沿空掘巷煤柱合理宽度的研究与实践

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沿空留巷煤柱合理预留宽度研究

2651 前言在多年的开采过程中，众多开采难题制约着发展，其中沿空留巷煤柱留设稳定性是一个较为突出的问题。

沿空留巷是指利用上个采空区的运输巷道或者回风巷道为下个工作面开采提供条件的一种技术，但受到工作面采动影响，此时留巷极易发生垮落变形，留巷煤柱上方覆岩在达到承载极限后会发生断裂，严重影响煤柱稳定性[1-2]，造成巷道报废，严重困扰着煤矿安全生产，所以针对沿空留巷煤柱留设宽度进行研究对于留巷成功与否十分关键[3-4]，此前众多学者对此进行过一定的研究，本文基于前人的研究，对煤柱合理留设宽度进行分析，为矿井安全提升，效益提升做出一定的贡献。

2 矿井概况及数值模拟研究正利矿位于山西省岚县县城东南10km处，井田面积为9.26km 2，设计生产能力1.5Mt/a。

14102综采工作面现开采山西组4#煤层，煤层平均厚度3.5m。

工作面在回采后，此时的煤柱的应力分布情况不仅与巷道掘进和工作面回采支撑压力有关有关，同时其与煤柱宽度有着密切的关系，煤柱与煤柱宽度有关，支撑压力与煤柱宽度存在3种情况：分别为当煤柱宽度较小，此时的支撑压力范围会超过煤柱宽度，此时的煤柱塑性区域增大，由于回采及掘进的影响使得煤柱两侧的支撑压力暴增，煤柱承担载荷较大，随着支撑时间的不断推移，此时由于覆岩和采动双重作用下，此时的煤柱稳定性进一步被破坏，但塑性区域发生贯通时，此时的煤柱无法承担载荷，从而发生失稳破坏，严重威胁着矿井安全。

当煤柱宽度较大时，此时支撑压力影响范围小于煤柱宽度，在巷道回采及掘进双重作用下，此时煤柱两侧的支撑压力值仍会升高，达到支撑压力的峰值，但此时煤柱中间部位仍为弹性区域，煤柱的支撑压力呈现出类似“马鞍”形态，能承担较大荷载，此时巷道稳定性得到有效保障。

当煤柱宽度极大时，此时支撑压力影响范围远小于煤柱压力影响范围，巷道掘进和回采的影响下煤柱两侧的支承压力仍会升高，达到支撑压力峰值时，此时的弹性核区的支撑压力原低于原岩应力。

综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用

煤
炭
工
程
２１００年第７期
综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用
于洋，柏建彪，陈科肖同强，
（．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州１２１１；２Ｉ６２１０）２０８２．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州
摘
要：采用极限平衡理论和数值模拟方法对综采工作面沿空掘巷窄煤窄煤柱与巷道围岩变形量的关系，确定了合理的窄煤柱宽度，并应用于工程
实践。实践结果表明研究确定的窄煤柱宽度合理、技术和经济效益显著，对类似条件下综采工作
ＹＵＹａｇ，Ｂｉｎ—ｂａ，ＣｎＡＩＪａｉｏＨＥＮＫｅ，ＸＩｏｇ—ｑａｇＡＯＴｎｉｎ
（．ｃｏｌｆｎｎｎｉｅｒｇｈｎｎｖｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｚｏ２１６，ｈｎ；１ＳｈｏｏＭｉｉｇＥｇｅｉ，ＣｉａＵｉｓｙｏＭｉｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｕｈｕ２１１Ｃｉａｎｎｅｔｏ２ＳａｅＫｙＬｂｏｏｌｅｏｒｅｎａｅｎｎ，ＣｉａＵｉｒｉｆｎｎｎｅｈｏｇ，ｕｈｕ２１０，ｈｎ）．ｔｅａｆａｓｕｃｓｄＳｆｙＭｉｉｇｈｎｎｖｓｙｏｉｇａｄＴｃｎｌｙＸｚｏ２０８ＣｉａｔＣＲａｔｅｔＭｉｏ
Ａｂｔａｔｈｉｔａａｃｈｏｙａｄｎｍｅｉａｓｍｕａｉｎｍｅｈｄｗｒｐｌｄｔｎｌｚｈａｉｎｌｗｄｈｏｅｎｒｏｓｒｃ：Ｔｅｌｌｎｅｔｅｒｎｕｒｃｌｉｌｔｔｏｅｅａｐｉｏａａｙｅｔｅｒｔａｉｔｆｔａｒｗｍｉｂｏｅｏｈｃａｉａｏｈａｅｙｄｉｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｃａｉｅｏｌｍｉｉｇｆｃ．ＡｃｏｄｎＯｔｅｒｌｔｎｈｐｏｌｐｌｒｆｒｔｅｇｔｗａｒｎｌｎｈｏｆｏｈｕｌｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｌｖｙｃｒｉｇｔｈｅａｉｓｉｏｂｔｅｈｉｅｅｔｄｈｎｒｏｏｌｐｌｒｎｈｕｒｕｄｎｏｋｄｆｒｔｎｖｌｅｏｅｍｉｅｇｔｗａ，ｔｅｒｔｎｌｅｗｅｎｔｅｄｆｒｎｔａｗｃａｉａｓａｄｔｅｓｒｏｎｉｇｒｃｅｏｍａｉａｕｆｔｎａｅｙｈａｉａｆｗｉｌｏｈｏｉｔｆｔｏｐｌｗａｅｐａｄｗｓａｐｉｏｔｅｅｇｎｅｎｒｃｉｓｈｒｃｉｅｕｔｈｗｄｔａｅｎｒｏｗｄｈｏｅｃａｉａｓｓｔｕｎａｐｌｄｔｈｎｉｅｒｇｐａｔｅ．Ｔｅｐａｔｅｒｓｌｓｓｏｅｈｔｈａｒｗｈｌｌｒｅｉｃｃｔｃａｉａｄｈｓｕｉｄａｄｓｔａａｉｎｎｅｔｃｎｃｌａｄｅｏｏｃｒｓｌｅｅｏｖｏｓｈｒｃｉａｅｕｔｏｌｏｐｌｒｌｌｗｉｔｔｄｅｎｅｓｒｔａａｄｔｅｈｉａｎｃｎｍｉｅｕｔｗｒｂｉｕ．Ｔｅｐａｔｌｒｓｌｃｕｄｗｏｌｈｓｃｓｐｏｉｅｔｅｃｒｉｕｄｎｅｔｅｅｒｔｎｌｄｈｏｅｎｒｏｏｉａｒｔｅｇｔｗａｒｉｇａｏｇｔｅｇａｆｔｅｆｌｒｖｄｅｔｎｇｉａｃｏｓｔｈａｉａｔｆｔａｒｗｃａｐｌｒｏａｅｙｄｉｎｎｏｆｌｈａｔｏｗｉｈｌｌｆｈｖｌｈｏｈｕｙｍｅｈｎｚｄｃａｎｎａｅｕｄｒｔｅｓｌｒｃｎｉｏｓｃａｉｅｏｍｉｉｇｆｃｎｅｈｉａｏｄｔｎ．ｌｍｉｉＫｅｒｓａｅａｒｖｎｏｇｇａ；ｎｒｏｏｌｐｌｒｗｉｔｙｗｏｄ：ｇｔｗｙｄｉｉｇａｎｏｆａｒｗｃａｉａｄｈ；ｎｍｅｃｉｌｔｎｌｌｕｒａｓｉｌｍｕａｉｏ

矿大采高沿空掘巷合理煤柱尺寸研究-第4章

4 袁店一矿1022风巷窄煤柱合理尺寸确定4Reasonable Narrow Coal Pillar Size of 1022 Return Airway in Yuandian Coal Mine4.1 沿空掘巷窄煤柱基本特征(The Narrow Coal Pillar Basic Features of Gob-side Entry Driving)采空区一侧回采巷道留设窄煤柱沿空掘巷是一种减少煤炭损失，提高回采效率的新方法，尤其是在深部矿井的工作面越来越多的被采用。

对于大采高工作面来说，由于其开采深度大，从而造成地压大，相应的煤层硬度不高，从而出现的流变现象严重，而沿空掘巷工作面留设的窄煤柱一般不大，在3～7m的范围内，由于煤柱较小，所以其易受采动的影响，在采动过程中会产生较大的变形破坏，而且其发生破坏特征也无规律可循。

如图3-10所示，大采高沿空掘巷窄煤柱是指在上一工作面开采完毕之后，采空区上覆顶板由于下方悬露距离较大而发生冒落，当冒落矸石稳定时，沿着采空区一侧为沿空掘巷做准备而所留设的一段宽度的煤柱，按照传统护巷煤柱宽度的概念，以1022工作面为例（见图2-1），即在沿空掘巷和右侧1021工作面采空区之间，若留设宽度3～7m的煤柱则此煤柱被称为窄煤柱，若留设的煤柱宽度为20～30m的煤柱，则此煤柱被称为宽煤柱。

大采高工作面在其工作面向前推进煤层开采过后，则与其临近的煤体或者是煤柱上以及沿着煤壁侧的一定范围冒落区内将形成增压区、减压区、免压区。

当1021工作面开采形成采空区之后，由于煤层所开采的厚度比较大，其上方直接顶冒落的岩石和开采完剩下的余煤无法将采空区填满，此时直接顶上方的老顶会因为下方存在空间而下沉并最终在采空区边缘煤体内部发生断裂，从而使得煤体上的顶板发生下沉弯曲并旋转成一定角度向1021采空区倾斜，此时会发生应力从新分布，而所产生的新的侧向支承压力则向煤体内转移。

在边缘煤体上方的顶板发生弯曲下沉以及支承压力转移过程中，边缘煤体由于上方岩体压力的左右产生破坏，从而在煤体内部形成一定范围的破碎区。

矿大采高沿空掘巷合理煤柱尺寸研究-第3章

3 大采高沿空掘巷围岩结构特点及稳定性分析3 Structural Characteristics of the Surrounding Rock and Stability Analysis of Gob-side Entry Driving with Large Mining Height沿空掘巷即沿着上区段采空区，在采空区边缘留设一定宽度的煤柱，在煤层内布置回采巷道，其主要目的是隔离上一采空区。

以袁店一矿1022工作面为例，由于上一工作面1021已回采完毕，1021采空区的顶板岩层在其回采过程中发生断裂垮落，其基本顶在经过初次来压后呈“O-X”破断。

在周期来压的过程中，基本顶随周期来压呈周期性的破断下沉，并沿工作面的走向方向形成砌体梁结构，在工作面煤壁上方位置形成了弧形的三角岩块。

1022风巷紧邻1021采空区，所以在1022风巷开掘的前提条件是1021采空区顶板围岩已基本稳定才能开始1022风巷的掘进。

现针对其上覆顶板稳定情况进行分析。

3.1 采场围岩应力分布规律(Distribution of Rock Stress ofGob-side Entry Driving)回采巷道作为矿井生产系统中重要的组成部分，它不仅在巷道掘进的时候会发生巷道顶板下沉、底鼓两帮移近等一系列矿压显现现象，而且在工作面向前推进的过程中也会受到二次采动的影响。

所以我们应该针对其上覆顶板应力加以分析。

同样，回采工作面的受力情况与回采巷道类似。

工作面回采后的支承压力分布见图3-1所示。

图3-1 回采后支承压力分布图Figure 3-1 The distribution of Supporting pressure after stoping1—工作面前方超前支承压力；2、3—工作面侧向支承压力；4—工作面后方采空区支承压力由上图可以看出，超前支承压力分布在回采工作面前方的煤层和顶板岩层中，超前支承压力峰值位于回采工作面前方距工作面煤壁较短距离的位置上，峰值位置随着工作面的向前推进而向前移动。

32-沿空掘巷小煤柱合理留设研究-2016年第4期

沿空掘巷小煤柱合理留设研究胡光伟(中煤一建公司山不拉煤矿,内蒙古鄂尔多斯010499)[摘㊀要]㊀山不拉煤矿3202工作面材料巷采用沿空掘进方式,为得到最优小煤柱尺寸,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,综合分析确定小煤柱最优合理尺寸为5m ㊂工业性试验及现场矿压观测表明,小煤柱留设5m 宽度满足需求,保证了巷道安全掘进和回采的同时最大限度提高煤炭资源的采出率㊂此次研究实践成果为山不拉煤矿综放沿空掘巷小煤柱尺寸的合理留设提供了依据,并为类似条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的留设宽度提供了借鉴㊂[关键词]㊀沿空掘巷;小煤柱;理论计算;数值模拟[中图分类号]TD822．3㊀[文献标识码]B㊀[文章编号]1006-6225(2016)04-0078-03Small Coal Pillar Layout of Gob-side Entry Driving[收稿日期]2015-12-28[DOI]10．13532/j．cnki．cn11-3677/td．2016．04．020[作者简介]胡光伟(1978-),男,江苏铜山人,高级工程师,中煤第一建设有限公司山不拉煤矿总工程师㊂[引用格式]胡光伟．沿空掘巷小煤柱合理留设研究[J ]．煤矿开采,2016,21(4):78-80,64．㊀㊀近年来,随着矿井产量和开采强度的加大,对煤炭采出率和回采巷道的支护要求也越来越高,传统的留设较宽区段煤柱护巷的方式已不能满足生产需求,沿空掘巷留设小煤柱护巷,有提高煤炭资源的采出率和巷道易维护的优点,此项技术近年在我国各大矿区逐渐推广应用,取得良好效果[1]㊂沿空掘巷小煤柱尺寸的留设是沿空掘巷围岩控制的关键,若留设尺寸过大,煤柱及巷道将长期处于侧向支承压力升高区,不利于煤柱及巷道的稳定;若留设尺寸过小则煤柱煤体破碎,不能有效地密闭采空区㊂因此,小煤柱的留设应遵循以下原则:巷道位于应力降低区;有利于巷道的稳定;有利于锚杆支护;在满足以上原则的条件下尽量减少煤柱宽度[2]㊂针对山不拉煤矿接续工作面情况,采用模拟计算与理论计算相结合的方法,研究确定沿空掘巷留设小煤柱尺寸㊂1㊀工程背景山不拉煤矿3202综采工作面位于井田西北部,工作面大部位于2-2煤房采区下部㊂工作面标高-329．1~-380．8m㊂南为3203采空区,北至3-2煤回收面,东与井筒保护煤柱相邻㊂所采煤层为3号煤,煤质较硬,f =2~3,内生裂隙发育,阶梯状断口㊂煤层厚度最大1．80m,最小1．65m,平均1．70m㊂煤层倾角1~3ʎ,煤层直接顶为15m 砂质泥岩,基本顶为24m 细砂岩,直接底为24m 砂质泥岩㊂中部含煤段地质柱状图如图1所示,各岩层物理力学参数见表1,工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤㊂图1㊀地质柱状表1㊀岩层物理力学参数岩层容重/(kN㊃m -3)体积模量/GPa 剪切模量/GPa 内摩擦角/(ʎ)黏聚力/MPa 细砂岩26．06．54．5323．6砂质泥岩26．67．85．7354．23-2煤14．32．81．5241．3砂质泥岩26．17．75．6344．02㊀煤柱宽度理论计算通过公式对小煤柱宽度进行理论计算,以初步87第21卷第4期(总第131期)2016年8月煤㊀矿㊀开㊀采COAL MINING TECHNOLOGYVol．21No．4(Series No．131)August㊀2016确定小煤柱最小宽度值㊂采用极限平衡理论公式计算,合理煤柱的最小宽度为[3]:B =b 1+b 2+b 3(1)b 1=mA3tan φ0ln kγH +C 0tan φ0C 0tan φ0+P XA(2)式中,B 为合理的煤柱最小宽度,m;b 1为上区段工作面开采影响下,沿空掘巷小煤柱中破碎区宽度,根据现场实测情况,取2．2m;b 2为巷道小煤柱帮锚杆有效长度,根据实际锚杆和药卷使用情况,取1．2m;b 3为考虑煤层厚度而增加的煤柱稳定性系数,b 3=0．2(b 1+b 2);m 为上下区段平巷高度,m;A 为侧压系数,A =μ/(1-μ);μ为泊松比,μ=0．33;φ0为煤体的内摩擦角,(ʎ);C 0为煤体的黏聚力,MPa;k 为应力集中系数,k =3．0;γ为岩层平均容重,kN /m 3;H 为巷道埋藏深度,m;P X 为对煤帮的支护阻力,kN㊂通过理论计算得到小煤柱宽度,可以用于检验校核其他分析计算结果㊂考虑到3202工作面材料道实际地质条件,通过式(1)计算,得知合理小煤柱最小宽度理论值B 为4．7m㊂3㊀数值模拟分析采用FLAC 3D 数值模拟软件对煤柱宽度合理留设进行数值计算,根据实际条件设定数值模型的边界条件为:模型侧面限制其水平位移,底部固定,模型上表面设定为应力边界,施加的荷载为10．0MPa,模拟上覆岩体的自重应力;水平方向的侧压系数为1．2,荷载大小为12．0MPa,模型设定为Mohr -Coulomb 模型[4-5]㊂数值模拟主要研究在不同宽度情况下,煤柱内的竖向应力场和水平位移场的分布情况㊂煤柱的宽度分别取3m,4m,5m,6m,8m,10m㊂3．1㊀垂直应力分布不同煤柱宽度条件下巷道围岩垂直应力场分布情况见图2㊂取煤柱中间位置的中部层位研究煤柱内应力场图2㊀小煤柱围岩垂直应力场分布情况㊂从结果中可以看出,竖向应力呈现先减小后增大的趋势,煤柱在4~6m 宽度范围内的竖向应力值最小㊂大于6m 以后应力值随煤柱宽度的增加急剧增加,这是因为大于6m 以后煤柱处于侧向支承应力集中区的原因㊂3．2㊀水平位移数值模拟结果不同煤柱宽度条件下巷道围岩水平位移场分布情况见图3㊂同分析垂直应力场分布情况一样,仍取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内水平位移场分布特征,由模拟结果可以看出:煤柱宽度从3m 到10m 的变化过程中,水平位移呈现先减小后增大的变化趋势,当小煤柱宽度为3m 时,煤柱中部位移急剧变化,没有零位移区域,煤柱稳定性极差;当小煤柱宽度为4~6m 时,煤柱中部位移比较稳定,有一定的零位移区域;当煤柱大于8m 后,虽然中部稳定部分较大,但围岩向巷道内的位移量大于4~6m 煤柱时的位移量㊂97胡光伟:沿空掘巷小煤柱合理留设研究2016年第4期图3㊀小煤柱围岩水平位移场3．3㊀模拟结果分析由上述垂直应力场和水平位移场的分布情况,可以看出煤柱宽度在4~6m 范围内时,煤柱内的最大垂直应力和水平位移均较小,煤柱整体稳定性较好,而且煤柱中发生塑性破坏的区域也较小,这样既有利于煤柱本身的稳定性,又有利于巷道围岩的锚杆索支护㊂所以综合考虑安全和经济两方面因素,煤柱宽度取5m 为宜㊂4㊀矿压观测分析为验证3202工作面材料巷5m 煤柱的合理性,在煤巷中设立矿压观测站,监测巷道断面变形和锚杆受力情况,从工作面回采开始观测,直至工作面推进距测站10m 位置停止观测,结果见图4㊂图4㊀矿压观测结果随着工作面回采不断推进,距离测站约50m 超前支撑压力开始显现,巷道逐渐产生较大变形,两帮变形表现尤为明显,两帮变形又以煤柱侧内移变形突出,两帮最大移进量1260mm,说明两帮变形主要来自煤柱一侧的变形㊂随巷道围岩变形应力调整,锚杆受力增大,顶板锚杆受力比两帮大,受超前压力影响,锚杆受力上升显著,顶锚杆测力计读数最大达14MPa;两帮锚杆测力计读数相对稳定说明对应锚杆受力上升较小甚至出现回落,反映出两帮锚杆支护部分失效㊂从整个矿压监测结果来看,3202工作面材料巷采用5m 煤柱巷道断面变形及锚杆受力均符合预期,未出现异常失稳破坏情况,即在当前支护条件下采用5m 煤柱宽度能够满足巷道安全生产的要求㊂5㊀结㊀论(1)根据山不拉矿3202工作面开采条件和围岩物理力学参数,理论计算确定小煤柱宽度为4．7m㊂(2)数值计算分析了不同煤柱宽度情况下巷道围岩的垂直应力和水平位移情况,确定煤柱宽度4~6m 最优,结合理论计算结果综合确定煤柱宽度为5m㊂(3)根据现场工业性实践及矿压观测结果,确定3202材料巷沿空掘巷留设5m 煤柱能够满足巷道安全生产的要求㊂[参考文献][1]侯朝炯,郭励生,勾攀峰,等．煤巷锚杆支护[M]．徐州:中国矿业大学出版社,1999．(下转64页)8εi =σ-σs ηB t i +σE B +σE K 1-exp(-E K t i ηK )éëùû(15)Q (E K ,ηK ,ηB )=Σni =1εi -εi ()2若使Q 式取得最小值,需满足:∂Q ∂E K =0;∂Q ∂ηK =0;∂Q∂ηB=0根据给定的n 对试验数据(ε,t ),假定一组流变参数(E K ,ηK ,ηB )的初始近似值(E K 0,ηK 0,ηB 0),(2)和(3)式对各个参数求偏导得(ΔE K ,ΔηK ,ΔηB ),从而求得新的一组(E K 1,ηK 1,ηB 1),然后进行新一轮的迭代,反复计算,直到满足精度㊂将所求的流变参数及损伤变量代入(11),(12)式,求出合理的支护时间㊂3㊀应用实例芦岭煤矿某巷道埋深Z =200m,巷道半径R 0=2．0m,围岩容重γd =25kN /m 3,围岩为强风化粉砂岩,围岩应力P =γd Z =5．0MPa ㊂根据设计方案,初次开挖后为锚网喷支护,几个月后发现围岩有明显的破坏和变形,且具有明显的流变特性㊂通过现场观测,围岩稳定蠕变速率μᶄr (t )=0．019mm /h,通过最小二乘法及实验数据得到围岩的流变参数,E B =15GPa,E K =26GPa,ηk =230GPa /h,ηB =720GPa /h㊂因为围岩已经表现出时间损伤所以代入式(13)求得ω¥=0．4,将所得的参数代入(11),(12)式求得t =354．6h,约15d,即二次支护合理时间为初次支护后15d 左右进行㊂实践表明,巷道未发生明显变形破坏,支护时间合理㊂4㊀总㊀结(1)软岩巷道围岩具有明显的流变时效特性,主要表现为蠕变时效特性,蠕变破坏主要是围岩内部新裂隙的产生和连续扩展的结果㊂围岩具有一定的长期强度,当应力水平低于其长期强度时,围岩表现为蠕变效应;当应力水平高于其长期强度时,围岩破坏,表现出明显的变形破坏损伤㊂(2)二次合理支护时间对应于平缓波动蠕变与加速蠕变的交界点,为了确保围岩的稳定性,围岩强度应不低于其长期强度㊂(3)本文采用圆形巷道及西原模型,推导出围岩变形速率方程,通过蠕变试验方法及位移反分析法求得蠕变参数,从而确定软岩巷道二次支护的合理时间,对于地下支护理论设计具有一定的指导意义㊂[参考文献][1]方新秋,何㊀杰,何加省．深部高应力软岩动压巷道加固技术研究[J]．岩土力学,2009,30(6):1693-1698．[2]王祥秋,杨林德,高文华．软岩围岩蠕变损伤机理及合理支护时间的反演分析[J]．岩石力学与工程学报,2004,23(5):793-796．[3]何满潮,景海河,孙晓明,等．软岩工程力学[M]．北京:科学出版社,2002．[4]范秋雁,阳克青,王渭明．泥质软岩蠕变机制研究[J]．岩石力学与工程学报,2010,29(8):1555-1561．[5]彭苏萍,王希良,刘咸卫,等．三软煤层巷道围岩流变特性试验研究[J]．煤炭学报,2001,26(2):149-152．[6]刘㊀高,聂德新,韩文峰．高应力软岩巷道围岩变形破坏研究[J]．岩石力学与工程学报,2000,19(6):26-30．[7]华心祝,吕凡任,谢广祥．锚注软岩巷道流变研究[J]．岩石力学与工程学报,2003,22(2):297-303．[8]付㊀强,李晓云．软岩巷道支护理论研究与发展[J]．矿业安全与环保,2007,34(2):70-72．[9]孙㊀钧．岩土材料流变及其工程应用[M]．北京:中国建筑工业出版社,1999．[10]余寿文,冯西桥．损伤力学[M]．北京:清华大学出版社,1997．[11]卢红标,钱七虎,许宏发．土层灌浆锚杆的蠕变损伤特性研究[J]．岩土工程学报,2002,24(1):61-63．[12]杨林德,冯紫良,朱合华,等．岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]．北京:科学出版社,1999．[责任编辑:姜鹏飞]ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ(上接80页)[2]于㊀洋,柏建彪,陈㊀科,等．综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用[J]．煤炭工程,2010(7):6-9．[3]李学华,姚强岭,丁效雷．窄煤柱沿空掘巷围岩稳定原理与技术[J]．煤矿支护,2008(2):1-9．[4]张㊀辉．近距离煤层采区下回采巷道位置优化与控制[J]．河南理工大学学报,2012,29(2):157-161．[5]张俊云,柴㊀敬．沿空留巷研究中若干问题分析[J]．矿山压力与顶板管理,2000(1):38-39．[6]王㊀军．山不拉3202综采工作面合理煤柱留设研究[J]．煤炭科技,2013(3):14-15,18．[7]苏海龙．窄煤柱护巷合理宽度探讨[J]．矿山机械,2012,40(8):19-24．[8]陈淼明,王㊀永,陈㊀志,等．复合顶板窄煤柱沿空掘巷技术探讨[J]．山西煤炭,2011,31(6):22-24．[9]刘㊀海,冯㊀涛,余伟健,等．沿空巷道小煤柱留设及其支护技术研究[J].采矿技术,2014,14(6):13-17．[10]陈昌云,郑西贵,于宪阳,等．厚层砂岩顶板小煤柱沿空掘巷围岩变形规律研究[J]．煤矿开采,2011,16(1):7-10,63．[责任编辑:李㊀青]46。

沿空掘巷区段煤柱尺寸留设研究

沿空掘巷区段煤柱尺寸留设研究摘要：针对某矿1726工作面回采期间巷道变形量大，矿压显现剧烈等问题，采用理论分析与FALC3D对不同煤柱尺寸应力场分布规律进行了研究，得出了1726面与1728工作面区段煤柱的合理尺寸，为矿井煤层开采沿空掘巷窄小煤柱合理留设提供了理论和数据支持。

关键词：沿空掘巷区段煤柱合理尺寸煤柱留设一直是煤矿中传统的护巷方法，为使下区段平巷避开固定支承压力峰值区，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，是传统的留煤柱护巷方法.大量实践表明，煤柱尺寸的大小关系到回采巷道受动压破坏的程度。

合理的煤柱尺寸不仅减小巷道的变形，而且可以减小巷道维护工程量，同时还可以节约煤炭资源。

国内外学者对煤柱合理尺寸确定的方法进行了很多研究，主要集中在：1）通过运用经验公式结合矿山压力特点，对煤柱合理的尺寸留设煤柱尺寸的方进行研究；2）运用现场实测煤柱支承压力分布规律确定区段煤柱合理宽度；3）根据煤岩体的极限平衡理论，推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式4）用有限元计算软件对煤柱护巷的围岩变形进行计算分析，确定煤柱合理尺寸；5）从采用极限平衡理论和弹塑性力学手段估算推导煤柱塑性区宽度的公式。

本文以某矿1726工作面与1728工作面沿空掘巷区段煤柱为研究对象采用数值模拟与理论分析得出区段合理煤柱尺寸。

1工作面概况某矿1728工作面上方地表位于井田北部，工业广场东南侧约600m 。

该工作面为36采区第3个回采工作面，上部为正在回采的1726工作面，下部为17210工作面（正在准备）该工作面采用走向长壁后退式开采方法，一次采全高综采开采工艺。

该工作面回风顺槽与上区段1726工作面间的区段煤柱宽度为5m。

两巷在工作面回采过程中，变形量非常大，给回采和巷道维护工作带来很大困难。

2沿空掘巷煤柱理论分析地下工程的开挖，煤柱周边就会出现不同程度的塑性破坏。

对于区段平巷的护巷煤柱，采空区侧和回采巷道在煤柱两侧分别形成一个宽度为R0与R的塑性变形区，当煤柱两侧形成的塑性区宽度R0与R之和大于煤柱宽度B时，也就是煤柱两侧形成的塑性区相贯通时，煤柱将失稳并发生破坏。

软岩煤层工作面材料道沿空掘巷煤柱宽度留设研究

软岩煤层工作面材料道沿空掘巷煤柱宽度留设研究发布时间：2022-10-26T09:28:11.438Z 来源：《中国建设信息化》2022年第12期作者： ..沈克军[导读] 目前，随着现阶段矿井开采技术的不断进步，在井下开采过程中，为了提高工作面煤炭资源回收率同时降低巷沈克军平凉新安煤业公司摘要：目前，随着现阶段矿井开采技术的不断进步，在井下开采过程中，为了提高工作面煤炭资源回收率同时降低巷道掘进率，沿空掘巷技术被广泛应用于煤矿开采过程中，所谓沿空掘巷是指在上区段工作面回采结束以后，采空区岩层活动基本终止稳定，在回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘进，此时巷道位于上区段采空区侧向支承压力的应力降低区，采用小煤柱护巷和合理的支护技术可以使巷道在掘进和掘后围岩变形量较小。

摘要：软岩煤层；工作面支护；煤柱留设1 软岩煤层岩土性质分析长期以来，国内外学者专家对煤矿软岩巷道问题做了大量研究工作，并取得了一大批研究成果，提出了大量控制软岩巷道问题的实用技术。

但这些研究成果大多是针对一般性软岩进行的，对回采巷道，特别是三软沿空掘巷的围岩控制的研究较少。

三软煤层沿空巷道时一类特殊的回采巷道，其围岩变形机理既与一般软岩巷道有着共同点，又有区别，其中共同点为：三软煤层沿空巷道有一般软岩巷道围岩变形的相同的影响因素，例如软岩的扩容性、流变性等；主要区别：巷道所处的力学环境，沿空巷道在回采期间受到侧向支承压力和工作面超前叠加形成了高支承压力，两帮应力分布不对称。

一般来说，沿空掘巷又通常分为留窄煤柱沿空掘巷和完全沿空掘巷两种形式。

完全沿空掘巷通常是指沿采空区边缘开掘巷道的布置方法，此时巷道靠近采空区一侧的帮部岩破碎松散，极易发生上区段采空区窜矸、透水、漏风、瓦斯集中等安全隐患，因此完全沿空掘巷的应用范围受到很大限制。

而留窄煤柱沿空掘巷是指在巷道与上部采空区之间保留一定宽度的煤柱进行护巷，防止采空区积水及有害气体、大块岩石等窜入巷道内。

大结构影响下沿空掘巷巷旁煤柱合理宽度分析

因采空区支撑压力的影响而维护困难的问题。文章对窄煤柱合理的留设宽度展开研究。
图１沿空掘巷巷旁煤柱力学模型
２沿空掘巷巷旁煤柱力学模型分析
工作面回采后，采空区上方基本顶呈规则断
裂下沉，而采空区外侧基本顶会在煤体的弹塑性
２５～４５ＭＰａ时，断裂位置距上区段采空区侧煤壁
形。根据相关理论研究的巷旁煤柱的力学模型，根据巷旁窄煤柱的受力分析，在煤柱上边界给定变
形的情况下，分析煤柱的左右两侧受力分别为ｏｒ。
和ｏｒ，而由于工作面回采后采空区侧向支承压力的影响不同，造成煤柱左右两侧的破碎区宽度有很大的差异，巷道掘进后会对左侧巷帮加强支护，所以一般情况下左侧的支护阻力会比右侧的支护阻力要大，即ｏｒ＞ｒｏ。由此产生的作用在煤柱上的横向作用力可以通过煤柱上下边界的摩擦力来平
能源技术与管理
ＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３．２０１３．０２．０３３
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体内的塑性区宽度可以达到５～８ｍ。因此可认为在巷道掘进后，煤柱两侧存在着一定宽度的破碎区和塑性区，受下一个工作面采动影响煤柱两侧

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沿空掘巷煤柱合理宽度的研究与实践
【摘要】本文以某矿的采煤工作面为研究对象，采用理论计算与数值计算相结合的方法，设计出沿空巷道合理煤柱合理的留设宽度，并在此基础上提出了合理的沿空掘巷锚梁网支护对策，确定了强化巷帮支护强度，顶板支护以锚索支护为主、锚杆支护为辅。

通过现场实施证明，沿空巷道煤柱留设的宽度及采取的支护对策是科学的、合理的，并且能够有效的控制巷道变形量，为矿井的和谐建设提供了有力的理论基础。

【关键词】深井煤矿沿空巷道煤柱宽度锚梁网支护
煤炭作为我国的基础能源，在我国一次能源消费结构中占有较大的比重，约为65%，而且这一状况还会持续一段时间。

现如今，我国煤炭资源采出率不高，约为40%，而且还存在严重的煤炭资源损失现象，这一切均需要煤炭资源的充分开采。

而沿空掘巷能够可以减少煤柱资源的损失，但沿空掘巷时，留设一定的煤柱，能够避免有害气体、老空积水等侵入巷道，最重要的是，还能够提高劳动效率，降低巷道维护成本，因此，留设煤柱对于煤炭安全高效开采具有重要意义。

又由于留设煤柱的宽度既能够对煤柱本身以及巷道围岩稳定性造成一定影响，又会影响煤炭的采出率，所以合理确定沿空掘巷煤柱宽度具有重要的研究和实践意义。

本文以某矿1492（1）工作面为例，来研究沿空掘巷时煤柱宽度的确定。

1 工作面概述
某矿1492（1）工作面走向长度为1462m，倾向为230m。

该工作面正采11—2煤层，该煤层多为块状煤。

该煤层平均厚度为1.7m，平均倾角为7°。

巷道具有埋深大（约为857m）、构造应力高等特点。

在距煤层顶板较近的区域，多为薄且稳定性较差的岩层。

在距煤层顶板3.1m左右的区域，存在厚度约为0.49m的煤层，因此，煤层顶板为复合顶板。

相邻采区对该工作面产生较大的采动影响。

2 关于煤柱宽度的理论分析与计算
2.1 理论计算
按照极限平衡理论，可以确定最小的合理煤柱宽度B，不妨用x1（m）表示两相邻区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度，x2（m）表示锚杆锚入煤柱深度（需要考虑加大控帮深度，一般取2.8m），x3（m）表示安全富余量，其计算公式为：x1+x2+x3
其中，x1的确定公式为：x1
其中，m为煤层厚度，2m；A为侧压系数，且，泊松比μ为0.3；j0为煤体内摩察角，27°；C0为煤体粘聚力，取1.5MPa；k为应力集中系数，取3；H为巷道埋深，为857m；为上覆岩层平均重力密度，为0.023MN/m3；P0为两相邻
区段平巷支护结构对煤柱的支护阻力，为0。

x3的确定公式为：。

通过上述理论计算，可确定煤柱的合理宽度为m。

2.2 数值模拟计算
（1）建立计算模型。

结合该工作面地质条件，以煤柱宽度变化对围岩稳定性的影响为模拟对象。

模型实体单元为8个节点，6个面，各节点均有X、Y、Z 三个自由度。

同时对巷道围岩和煤柱采用均布网格划分。

在进行数值计算时，可选取沿空煤柱宽度为2，4，6，8，12m五种，而后对这五种煤柱宽度对围岩产生的影响情况进行分析比较后，确定最有利于围岩稳定的沿空煤柱宽度。

本文从塑性区分布角度来研究煤柱合理宽度。

（2）模拟结果分析。

1）若所留设的煤柱宽度为12m时，则煤柱内垂直方向上会形成“马鞍形”应力分布，煤柱中部属于弹性核区，此时煤柱受到足够的支承能力，因而处于稳定状态之中，但却损失了较多的煤柱资源。

2）若所留设煤柱宽度为8m时，煤柱就会发生塑性屈服现象，而煤柱中的弹性核区也不稳定，此外，应力峰值会出现在煤柱上方，所以煤柱受到较大的压应力。

3）若煤柱宽度为6～8m时，煤柱会出现塑性屈服现象，但当巷道掘进后，应力峰值马上会作用到实体侧煤层内。

由岩石应力应变曲线可知，岩层峰值点后还存在一定的残余强度。

如果采取措施加固煤柱，煤柱仍可处于稳定状态。

4）若煤柱宽度为2～4m时，实体侧煤层中会出现垂直应力峰值，再加上受到支承压力作用，煤体发生破坏，具有较低的承载能力。

3 支护设计方案及效果研究
经过上述理论计算分析，煤柱宽度为7m。

同时支护应满足以下要求：一是加固巷帮；二是主要采用锚索支护，辅之以锚杆支护。

该巷道具有较广的围岩塑性区，难以充分发挥锚杆的作用，因此，应采用锚索支护。

经过对监测结果分析之后发现，掘进影响期的最大变形速度是37mm/d左右，而稳定期则为2.3mm/d左右。

顶板总变形量为560mm，巷帮总变形量为633mm。

由此可见，留设煤柱宽度为7m是比较恰当的，有效控制了围岩变形。

4 沿空掘巷煤柱合理宽度的实践
（1）通过上述的数值模拟计算，分别对沿空掘巷合理煤柱的留设宽度进行了计算并进行了详细的分析，实践接过证明在深部巷道条件下，煤柱合理的宽度应为7m。

如煤柱宽度太小的话，煤柱的在侧向支承压力作用下将会变得松散破碎，承载能力就会急速的降低，也不利于锚杆测时间；如果煤柱的宽度太大时，尽管巷道的稳定性得到了有力的控制，但是相对来说资源浪费是非常严重的。

（2）本文提出了沿空巷道的支护对策。

一是要强化煤柱侧支护强度，这样就有力的保证了锚杆控帮的效果；二是要提高锚索支护密度，深部沿空巷道的围岩塑性区范围将明显增大，锚杆的支护作用将会显著的降低，因此说必须依靠锚索以大预紧力减缓、减小顶板变形扩张。

现场监测结果表明该支护对策能够有效控制巷道变形。

（3）随着煤矿开采深度的不断增加，沿空巷道的合理煤柱留设问题还有待进一步研究，必须结合矿井的实际，从根本上寻求解决沿空巷道变形控制难题的途径和科学方法。

5 结语
经过理论计算与数值模拟分析，并对监测结果分析，可以确定，该工作面沿空煤柱留设宽度为7m，较为合理。

而后采用锚索支护，加固煤柱，可以有效控制围岩变形。

参考文献：
[1]何满潮，袁和生，靖洪文等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.
[2]易恭猷，王连国.软岩支护现状分析及对策[J].锚杆支护，2001（1）.。