为了研究煤柱变形对被保护层保护范围的影响规律,以东林煤矿急倾斜保护层开采为工程背景,以煤柱弹塑性损伤变形理论和岩石力学理论为基础,采用现场取样实验室试验、物理相似模拟试验、数值计算和现场考察相结合的研究方法,展开了下保护层开采保护层内区段条带隔离煤柱对上部被保护层保护范围的影响规律研究,对于最大限度的安全回收煤炭资源、减少煤炭资源损失具有重要的理论实际意义和显著的经济效益。主要得到以下研究成果:(1)通过实验室试件力学试验,得到不同层位岩层试件的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比参数、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角等力学特性参数,为物理相似模拟试验和数值模拟计算提供重要的物理力学参数依据。(2)为确定物理相似模拟试验中的相似材料物理力学参数,对相似材料砂胶比、密度、残余含水量三个因素对相似材料单轴抗压强度、弹性模量以及泊松比的敏感性进行研究,得到了物理相似模拟试验材料的相似比;研究结果表明砂胶比、密度、残余含水率对相似材料单轴抗压强度存在交互作用,但对泊松比不存在交互作用,砂胶比和密度对弹性模量存在交互作用;研究得到了相似材料单轴抗压强度、弹性模量和泊松比与砂胶比、密度、残余含水率3个因素的回归方程。(3)物理相似模拟试验研究表明,上下区段工作面开采后,上部被保护层在煤柱影响范围内其膨胀变形曲线近似呈“V”型,上区段工作面对应的被保护层内膨胀变形值较下区段对应的被保护层内膨胀变形值高,膨胀变形的“V”型曲线中部的最小膨胀变形值在3‰直线的上方;明确了该区段煤柱并未在被保护层内产生未保护范围,说明被保护层这段区域内已消除了煤与瓦斯突出危险性。(4)基于煤层瓦斯流动的多物理场耦合理论,开展了保护层内煤柱倾向长度对被保护层内变形量和残余瓦斯压力影响的数值模拟研究,得到了保护层区段煤柱倾斜长度与被保护层的位移变形量的关系。研究结果表明,保护层区段煤柱倾斜长度越大,被保护层的位移变形量越小,上部被保护层的卸压变形曲线近似呈“M”型,当区段煤柱宽度大于约10m时,“M”型卸压变形曲线的中部将出现小于3‰的范围,说明此时将在被保护层内出现未保护范围。(5)对东林煤矿保护层开采后,被保护层在按《防突规定》划定的未保护范围的残余瓦斯压力、残余瓦斯含量和煤柱的垮落情况进行了现场考察。结果发现,被保护层内残余瓦斯压力均小于0.74MPa,残余瓦斯含量均小于8m3/t,保护层内区段煤柱在采动集中应力和自身重力作用下已垮落,仅剩余较薄煤线附于煤层顶底板间。