone and plumb stress distribution of pillar 1弹性应力分布；2弹塑形应力分布 Ⅰ破裂区；Ⅱ塑性区；Ⅲ弹性区应力升高部分；Ⅳ原始应力区 - - 6 （2）两侧采空区煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布 当煤柱两边都是采空区时，煤柱上的应力分布状态主要取决于回采引起的侧向 支承压力影响距离 L 及煤柱宽度 B[11]，故主要有三种类型 ① 当 B＞2L 时，煤柱中央的载荷为均匀分布，且值为原岩应力Hγ。由于煤 柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍为破裂区、塑性区、弹性区，以及原 岩应力区。其分布见图 2.2。 ② 当 2L＞B＞L 时，在煤柱中央出现支承压力的叠加，应力大于Hγ，沿煤柱 宽度方向应力呈马鞍形分布，弹塑性变形区及应力分布见图 2.3。 ③ 当 B＜L 时，两侧边缘的支承压力峰值将会重叠在一起，煤柱中部的载荷 急剧增大，应力趋向于均匀分布见图 2.4。 图 2.2 煤柱宽度很大时弹塑性变形区及铅直应力分布图 Fig.2.2 Elastic-plastic deation zone and plumb stress distribution of pillar in largest coal pillans Ⅰ破裂区；Ⅱ塑性区；Ⅲ中部为原岩应力的弹性区（弹性核） 图 2.3 煤柱宽度较大时弹塑性变形区及铅直应力分布图 Fig.2.3 Elastic-plastic deation zone and plumb stress distribution of pillar in larger coal pillans Ⅰ破裂区；Ⅱ塑性区；Ⅲ应力升高的弹性区（弹性核） - - 7 ⅠⅡⅢⅠⅡ 图 2.4 宽度较小时煤柱的塑性区变形区及在铅直应力分布图 Fig.2.4 Elastic-plastic deation zone and plumb stress distribution of pillar in smaller coal pillans Ⅰ破裂区；Ⅱ塑性区；Ⅲ弹性区（弹性核） 2.2 区段煤柱的受力变形过程区段煤柱的受力变形过程 煤柱从形成到屈服破坏遵循一个渐进过程。 从煤柱垂直应力分布形态分析， “马 鞍形”是典型的稳定煤柱应力分布形态，而“拱形”则是失稳或屈服破坏状态下煤 柱应力分布的重要特征[5]。煤柱受力变形到破坏的全过程（见图 2.5）可分以下几个 阶段 1 工作面回采之前，煤柱主要受到上覆岩层均匀载荷的作用。 2 煤柱一侧回采完，在煤柱内一定深度形成侧向支承压力带和一定宽度的塑 性区域，侧向支承压力的峰值不大于煤柱的极限强度[28]。 3 煤柱两侧全部采完形成条带煤柱，若煤柱有足够的支撑能力并保持稳定， 则煤柱上形成的垂直应力呈“马鞍形”分布，煤柱两侧均有一定宽度的塑性区，边 界支撑能力基本为零，侧向支承压力的峰值应力不大于煤柱的极限强度，核区垂直 应力分布近似为抛物线[10]。 4 受到周围其它采动过程的影响，煤柱上的应力均发生相应的变化，两侧塑 性区进一步扩展，峰值应力逐渐达到煤柱极限强度，核区中心的应力上升但小于峰 值应力，垂直应力分布形态仍呈现“马鞍形”[16]。 5 伴随着充分采动程度的增加与周围采动影响的扩展，以及煤体自身材料属 性的改变等原因，使得煤柱两侧塑性区进一步扩展，核区中心应力达到煤柱极限强 度，核区应力稍有上升煤柱将迅速失稳，故“平台型”应力可作为煤柱由稳定向失 稳过渡的临界标志，是煤柱设计的重要判据。 - - 8 6 煤柱开始屈服，煤柱核区消失，两侧塑性区贯通。其支撑能力迅速降低， 煤柱中心应力小于煤柱极限强度，应力分布为“拱形”。 7 煤柱以蠕变状态继续屈服，其支撑能力不断降低，煤柱中心应力小于煤柱 极限强度，“拱形”应力分布曲线呈“瘫痪”式，煤柱已发生破坏。 图 2.5 煤柱变形失稳动态变化过程 Fig.2.5 Stresses acting on strip pillar’s stress distribuition and observation - - 9 2.3 区段煤柱稳定性的影响因素及其破坏形式区段煤柱稳定性的影响因素及其破坏形式 （1）区段煤柱稳定性的影响因素 影响区段煤柱稳定性的外在因素有地质构造、埋藏深度、煤层倾角、围岩结构、 围岩强度等[21]，其中地质构造影响是最主要的。在构造特别复杂的矿井中，煤柱内 部节理、裂隙等弱面较多，煤柱自身完整性差，严重影响煤柱自身的稳定性。 影响区段煤柱稳定性的内在因素主要是煤柱强度的影响因素。而影响煤柱强度 的因素有煤柱的宽高比、煤岩体岩性、煤柱所受的围压、煤柱与顶底板相互作用方 式、承载时间、煤层倾角、采区工作面几何形状、水和湿度等[15]，其中煤柱的宽 高比是影响煤柱强度的主要因素。当煤柱宽高比较小时，煤柱会形成材料力学上研 究的杆件，煤柱强度低；当煤柱宽高比较大时，煤柱中央处于三向压缩状态，另外 煤柱内部在抵抗变形时会产生一个侧向约束的分力，并且当煤柱承受的压力不变 时，该分力会随着宽高比的增大而增大，同时，当增加到一定值后保持恒定[22]。 （2）区段煤柱的破坏形式 煤柱的破坏是指当煤柱所承受的应力达到煤柱极限承载能力或使煤柱变形达 到其弹性变形极限时， 煤柱将发生破坏。 煤柱的破坏类型最常见的主要有以下几种 沿弱面破坏。煤柱中含有软弱夹层，当煤柱受到载荷作用时，软弱夹层被挤出， 从而发生破坏。 剪切破坏。当受到切向剪应力的作用时，煤柱表层产生拉伸作用，使煤柱从表 层开始破坏。 纵向破坏。煤柱与顶底板之间没有软弱夹层，但煤柱受到载荷作用，上下两端 呈现水平压缩状态，致使中部处于水平拉伸状态。 巷道开挖解除了对围岩的约束作用，再加上采动等矿山压力作用，使煤柱两侧 的表层煤体内发生应力松弛，存在低应力破坏区，因此导致煤柱上的最大应力集中 部位产生在距离煤壁一定深度内。倘若煤柱尺寸留设过小有可能导致煤柱两侧的应 力集中叠加，加速煤柱的破坏[5]。 - - 10 2.4 区段煤柱护巷的基本类型区段煤柱护巷的基本类型 采准巷道大多数均布置在煤层中，煤柱尺寸不仅在极大程度上影响着巷道围岩 的稳定性，而且还影响着煤炭资源的采出率。留设较大的煤柱尺寸虽然对巷道维护 有利， 但却会造成煤炭资源的巨大浪费[33]， 所以煤柱尺寸的合理留设具有重要意义。 针对回采巷道，我国主要采用三种煤柱作为护巷方式第一种是无煤柱护巷； 第二种是窄煤柱护巷；第三种是宽煤柱护巷。 无煤柱护巷分为完全沿空掘（留）巷和留小煤柱护巷。完全沿空掘（留）巷不 留护巷煤柱，有利于提高煤炭资源的采出率，但由于巷道施工过程比较困难，还需 进行必要的巷旁支护，因此目前应用比较少。而留小煤柱护巷已得到广泛应用，这 种方法既可使巷道处于应力降低区， 又可隔离上区段的采空区，技术经济效益显著。 留窄煤柱护巷是一种煤柱受力状态处于较恶劣环境下的留设方式，煤柱尺寸选 择一旦不合理，则巷道围岩变形剧烈，破坏严重，导致维护困难。 宽煤柱护巷虽然有利于煤柱的稳定和巷道维护，但是煤柱尺寸越大，煤炭资源 损失也就越大。以损失大量煤炭资源来维护巷道的稳定是不可取的，应以保证煤柱 的稳定和最大限度的回收煤炭资源来确定煤柱尺寸才是可取的。 2.5 宽煤柱合理尺寸留设基本条件与原则宽煤柱合理尺寸留设基本条件与原则 一、宽煤柱合理尺寸留设基本条件 宽煤柱通常一侧为回采空间，一侧为回采巷道。回采空间和回采巷道在宽煤柱 两侧形成各自的塑性变形区域，塑性区的宽度分别为 x0与 x1 。 宽煤柱保持稳定的基本条件是当煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在 一定宽度的弹性核区，弹性核的宽度应不小于煤柱高度的 2 倍 [8]。 （如图 2.6 所示） 01 x2mxB ＋＋ 2.1 - - 11 1 2 M x1x 0 B m 图 2.6 煤柱的弹塑性变形区及应力分布 Fig.2.6 Elastic-plastic deation zone and plumb stress distribution of pillar 二、宽煤柱合理尺寸留设基本原则 1 最大限度减少煤柱损失 当煤柱宽度较大时，煤柱两侧各有一个处于应力降低的塑性区，而在煤柱中央 则有一个弹性核区；当煤柱宽度较小时，煤柱中央弹性核区将消失，整个煤柱完全 处于塑性区内。所以能够保持弹性核区的最小煤柱宽度，成为所要设计的稳定煤柱 宽度。但是，从减少煤柱尺寸，降低煤炭损失率，提高采区回采率角度考虑，尽管 不能保证煤柱受到采动影响后仍能保持较大的弹性核，但绝对不允许煤柱出现松动 破坏的现象，而应使煤柱在经受动压影响后仍具有较高的强度和自承能力。 2 控制巷道围岩变形量 合理的煤柱尺寸需要控制巷道围岩变形量，使得围岩变形要满足通风、运输及 行人等生产任务所要求的断面使用要求。 3 有利煤柱自身稳定 煤柱的尺寸大小直接关系到煤柱自身的承载能力。煤柱过窄，导致煤柱遭到破 坏，丧失自承能力，致使巷道稳定性差；煤柱过宽，导致采区回采率低，煤炭损失 严重[32]。 4 适应采场应力变化规律 合理的留巷位置，既要考虑采场来压顶板断裂的位置，又要考虑采场推过稳定 后支承压力的长期对煤柱作用的影响。 5 充分发挥锚杆支护作用 - - 12 煤柱的支护对其稳定也有至关重要的作用。采用锚杆支护加固煤柱，有利于减 小煤柱尺寸，降低煤炭损失，提高采区回采率[17]。 2.6 留小煤柱护巷机理分析留小煤