【大采高工作面顺槽煤柱破坏失稳机理研究】 无煤柱工作面

　　【摘 要】本文通过理论分析及数值计算分析煤柱支承压力的分布情况和煤柱弹性核率，研究大采高工作面顺槽煤柱破坏失稳机理。大采高综采工作面顺槽煤柱的稳定性直接影响着矿井的安全高效生产，其主要表现为回采巷道的支护难度及支护成本，因此，煤柱稳定性的研究一直煤矿生产中亟待解决的难题。
　　【关键词】煤柱稳定性；支承压力；弹性核；破坏形式
　　The research of Coal Pillar stable Mechanism in high mining height working face
　　NIU Caiji
　　(The Beiyan Coal Mine; Lanhua Coal Mining Group; Jincheng; Shanxi 048000; China)
　　Abstracts: This article through the theoretical analysis and numerical calculation and analysis of the abutment pressure distribution of coal pillar and pillar elastic nuclear rate, the big mining height the damage mechanism of coal pillar slot instability. Big mining height the fully mechanized working face the stability of coal pillar slot directly influence the safety and efficiency of the mine production, the main manifestation of the extraction roadway supporting difficulty and support costs, therefore, the stability of coal pillar research has been urgently to be solved in coal mine production of difficult problems.
　　Key words: instability of coal pillar. bearing pressure; elastic kernel; destruction forms
　　1.引 言
　　煤柱是回采巷道围岩的重要组成部分，它的稳定性直接影响到巷道围岩稳定性控制[1.2]。煤体采出后，煤柱可以对上覆岩层的移动变形起到一定的控制作用。影响煤柱稳定性的因素，主要有煤体自身的强度、煤柱承受的上覆岩层压力的大小、巷道顶底板岩性以及煤柱留设的尺寸。煤柱稳定性的研究以及煤柱合理尺寸的确定，一直是全球采矿领域极为关注的重要研究课题[3]。
　　2.顺槽煤柱支承压力分布规律
　　顺槽掘进后，煤柱由原有的三向应力状态转变为二向应力状态[4-6]，在其内部形成支承压力带，当煤柱周围的煤体回采后，应力重新分布，煤柱受支承压力的影响就愈加剧烈，此时，对煤柱的强度要求就尤为明显，煤柱的宽高比是影响煤柱强度的主要因素。下面分别对宽煤柱和窄煤柱的支承压力分布情况进行分析。
　　由图1可知，在上下区段工作面都已经采空的宽煤柱条件下，从煤柱外部边缘到内部，依次会出现破裂区、塑性区及弹性区，此时的弹性区为原岩应力区，煤柱能够保持稳定。图中Ⅰ为破裂区，此时煤体已经发生松动垮落，不能够承受上覆岩层压力，仅仅能够承受低于原始应力的载荷，因此也称为卸载区。图中Ⅱ为塑性区，此时煤体能够承受高于原岩应力的载荷，它与弹性区Ⅲ合起来称为应力升高区。弹塑性交界处的铅垂应力达到最大，且最大应力值接近4γH。
　　由图2可知，在上下区段工作面都已经采空的窄煤柱条件下，煤柱中央支承压力峰值增大，应力集中现象明显，曲线的中部接近水平，弹性核区宽度很小几乎完全消失，此时煤柱已经发生很大程度的破坏，煤柱在回采扰动情况下发生大变形，完全丧失其支撑能力。
　　3.煤柱破坏失稳机理
　　3.1 煤柱的受力分析
　　顺槽煤柱两侧煤体均采出后，采空区上覆岩层垮落，基本顶断裂形成砌体梁结构，结构的力学分析如图3所示。
　　为了便于计算，简化图4所示的结构图，利用多跨梁的理论对间隔煤柱与上覆岩层的平衡关系进行分析：
　　当F=FS时，煤柱处于稳定的临界状态。
　　——关键块B对煤柱的施加的力
　　即，
　　在此我们分两种情况对煤柱进行分析
　　①当煤柱处于弹性阶段时，，此时煤柱中存在弹性核，煤柱能够承受顶板的压力，不会发生严重变形破坏。
　　②当煤柱处于塑性阶段时，，此时煤柱中没有弹性核或者有很小的弹性核，已不足以承受顶板的压力，此时煤柱发生严重地破坏，造成顶板大面积垮塌。
　　3.2 煤柱的破坏形式
　　当煤柱所承受覆岩应力达到其极限承载能力或煤柱的变形达到其弹性极限时，煤柱将会破坏失稳。煤柱破坏机理与岩石单轴压缩试验类似。煤柱的破坏形式如图5所示。
　　a为剪切破坏，当煤柱受到剪应力的作用时，煤柱外部产生拉伸作用，使煤柱从表层开始破坏，形成煤壁片帮。b为纵向破坏，煤柱与顶底板之间没有软弱夹层，但由于煤柱宽度不足，致使中部处于水平拉伸状态。c为沿弱面或断层破坏，煤柱中含有软弱夹层或断层，当煤柱受到载荷作用时，软弱面或断层滑移，从而发生破坏。
　　3.3 煤柱的工作状态
　　随着工作面的推进，煤柱所承受的支承压力迅速增大又迅速减弱，然后在较小的压力水平趋于稳定状态。煤柱强度—变形曲线与煤柱载荷压力—变形曲线之间的相互关系，如图6所示。
　　图中曲线A为煤柱极限强度曲线，B、C、D为煤柱上压力变化曲线。由图6可知，煤柱有3种工作状态：