煤柱的留设

一、护巷煤柱的稳定性留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区（图7-1）。煤柱的宽度一般为10～30m。图7-1留煤柱护巷示意图（一）煤柱的载荷1．煤柱载荷的估算煤柱上的总载荷为：42ctgLHLBp(7-1)式中p—煤柱上的总载荷，kN；B—煤柱宽度，m；δ—采空区上覆岩层垮落角；γ—上覆岩层平均容重，kN／m3。煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：BctgLHLBBp42(7-2)图7-2计算煤柱载荷示意图2．煤柱宽度的理论计算hBRctgLHLBBC222.0778.04110002（7-3）hBRctgLHLBBC36.064.041100012（7-4）（二）煤柱的应力分布1．一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力的分布假设采空区周围的煤柱（体）处于弹性变形状态，煤柱的垂直应力σy的分布如图7-3中1所示。σy随着与采空区边缘之间距离x的增大，按负指教曲线关系衰减。在高应力作用下，从煤体（煤柱）边缘到深部，都会出现塑性区（靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区）、弹性区及原岩应力区（图7-3）。弹塑性变形状态下，煤柱（体）的垂直应力σy的分布如图7-3中2所示。护巷煤柱图7-1留煤柱护巷示意图回采工作面上区段采空区区空采下区段回风平巷运输平巷回风平巷图7-3煤柱（体）的弹塑性变形区及垂直应力分布1—弹性应力分布；2—弹塑性应力分布；Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区应力升高部分；Ⅳ—原始应力区支承压力峰值与煤体（煤柱）边缘之间的距离x0的方程式为：CctgpCctgHKfMx10ln2（7-5）式中K—应力增高系数；p1—支架对煤帮的阻力；M—煤层开采厚度；C—煤体的粘聚力；φ—煤体的内摩擦角；f—煤层与顶底板接触面的摩擦系数；ξ—三轴应力系数，sin1sin1。在生产实际中，x0的变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。2．两侧采空煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布两侧均已采空的煤柱，其应力分布状态主要取决于回采引起的支承压力影响距离L及煤柱宽度B，主要有三种类型：①B＞2L时（图7-4），煤柱中央的载荷为均匀分布，且为原岩应力γH。由于煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，一般仍将出现破裂区、塑性区、弹性区、以及原岩应力区。②2L＞B＞L时，在煤柱中央由于支承压力的叠加，应力大于γH，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7-5。③B＜L时，两侧边缘的支承压力峰值将重叠在一起，煤柱中部的载荷急剧增大，应力趋向于均匀分布（图7-6）。受两侧采动影响时，K值可达到4～5以上，在煤柱中央可能因长期处于塑性流动状态而遭到严重破坏。图7-4煤柱宽度很大时弹塑性变形区及垂直应力分布图7-5煤柱宽度较大时弹塑性变形区及垂直应力分布ⅠⅠ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—中部为原岩应力的弹性区（弹性核）Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—应力升高的弹性区（弹性核）图7-6宽度较小时煤柱的塑性变形区及垂直应力分布Ⅰ—破裂区；Ⅱ—塑性区；Ⅲ—弹性区（弹性核）