沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定

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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。

1-3沿空掘巷窄煤柱宽度确定_张科学

图 2 窄煤柱宽度计算图 Fig.2 Calculation figure of narrow pillar width
并趋于稳定； 35 m 以外区域进入原岩应力区。因此，距上区段采空区 0~7 m 是应力降低区， 7~35 m 是应力增高区，35 m 以外处于原岩应力区。沿空掘巷应布置在应力降低区或原岩应力区，而布置在原岩应力区段煤柱浪费较大，因此沿空掘巷应布置在距上区段采空区 0~7 m 范围。
创造性地提出以
矸石为骨料预筑人造帮置换窄煤柱的二步骤沿空掘巷新技术；张农等 [11] 针对迎采动工作面沿空掘巷，提出预应力组合支护技术。本文从上区段采空区侧向支承应力分布规律和应力场分布、位移场分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系，得出沿空掘巷窄煤柱宽度的确定方法。
整个模型尺寸确定为 160 m×110 m×70 m， +X 方向为工作面的走向方向，+Y 方向为巷道掘进方向，+Z 方向为垂直向上。模型中下界面、前后界面和左右界面进行位移、速度及应力边界约束，上边界施加垂直应力 σz=γH=9.75×106 Pa，模型中水平应力取 σx=σy=σz=9.75×106 Pa。护巷煤柱宽度的确定与沿空巷道支护方式有重要关系[6,11]，模拟的巷道支护采用锚杆支护技术，且巷道支护强度对窄煤柱稳定性具有重要作用；但由于本文以研究窄煤柱
收稿日期：2013-09-12 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2010CB226801，2010CB226804)；国家自然科学基金项目(51174213)；新世纪优秀人才项目 (NCET-10-0775)；中央高校基本科研业务专项资金项目(2009QM001) 作者简介：张科学(1986—)，男，河南省永城市人，博士，从事煤岩冲击失稳、巷道围岩控制方面的研究。 E-mail：zhkexue@ Tel：13366030731

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

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
ＫＴＨ＋
．
＿ｏ
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

五沟煤矿沿空掘巷窄煤柱宽度的合理设计

巷围岩变形规律。模型采用Ｍｏｈｒ — Ｃｏｕｌｕｍｂ材料本
尺寸和锚杆支护条件下，窄煤柱变形主要与以下几个因素有关［２ｊ： ①巷道上覆岩体大结构的运动和稳定性的影响； ②窄煤柱的支护强度； ③窄煤柱
构关系，各岩层物理力学参数如表ｌ所示。考虑边
２７。；为煤层界面粘聚力，取２．３ＭＰａ；ｋ为应力集中系数，取１．８；为岩层平均容重，取２４ｋＮ／ｍ；为巷道埋深，取３６０ｍ；Ｐｘ为对煤帮的支护阻力，因上区段采空区侧采用锚杆支护，取０．１ＭＰａ。
ｔａｎ￣ｐ０。ＡＪ
式中，。为因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，ｍ；ｘ：为窄煤柱
一
１地质概况
五沟矿１０２３工作面位于南二采区东翼，与１０２１工作面相邻。１０２３工作面平均煤厚３．６ｍ，煤厚变异系数５５％，煤层可采性指数１，１０煤层倾角２。１０。，平均倾角６。。具体位置关系如图１所示。
煤矿１０２３工作面沿空掘巷合理留设窄煤柱宽度进行研究，使１０２３工作面实现了顺利回采。
ｆ【ｋｙＴＨｒｔ＋ — — — — — 一１【
其中ｚｔｍａＡｎ￣￣ｏｉｎＩｆ【＂－－０＂＝ｔａＩｎ，ｑ￣ｏＩｆ
互沟煤矿沿窑掘巷窄燥槿宽度的合理设计
方仕忠，牛孝田，张［摘明，涂磊

综放开采沿空掘巷小煤柱宽度留设及支护技术研究

ｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｂｙｆｕｌｌｙ——ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｔｏｐｃｏａｌｃａｖｉｎｇ
ＺＨＡＮＧＰｅｎｇｐｅｎｇ。一ＨＡＯＢｉｎｇｙｕａｎ，ＷＡＮＧＫａｉ，ＨＵＡＮＧＸｉａｏｐｅｎｇ，ＹＡＮＳｈｕｐｅｎｇ，ＷＥＩＪｕａｎ，
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌ￣ｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＺｈｏｎｇｘｉｎｇＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＦｅｎｘｉＭｉｎｉｎｇｌｎｄｕｓｔｕＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉａｏｃｈｅｎｇ０３０５００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ‘ＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｇｑｕａｎ０４５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｗｉｄｔｈｏｆｓｍａｌｌｃｏａｌｐｉｌｌａｒａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｍｅｔｈｏｄｏｆｇｏｂ—ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇ，ｔａｋｉｎｇＮｏ．８４０７ｗｏｒｋｉｎｇ
（１．太原理工大学矿业工程学院，山西太原０３００２４；２．汾西矿业集团有限责任公司中兴煤业公司，山西交城０３０５００３．山西工程技术学院矿业工程系，山西阳泉０４５０００）
摘要：为合理确定区段小煤柱宽度及沿空巷道支护方式，以阳泉五矿８４０７综放工作面为例，基于采空侧基本顶断裂力学模型及围岩极限平衡理论，理论计算了合理煤柱宽度的上下限值，采用钻孔应力监测方法，对回采过程中煤柱内部应力分布进行了实测，进而确定沿空巷道支护参数。研究结果表明：沿空掘巷小煤柱宽度合理范围为９．０３～ｌ１．８０１ＴＩ，取１０ｌｒｌ为宜，煤柱侧０～３ｎｌ范围煤体发生塑形破坏、３～６Ｉｎ范围为弹性核区、６～１０ｉｎ范围靠近８４０９采空区承载能力弱，因而在８４０７回风巷掘巷期间采用锚杆＋长短锚索一次支护，回采期间对煤柱帮进行３ｉｎ钻孔注浆加固二次支护，现场实测数据显示，８４０７回风巷沿空掘进期间围岩变形量较小，回采期间顶板、注浆加固煤柱帮、实体煤帮最大变形量分别为０．２０、０．０５、１．Ｏ０ｉｎ，围岩变形处于可控范围，实现了综放工作面安全高效回采。关键词：综放沿空掘巷；小煤柱宽度；煤柱应力监测；注浆加固中图分类号：ＴＤ３５３文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—２３３６（２０１８）０５—００４０—０７Ｓｔｕｄｙｏｎｗｉｄｔｈｄｅｓｉｇｎｏｆｓｍａｌｌｃｏａｌｐｉｌｌａｒａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｏｂ——ｓｉｄｅ

沿空掘巷小煤柱合理留设及锚注支护优化研究

沿空掘巷小煤柱合理留设及锚注支护优化研究随着煤矿深度的不断增加和矿井开采的进一步，小煤柱的合理留设和锚注支护变得越来越重要。

小煤柱的合理留设对于矿井的安全生产和资源利用具有重要意义，而锚注支护的优化研究则可以提高煤矿开采效率和减少安全事故的发生。

本文将从沿空掘巷小煤柱合理留设和锚注支护优化研究的角度进行深入探讨，为煤矿生产提供技术支持和理论指导。

一、沿空掘巷小煤柱合理留设沿空掘巷是煤矿开采的重要方式之一，对于沿空掘巷小煤柱的合理留设，需要考虑以下几个方面的因素：1. 煤层岩性和构造特征：不同煤层的岩性和构造特征不同，对于小煤柱的留设会有不同的影响。

在进行沿空掘巷小煤柱留设时，需要充分了解煤层的岩性和构造特征，做好合理的留设规划。

2. 煤柱的稳定性分析：对于沿空掘巷小煤柱的合理留设，需要进行煤柱的稳定性分析，确定小煤柱留设的合理宽度和间距，以保证矿井的安全开采。

3. 煤层厚度和深度：煤层的厚度和深度也是影响小煤柱留设的重要因素，需要根据不同的煤层情况进行合理的留设规划。

4. 矿井开采方式：不同的矿井开采方式对沿空掘巷小煤柱的留设也会产生影响，需要根据具体的开采方式进行合理的规划。

沿空掘巷小煤柱的合理留设需要全面考虑煤层的岩性和构造特征、煤柱的稳定性分析、煤层厚度和深度以及矿井开采方式等因素，以保证矿井的安全开采和资源的有效利用。

二、锚注支护优化研究锚注支护是煤矿开采过程中常用的支护方式，对于锚注支护的优化研究，可以提高煤矿的开采效率和减少安全事故的发生。

在进行锚注支护优化研究时，需要考虑以下几个方面的因素：1. 锚杆的选取：对于不同的矿井条件和支护要求，需要选取合适的锚杆进行支护，包括锚杆的材质、规格和长度等方面的选择。

2. 锚杆的预应力设计：针对矿井实际情况，进行锚杆的预应力设计，提高锚杆的承载能力和支护效果，减少煤矿开采过程中的安全隐患。

3. 锚杆的布置方式：在进行锚注支护时，需要考虑锚杆的布置方式，包括锚杆的数量、间距和布置位置等方面，以提高支护的效果和减少材料的浪费。

沿空掘巷窄煤柱留设宽度工程设计与实践

ｔ：一基兰萋
誊
二ｊ
图１１３０３工作面采掘工程平面
（１３０３工作面切眼及胶带顺槽掘进结束），南部为实体煤
层，１３０３工作面采掘工程布置见图１。１．２煤层赋存特征及顶底板情况
柱的宽度。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；数值模拟；宽度设计
中图分类号：ＴＤ６２３．１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１ＯＯ６ —２５７２（２Ｏ１３）Ｏ１一Ｏ１Ｏ５一Ｏ３
Hale Waihona Puke ＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｎＲｅｓｅｒｖｅ－ｗｉｄｔｈＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＮａｒｒｏｗＣｏａｌＰｉｌｌａｒｉｎＧｏｂ－ｓｉｄｅＥｎｔｒｙＤｒｉｖｉｎｇ
ＬｉｕＨｕｉｚｈａｎ，ＬｉＸｉａｎｇ，ＺｈａｎｇＮｉｎｇ（ＧｕｏｔｕｎＣｏｌｌｉｅｒｙ，ＨｅｚｅＣｏａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．ｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＬｕｎｅｎｇＧｒｏｕｐ，Ｙｕｎｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２７４７００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｎｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｃｏｖｅｒｙｒａｔｉｏｏｆｃｏａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｒｏａｄｗａｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｒｏａｄｗａｙｍａｉｎ — ｔｅｎａｎｃｅｓｔａｔｕｓ．Ｔｈｅｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｉｎｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇｏｎ１３０３ｆａｃｅｏｆＧｕｏｔｕｎＣｏｌｌｉｅｒｙｉｓｆｉｎａｌｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｆｏｒｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｏｂ— ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｄｒｉｖｉｎｇ；ｎａｒｒｏｗｃｏａｌｐｉｌｌａｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗｉｄｔｈｄｅｓｉｇｎ

倾斜厚煤层沿空掘巷合理煤柱宽度确定

２１９０３Ｎ回风巷合理煤柱宽度的理论计算
福城煤矿ｌ９０３Ｎ回风巷为留小煤柱掘巷，ｌ９０３Ｎ回风巷道的布
置及巷道引起的煤柱变形如图ｌ所示。根据围岩的岩石力学性质，在力的作用下围岩会发生弹性变形
６ｍ、８啦、１０ｍ、ｌ２ｍ。
模拟观测点设置如图３所示，ｌ、２观测点位于巷道顶底板中
图３观测点设置
心，记录巷道顶底板移近量，３、４观测点位于巷道两帮中心，记录
巷道两帮位移变化。
设不同煤柱宽度在相同巷道支护方式条件下，应力的变化趋势及巷
道围岩变形破坏情况。ｌ９０２Ｎ采空区与１９０３Ｎ回风巷巷道位置关系模拟图见图２，模型各岩层物理力学参数见表ｌ。掘巷模拟护巷煤柱宽度分别取
表４支护方式更改前后围岩变形比对表
—＼
位移量
苎
、—＼
更改前
３１７．４２９３．４
更改后
８２．６６４．６
３．２模拟结果分析３．２．１未掘巷前倾向方向上的变形规律１９０２Ｎ工作面开采结束后，模拟在采空区侧未掘进１９０３Ｎ回风巷时受采空区顶板压力的变形规律。模拟在倾向方向上分别选择距采空区侧６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍ处为监测点进行监测。监测结果表明在距采空区６ｍ处的监测点位移最大，１、２测点竖直位移最大可达１７０ｍｍ，３、４测点水平位移最大可达７０ｍｍ，而且模拟测点随着距采空区宽度加大，应力单元检测点位移值有递减趋势；当距采空区宽度达到１２ｍ时，监测点竖直位移增加到１７０ｍｍ，说明侧向距采空区１２ｍ处的位置为１９０２Ｎ３２作面基本顶断裂的位置，即侧向内外应力场分界线位置。所以将巷道布置在内应力场范

复杂煤层群开采条件下沿空掘巷合理煤柱宽度的确定

析的方法计算得出２２１５３采空区边缘煤体内部应力集中系数，并依据弹塑性力学理论，提出合理煤柱宽度的计算公式．研究结
果表明：通过极限平衡理论计算得到的巷道侧塑性区宽度较直接采用锚杆支护长度更合理；对于复杂煤层群开采条件下，应
收稿日期：２０１３— ０６—１４
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７４０８６）；煤矿安全开采技术湖南省重点实验室开放基金项目（２０１１０２）通信作者：祖自银（１９７５一），男，四川宜宾人，硕士，高级工程师．．主要从事巷道围岩控制与采矿管理研究．Ｅ—ｍ￣１：５４０８０２２４３＠ｑｑ．ｃｏｎｒ
ＩＪｉＬ，ＢａｉＪＢ，ＸｕＹ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｏｃｋｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏａｄｗａｙｗｉｔｈ
ｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｄｉｒｖｅｎｌｏａｎｇｇｏｆ［ａＪ］．ＪｏｕｍａｌｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｓａｆｅｔｙ
７
定，同时又能保证巷道围岩完整．２）通过极限平衡理论计算得到的巷道侧塑性区宽度较直接采用锚杆支护长度更合理，同时也可以为巷道支护中锚杆长度的选择提供一定的参考．
采矿与安全工程学报，２０１１，２８（３）：３７６— ３８３．

沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定

第12期㊀山西焦煤科技㊀No.122020年12月㊀㊀Shanxi Coking Coal Science &Technology㊀㊀Dec.2020㊀㊃技术经验㊃㊀㊀收稿日期:2020-11-15作者简介:张文豪(1971 ),男,山西平遥人,1993年毕业于阳泉煤炭专科学校,高级工程师,主要从事采矿技术研究与管理工作(E-maiL)zwh_567@沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定张文豪(西山煤电集团技术中心,山西㊀太原㊀030053)㊀㊀摘㊀要㊀以某矿B3103工作面回风顺槽煤柱宽度为研究对象,通过理论分析确定沿空掘巷理论煤柱宽度,建立FLAC3D 沿空掘巷数值计算模型,分析侧向支承应力演化规律,在此基础上对比了不同煤柱宽度沿空掘巷应力分布特征,确定了合理煤柱宽度为6m ,提出了合理支护参数㊂现场工业性试验表明,B3103工作面回风顺槽变形量在预计范围内,验证了煤柱宽度及支护参数的合理性㊂关键词㊀沿空掘巷;煤柱宽度;支护参数;巷道变形量中图分类号:TD353㊀文献标识码:B㊀文章编号:1672-0652(2020)12-0020-04㊀㊀为了提高煤炭资源的开采效率,窄煤柱沿空掘巷技术被广泛使用,煤柱宽度及沿空掘巷支护参数影响沿空掘巷掘进期间及回采期间围岩稳定[1-2].国内外对护巷煤柱宽度的留设进行了大量的研究㊂郭重托[3]借助现场实测㊁数值模拟等手段,分析了不同煤柱宽度2302工作面回风巷围岩承载演化规律,确定了合理窄煤柱宽度为6.0m.李季等[4]以主应力差为研究切入点,利用理论计算及数值模拟等研究方法,研究了深部回采工作面侧向采动应力场主应力差分布特征和不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩主应力差分布规律,提出了以主应力差分布规律为依据的深部沿空掘巷煤柱设计思路㊂柏建彪等[5]通过数值模拟计算分析,研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度㊁煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系,提出了合理的窄煤柱宽度㊂1㊀工程地质概况某矿B3103回风顺槽一侧为B3102工作面采空区,2017年8月回采完毕,3#煤层厚度平均4.8m,煤层埋深250m 左右,直接顶为6.0m 泥岩,基本顶为7.0m 石灰岩,直接底为3.0m 粉砂岩,基本底为6.0m 泥岩,B3103工作面长度为1500m,切眼长度200m,B3103回风顺槽沿顶板掘进,采掘工程平面示意图见图1.图1㊀B3103工作面采掘工程平面示意图2㊀沿空掘巷窄煤柱宽度理论计算极限平衡理论计算模型见图2,极限平衡理论塑性区扩展深度x 1表达式为:x 1=0.5βk 1γHM cos α[0.5(β+1)sin φ0k 1γH cos α+c cos φ0]2-1-β2k 1γH cos α()2式中:k 1一垂直应力集中系数,取2;H 煤层埋深,m,取250;㊀㊀γ 顶板岩石平均容重,kN /m 3,取25;M 煤层厚度,m,取4.8;β 临界塑性区侧压系数,β=μ/(1-μ),μ为泊松㊀比,取0.2,则β=0.25;φ0 煤体内摩擦角,(ʎ),取35;α 煤层倾角,(ʎ),取3;c 煤体黏聚力,MPa,取1.25.图2㊀极限平衡理论计算模型图将相关参数代入上式得:x 1=2.08m窄煤柱理论宽度计算公式为:B =x 1+x 2+x 3式中:x 1 塑性区宽度,m;㊀㊀x 2 帮部锚杆有效长度,m,回风顺槽锚杆长度为2000mm,考虑锚杆外露,此处有效长度取1.8;x 3 稳定性系数,考虑现场因素需要增大的稳定性系数,x 3=0.2(x 1+x 2).计算得到:B =x 1+x 2+x 3ȡ4.656m3　沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟以B3103工作面地质概况为研究对象建立模型,模型共7层㊂巷道尺寸为4.7m ˑ3.6m,沿顶板掘进,其数值计算模型见图3.模型的尺寸为300m ˑ120m ˑ47.5m,模型的上部边界施加与等量的上覆岩层的重量,模型的X㊁Y 方向施加水平约束,Z 方向只固定模型下部,上部根据实际应力值设定相应的应力边界,模型中的物理力学参数见表1.分别模拟宽度为4m㊁6m㊁8m 和10m 四种煤柱宽度下沿空掘巷应力变化规律㊂图3㊀沿空掘巷数值计算模型图表1㊀模型物理力学参数表岩性弹性模量G /GPa 泊松比体积模量K /GPa 剪切模量G /GPa 内摩擦角/(ʎ)厚度/m 上覆岩层 5.500.20 3.90 3.103010.0石灰岩10.70.18 5.57 4.53257.0B2煤 5.40.15 2.56 2.36200.5泥岩10.70.18 5.57 4.5324 6.0B3煤 1.490.38 2.080.5420 5.0粉砂岩8.00.19 4.3 3.3623 3.0泥岩10.70.18 5.57 4.5325 6.0下覆岩层6.60.224.053.503010.0㊀㊀数值计算过程为:建立数值计算模型ң原岩应力平衡计算ң开挖B3102工作面计算ң沿空掘巷计算ңB3103工作面回采计算ң输出计算结果㊂B3103工作面在邻近工作面B3102回采后的垂直应力分布见图4.原岩应力大小为:6.25MPa,B3103工作面临近采空区边缘距采空区0~5m 为应力降低区,峰值位置距采空区边界10m,峰值为13MPa,应力增高区为5~30m,原岩应力区为30~60m.为了确定合理的窄煤柱宽度,首先研究B3103回风顺槽掘进期间4个方案中不同宽度窄煤柱垂直应力场分布情况,见图5.由图5可以看出,随煤柱宽度的增加,沿空巷道煤柱内垂直应力的峰值先增大后趋于稳定,即峰值从4m 煤柱时的3MPa 增大到10m 煤柱时的9MPa 左㊃12㊃2020年第12期张文豪:沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定图4㊀侧向支承应力分布云图右,然而煤柱4m时的垂直应力峰值已显著低于原岩应力,这是由于在掘进的过程中4m煤柱无法承受采动扰动下的侧向采动应力峰值,因此留设4m护巷煤柱是不利于巷道的长期稳定㊂随煤柱宽度的增加,实体煤帮内垂直应力峰值先增大后减小,但其增大的幅度较小,即实体煤内垂直应力峰值稳定在14~ 15MPa,煤柱在8m和10m巷道围岩处于高应力环境,巷道围岩不容易稳定,6m煤柱能够起到一定的㊀图5㊀不同煤柱宽度垂直应力分布规律图承载作用,同时处于低应力环境,能够保持沿空巷道大应力环境下的稳定㊂4　沿空掘巷合理支护参数及现场工业性试验顶锚杆使用22/2400螺纹高强锚杆,间排距为850mmˑ1000mm,采用尺寸150mmˑ150mmˑ10mm高强度拱形托盘,锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂㊂顶锚索使用d18.9mmˑ6300mm的矿用锚索,锚索沿顶板呈2-1-2布置,间距为1700mm,排距为1000mm,配套使用300mmˑ300mmˑ16mm的高强度托盘,使用一支CKb2335及两支K2360树脂锚固剂,两帮采用22/ 2000螺纹高强锚杆,间排距为800mmˑ1000mm,采用尺寸150mmˑ150mmˑ10mm高强度拱形托盘,锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂㊂B3103回风顺槽支护断面图见图6.B3103回风顺槽掘进期间的巷道表面位移监测结果见图7.由图7可以看出,采用6m煤柱宽度配合合理支护参数,B3103回风顺槽掘进期间,随着距掘进头距离的逐渐增大,沿空巷道两帮移近量最大值达到150mm左右,顶底板移近量最大值达到187mm左㊃22㊃山西焦煤科技2020年第12期㊀图6㊀B3103回风顺槽支护断面图图7㊀B3103回风顺槽两帮及顶底板移近量图右,巷道围岩变形量较小,验证了煤柱宽度及支护参数的合理性㊂5㊀结㊀论探究了沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数,基于极限平衡理论确定了沿空掘巷理论宽度,建立了FLAC 3D 数值计算模型,分析了一侧采空后侧向支承应力分布规律㊁不同煤柱宽度沿空掘巷围岩应力分布特征,得出了以下结论:1)沿空掘巷窄煤柱理论宽度为4.656m,B3103工作面临近采空区边缘距采空区0~5m 为应力降低区,峰值位置距采空区边界10m,峰值为13MPa,应力增高区为5~30m,原岩应力区为30~60m.2)6m 煤柱宽度配合合理的支护参数,掘进期间两帮移近量最大为150mm 左右,顶底板移近量最大为187mm 左右,沿空巷道围岩保持稳定㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀郭金刚,王伟光,岳帅帅,等.特厚煤层综放沿空掘巷围岩控制机理及其应用[J].煤炭学报,2017,42(4):825-832.[2]㊀王德超,王㊀琦,李术才,等.深井综放沿空掘巷围岩变形破坏机制及控制对策[J].采矿与安全工程学报,2014,31(5):665-673.[3]㊀郭重托.特厚煤层迎采扰动沿空掘巷围岩控制技术研究[J].煤炭工程,2020,52(11):42-46.[4]㊀李㊀季,王文硕,强旭博.深部沿空掘巷主应力差分布规律及煤柱宽度优化[J].西安科技大学学报,2020,40(5):869-877.[5]㊀柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004(20):3475-3479.(下转第35页)㊃32㊃2020年第12期张文豪:沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定件进行调整㊂2)井筒热风与冷风的风量混合比例与热风温度存在负相关关系㊂3)煤矿井筒保温设计在热源选择上要综合考虑初投资㊁经济运行㊁智能化等因素,远红外电加热热风炉具有比较优势㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀张佳兵.浅谈寒冷地区煤矿井筒保温防冻设计[J].科技情报开发与经济,2008(28):222-223.[2]㊀郭潞斌.王庄煤矿北栗风井井筒保温技术优化方案研究[J].煤,2015(7):28,42.[3]㊀翟展红.远红外热风输送系统在煤矿的应用和推广[J].中小企业管理与科技,2017(6):23-24.[4]㊀王忠平,徐长志,孙凤杰,等.热风炉供热系统在矿井保温中的应用[J].铁法科技,2014(11):18-20,72.Application Design of Heating Engineering with Far-infraredRay Technology in Coal Mine ShaftLI Jiangwu ,LIU Xiaolin ,WEN Jiandong㊀㊀Abstract ㊀Based on the design of three air intake shaft winter heating projects of Sanjusheng Coal Industry as theresearch background,according to the maximum air intake volume of the three air intake shafts and local winter weather conditions,the heat demand power of the heating equipment and the air volume of the supporting engine for hot air fan are reasonably determined.Through the comparison of operating data,it is verified that the shaft heatingmethod is effective in terms of operating cost,energy saving and environmental protection,and heating effec.Key words ㊀Far infrared heating device;Shaft insulation;Heat demand calculation;Heating efficiency(上接第19页)Design and Application Practice of Reverse Divided FlowSeparation Process for Dense Medium SeparationWANG Caixia ,WANG Jian㊀㊀Abstract ㊀The causes of high medium consumption and high water consumption are analyzed,the design of re-verse divided flow process is put forward,and the reasonable reverse divided flow device is designed.And the control system is also designed and analyzed.The practical industrial application has been successful in Chengzhuang Coal Preparation Plant.Key words ㊀Dense medium separation;Reverse divided flow design;Reverse divided flow device;Reverse di-vided flow control system (上接第23页)Determination of Reasonable Coal Pillar Width and SupportParameters for Gob Side Entry DrivingZHANG Wenhao㊀㊀Abstract ㊀Through theoretical analysis,the theoretical coal pillar width of gob side entry driving is determined,the numerical calculation model of roadway driving along goaf with FLAC3D is established to analyze the evolution lawof lateral support stress.The reasonable width of coal pillar is determined as 6m,and the reasonable support parameters are put forward.The field industrial test shows that the deformation of return air gateway in B3103working face is within the predicted range,which verifies the rationality of coal pillar width and support parameters,andprovides reference for surrounding rock control of roadway driving along goaf under similar conditions.Key words ㊀Gob-side entry driving;Coal pillar width;Support parameters;Roadway deformation㊃53㊃2020年第12期李将武等:远红外线热风炉在煤矿井筒保温中的应用设计。

区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定研究

区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定研究摘要：区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区。

区段煤柱宽度决定着下一工作面沿空巷道的位置，煤柱宽度不同，沿空巷道所受的矿压影响不同。

文章主要就区段煤柱破坏特征和小煤柱合理尺寸确定展开分析和探讨。

关键词：区段煤柱；破坏特征；小煤柱尺寸引言按照煤柱留设情况，沿空掘巷分为完全沿空掘巷和留小煤柱沿空掘巷两类。

完全沿空掘巷过程中因采空区的水和瓦斯及其冒落的矸石会对巷道的正常掘进构成危险，而且给掘进通风造成一定的影响，其技术难度相对较高，因此大多采用留小煤柱沿空掘巷。

沿空掘巷留设小煤柱技术是指沿着已经稳定的采空区边缘或与采空区之间留小煤柱掘进巷道。

巷道掘进时，相邻采空区岩层活动应基本趋于稳定，巷道应处于应力降低区，以便于巷道维护。

该技术的首要关键点是把握合理留设位置，即掘进巷道应布置在应力降低区域，因此掌握工作面开采期间区段煤柱破坏特征，是确定小煤柱合理宽度的重要依据。

为掌握灵东矿工作面区段煤柱破坏特征，更好的为工作面合理区段小煤柱的留设提供依据，本课题采用KSE型钻孔应力计及钻孔窥视仪，对回采工作面采动影响下煤柱围岩应力分布规律及裂隙发育状态进行实测，在此基础上，综合采用理论计算、经验公式、数值模拟等方法进行了区段小煤柱合理留宽的研究。

1灵东矿区段煤柱破坏特征1.1区段煤柱围岩应力分布规律本次分析数据从2015年7月1日开始，至10月30日结束，监测了整个工作面采动影响过程，整个监测期间工作面走向推进约400m。

统计随工作面推进煤柱内不同深度应力变化，如下表：表1 煤柱内不同深度围岩应力统计分析分析煤柱不同深度围岩应力分布特征可知，超前工作面87.3m～112.5m范围内，煤柱内围岩应力开始呈现增大的趋势，当超前工作面13.7m～43.2m时，煤柱内不同深度处围岩应力均达到应力峰值，应力集中系数为1.03～1.32；随着工作面的继续推进，应力集中程度逐渐减弱，此时应力峰值向煤柱深处转移，当临近工作面或工作面回采后，由于采空区侧向顶板的回转再稳定过程，应力集中程度再次呈现增大的趋势，直至侧向顶板活动稳定后，围岩应力不再发生变化。

综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计

在煤柱中。
２）水平位移的变形规律。在数值计算条件下，窄煤柱向巷道内水平位移的基本特点：般是窄煤柱一中间的水平位移较大，柱宽度较小，平位移的最煤水大值一般更靠近窄煤柱的下部一些；窄煤柱向上区段工作面采空区侧水平位移的特点：平位移靠近煤柱水上部要大得多，似表现为向采空区滑落的特点，近煤柱宽度越小，这种特点越明显，可见，采空区中靠近窄煤柱帮的矸石充填及支护状况对窄煤柱向采空区侧变形的程度有较大的影响。２窄煤柱变形的影响因素事实上，响窄煤柱的因素很多，影包括：巷道的埋
其垂直位移量明显要小。
研究认为，放沿空掘巷采用锚杆支护时，定综确合理的窄煤柱宽度应遵循以下几个原则：１）锚杆安设基础的原则。窄煤柱采用锚杆支护时，煤柱宽度至少应大于锚杆的长度，锚杆能锚固使
① 作者简介：文超段
２）相对有利的应力环境。当上区段工作面回采
结束后，在采空侧煤体中形成一个垂直应力相对较低
的区域，放沿空掘巷位于此区域时，巷道及其窄综对煤柱的稳定性都极为有利。因此，道宽度和窄煤柱巷
此，在考虑合理的窄煤柱宽度时，保证锚杆安设基应础的围岩性质较好，以保证锚杆具有较高的锚固力，

沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定及巷道支护技术

２沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定
为了确定沿空掘巷窄煤柱合理的宽度，采用ＵＤＥＣ模拟软件对１０３工作面侧向支承压力场和不同煤柱宽度巷道位移场进行模拟分析。采用Ｍｏｈｒ — Ｃｏｕｌｕｍｂ本构模型，尺寸为３２０ｍ× ９１．８ｍ，煤厚２．８ｍ，１０３工作面长２１０ｍ，沿空巷道破底掘进。模型下部边界及左右两边界固支，根据工作面埋深（８０８ｍ）及模型中煤层上覆岩层厚（６０ｍ），在上边界施加１９．２ＭＰａ的均匀载荷。数值计算
在１０３、１０５工作面地质条件的基础上，通过数值模拟分析１０３工作面侧向支承压力分布规律，沿空掘巷不同宽度窄煤柱的破坏情况和巷道表面围岩破坏规律，结合工程实践的技术要求，最终
确定某矿１０５工作面沿空掘巷窄煤柱的宽度。实践表明，选取窄煤柱宽度５ｍ是合理的，可满足
图２１０３工作面侧向支承压力分布
从图２可知，基本顶岩层内，侧向支承压力在距工作面约９ｍ处达到峰值，其应力峰值约为４７ＭＰａ，
应力集中系数ｋ为２．３（该处原岩应力值为２０．４
设计要求。关键词：沿空掘巷；窄煤柱；锚杆支护；数值模拟
中图分类号：ＴＤ２６３．５文献标志码：Ｂ

沿空掘巷煤柱合理宽度的确定

护，锚杆间排距为７００ｍｍ×７００ｍｍ，全断面铺设
１工程概况
１．１地质概况
钢筋梯子梁和挂铁丝网。
２１１０８回风巷道位于该矿２１采区１０煤层，标
高＋１３４５～＋１２９０Ｉｎ左右，工作面距地表垂深５２０～７６５ｉ１＂１，煤层厚度为１．６～２．０ｒｌｌ，煤层倾角７。～１Ｏ。，粉粒状，少量碎块，半暗型，金属光泽，含夹矸１～２层；直接顶为８ｍ的中厚菱铁质粉砂岩与粉
０引言
沿空掘巷在国内已得到广泛的应用，其实质是
沿上工作面采空区留设煤柱掘进巷道［１２３。沿空掘
１．２支护情况
２１１０８回风巷设计矩形断面，巷道开挖宽度５
ｒｎ，高为３ｍ，巷道断面积为１５ＩＴ１。，该巷道支护采用锚网索的支护形式，即金属锚杆一锚索配合钢筋梯
砂岩互层；底板为１３．５１ＴＩ的灰色粉砂岩、细砂岩与
菱铁质粉砂岩互层，２１１０８回风巷与相邻的２１１０６
模拟模型。采用ＦＬＡｃ５．０数值模拟软件进行模拟计算，本构模型采用摩尔一库仑模型，根据开采深度，模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面

沿空掘巷小煤柱加固技术探讨

沿空掘巷小煤柱加固技术探讨摘要：随着矿井开采向深部延伸，工程地质环境日趋复杂，使得深部煤巷支护愈加困难,为了更好地解决深部综放沿空掘巷的支护问题，在分析了深部矿井沿空掘巷变形机理,并针对其破坏特征，确定了掘巷留设窄煤柱的合理宽度、支护方案和参数。

通过井下实践表明，支护方案有效的控制了巷道围岩的变形，解决了支护难题。

关键词：深井；小煤柱；沿空掘进；变形；支护近年来，随着我国矿井综合机械化程度不断提高，各大煤矿的年产量也随之增长，这必然将加快煤炭资源的枯竭。

为了尽可能的提高煤炭回收率，延长矿井服务年限，小煤柱沿空掘巷逐渐在各大矿井推广开来。

丁集煤矿位于淮南复向斜中北部，井田东段为潘集背斜西缘，井田西段为陈桥背斜东翼与潘集背斜西缘的衔接带。

自2007年12月26日投产以来，煤巷锚网支护得到了广泛应用。

尤其在动压区留小煤柱沿空掘巷可以有效的缓解煤矿接替紧张问题，提高资源回收率。

但小煤柱沿空掘巷巷道失稳变形严重、后期二次巷修量大、处理时间长等突出问题又制约了沿空掘巷优势的发挥，严重影响安全生产。

因此，加强对小煤柱动压沿空掘巷巷道围岩变形规律和关键控制技术研究，对控制巷道围岩的变形及满足生产需要，意义重大。

1 留设小煤柱的意义所谓沿空掘进就是完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱掘进巷道。

具体说，就是把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量。

其关键是严格控制煤柱宽度。

留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，防止采空区的水与有害气体串入巷道，危及安全生产，但煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难。

2 沿空掘巷小煤柱加固方法2.1 小煤柱喷浆利用中空注浆锚索注水泥浆液，提高小煤柱的自身承载能力。

为改变围岩的松散结构，提高粘结力和内摩擦角，充填封闭煤岩裂隙，必须将锚固、注浆加固一体化施工，显著提高小煤柱强度，为锚杆（索）提供可靠的生根基础，使锚杆（索）对松软破碎围岩的锚固作用得到最大发挥。

小煤柱开采对应留设宽度的合理化设计

2021年第3期2021年3月煤矿掘进、开采以及后期维护等均需要在工作面留设一定宽度的煤柱，以确保煤柱上方的覆岩和围岩得到有效控制，进而确保工作面地表不会下沉。

尤其是随着工作面采煤深度的增加和采高的增加，煤矿生产对留设煤柱的依赖性越来越大[1]。

传统煤矿生产中为了保证生产及管理安全，所留设的煤柱宽度较大，从而导致煤炭资源被浪费，回采率较低。

因此，根据巷道稳定性和断面形状确定煤柱留设宽度，对保证工作面回采率，减少煤炭资源浪费具有重要意义。

1工程概述以3045工作面为例开展研究，该工作面采用大采高综采技术进行开采，采高为5m ，工作面顶板、两帮采用“锚杆+锚索+注浆”联合支护方式。

3045工作面的顶底板情况如表1所示。

表13045工作面顶底板情况经探测，3045工作面煤层的厚度为5.65~6.20m ，平均厚度为6.0m ；工作面煤层倾角为2°~7°，平均倾角为5°。

3045工作面煤层的最大涌水量为30m 3/h ，一般情况下的平均涌水量为20m 3/h 。

总的来说，3045工作面围岩的稳定性较好，顶板条件良好，但在开采时预计来压步距较大。

2煤柱留设宽度的初步确定2.1小煤柱开采的合理性分析小煤柱开采为煤矿开采的未来发展趋势，其对巷道布置和工作面顶板及围岩的变形控制具有重要意义[2]。

经统计分析，小煤柱在工作面开采的优势为：a)基于小煤柱开采可提升工作面煤炭资源的回采率，进而减少煤炭资源的浪费。

与传统大煤柱开采相比，小煤柱开采具有明显优势。

b)基于小煤柱开采可提升工作面开采巷道的稳定性，具体表现为，采用小煤柱开采时需保证内部的破坏区域较小，即小煤柱具有较好的完整性，可承担由于回采所传递的动载荷。

c)小煤柱开采与传统大煤柱开采相比，大煤柱开采破坏区域较大，导致传统锚杆支护手段效果无法满足要求，而小煤柱开采对应锚杆的支护效果较好。

鉴于小煤柱开采的优势，拟将小煤柱开采应用于3045工作面的开采工作中。

沿空掘巷窄煤柱合理宽度的研究

１沿空掘巷窄煤柱留设原则
沿空掘巷窄煤柱的稳定性除了同构造应力、水平应力、回采影响及合理的支护参数有关之外，多更的与煤柱宽度密切相关研究得到沿空掘巷窄煤柱留设的一般原则［：２］（）１煤柱应尽可能窄，巷道布置在应力降低区将内。此时巷道围岩特别是窄煤柱的稳定性较好。（）２巷道掘成后窄煤柱内无明显的应力集中。（）３窄煤柱内部应有稳定的区域。受上区段工作
３１掘进期间煤柱稳定性分析．
根据研究需要．建立较为普遍的数值计算模型，计算出的采面侧向支承应力分布曲线如图２所示。
３０２５
５
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皇２ｏ
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（ｂ）
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Ｉ５常ｊ
窄煤柱是沿空掘巷围岩的一个重要组成部分。窄煤柱宽度直接影响窄煤柱的自身稳定性．过窄的煤柱节理裂隙发育。至破碎．甚自身难以保持稳定，而且支撑作用小．增加了巷道跨度和悬顶距．使沿空
道围岩稳定的前提下。尽可能减小窄煤柱的宽度。应
和稳定性较低．巷道维护困难。
空区支承压力，随采空区的压实而前移。并在工作面俯斜方向和仰斜方向形成侧向支承压力．在工作面
采过一段时间后．不再发生变化．将成为沿空掘巷的永久性影响因素因此．研究工作面侧向支承应力的

沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定

沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。

研究表明：工作面小煤柱合理宽度为5m。

该研究结果对类似煤层开采条件下的区段煤柱宽度合理留设具有重要参考意义。

关键词：沿空掘巷；小煤柱；数值计算；巷道围岩0前言沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，其目的是为了将巷道与采空区隔离[1-3]。

把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量[4]。

其中关键是严格控制煤柱宽度。

煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难[5-7]。

王卫军等[8]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄煤柱宽度的计算公式；王德超等[9]通过采空区侧向支承压力影响范围确定区段煤柱合理留设宽度；张科学等[10]通过分析垂直应力场呈现三角形的形状确定出沿空掘巷窄煤柱留设宽度。

本文通过对10#煤组1012工作面回风沿空掘巷的数值模拟分析了不同煤柱宽度下的顶板位移和底鼓变形，并结合实测数据分析掘进和回采时期的顶板位移、底鼓变形和实体煤帮的变化，得出了本矿井地质条件下的沿空掘巷小煤柱留设宽度的合理性。

1工程概况1012工作面井下标高-400m，其地面标高+27.13m，巷道标高-373.4--425.3m。

西邻皮带大巷，东面古河床冲刷无煤带。

工作面走向长1530m-1620m，平均1575m；倾斜宽164m-166m，平均165m。

煤厚1.0-4.7m，平均在3.6m左右。

该面煤层倾角为4°-10°，平均6°左右，该面内煤层结构简单，但局部含一层夹矸，顶板岩性多为灰色粉砂岩，局部含一层灰黑色泥岩伪顶，底板多为粉砂岩和泥岩。

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沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定发表时间：2018-10-23T11:44:10.843Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：李刚[导读] 摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。

淮北矿业股份有限公司童亭煤矿生产技术管理部安徽淮北 235137摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。

研究表明：工作面小煤柱合理宽度为5m。

该研究结果对类似煤层开采条件下的区段煤柱宽度合理留设具有重要参考意义。

关键词：沿空掘巷；小煤柱；数值计算；巷道围岩0前言沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，其目的是为了将巷道与采空区隔离[1-3]。

把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量[4]。

其中关键是严格控制煤柱宽度。

1工程概况1012工作面井下标高-400m，其地面标高+27.13m，巷道标高-373.4--425.3m。

西邻皮带大巷，东面古河床冲刷无煤带。

工作面走向长1530m-1620m，平均1575m；倾斜宽164m-166m，平均165m。

煤厚1.0-4.7m，平均在3.6m左右。

该面整体东西低，中间高，呈背斜构造，断层走向多与机、风巷斜交,受背斜及构造影响，煤层倾角起伏可能较大，对正常回采将造成一定的影响。

工作面布置图2煤柱宽度确定原则煤柱是围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定巷道的稳定性和煤矿开采中安全问题。

煤柱宽度应满足以下几个原则：①巷道处于应力降低区。

采空区侧向支承压力分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区[11]。

②煤柱内部有稳定的区域。

由于受上区段工作面侧向支承压力作用和巷道掘进影响，煤柱两侧出现破碎区不可避免，如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，那么就应该只当增加煤柱的宽度，并做好支护工作[12]。

③有利于巷道围岩稳定。

煤柱过窄，不但煤柱破碎、实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小[13]。

测量数据表明，煤柱较小时，随煤柱宽度增大，巷道围岩变形量减小，煤柱宽度达到一定值后，随煤柱宽度增大，巷道变形量增加；因此，并不是煤柱越小围岩越稳定，煤柱宽度有一个合理的值。

④采出率高。

煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小煤柱宽度。

3数值模拟3.1数值模型建立为了探索出既利于安全生产又能尽量减少煤炭的损失的煤柱宽度。

以10#煤组1012首采工作面建立数值模型，根据现场观测数据和相关地质资料建立UDEC顶板和底板数值模拟模型。

根据研究内容计算得出所需建立模型的大小，模型的高度为100m，长度为150m。

此模型模拟采深400m。

为了便于研究，我们将上部的载荷看做均布载荷，上部的边界条件为应力边界条件。

下部边界条件简化为位移边界条件。

边界条件：地下巷道简化为平面应变问题，边界上作用有铅直原岩应力P0和水平原岩应力λP0；模型下边界位移全约束，岩体取二维平面应变元；对模型内部各岩层计算时考虑重力，屈服准则选用摩尔库仑准则。

3.2煤柱宽度对顶板的影响从煤柱的位移场分布特征来看，煤柱宽度影响巷道围岩位移场分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的变化而变化。

掘进时期：巷道顶板下沉量随煤柱宽度增大不明显。

顶板下沉量从总体看煤柱侧大于煤体侧。

2m时煤柱侧顶板下沉量为64.7mm，3m 时煤柱侧顶板下沉量为57.7mm，5m时煤柱侧顶板下沉量为29.3mm，7m时为32.6mm，10m时煤柱侧顶板下沉量为36.7mm，15m时37.5mm。

图中可以看出2m和3m煤柱巷道顶板下沉量较大，5m和7m时巷道顶板下沉量比较小，5m时顶板下沉量最小。

回采时期：巷道顶板下沉量2m时达最大，煤柱侧其值为389.2mm；煤柱宽度5m时最小，其值分别为333mm、煤柱宽度7m比煤柱宽度5m时顶板位移量稍大些，其值为339.7mm，然后随煤柱宽度增大而增大，然后趋于稳定,煤柱宽度10m时顶板位移量为370.3mm，煤柱宽度15m时顶板位移量为376.2mm。

3.3煤柱宽度对底鼓的影响掘进时期：巷道下不同煤柱宽度底鼓量相差不是太大，仅24cm左右；从图中可以看出：煤柱宽度为5m时底鼓的位移量最小，煤柱宽度为3m时底鼓位移最大，煤柱宽度为2m、7m、10m和15m时，虽然都有变化，但变化相差很小。

在巷道中间位置底鼓位移量最大，煤柱宽度2m、5m、7m、10m、15m时，其值分别为195.1mm、191.2mm、215.3mm、198.3mm、186.9mm。

回采时期：巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量，巷道底鼓量随煤柱宽度增大先减小后增大。

煤柱宽度2m时巷道煤柱侧底鼓量为423mm，煤柱宽度3m时煤柱侧底鼓量为351mm，煤柱宽度5m时煤柱侧底鼓量较大时底鼓量为115mm，煤柱宽度7m时巷道煤柱侧底鼓量为113mm,煤柱宽度10m时巷道煤柱侧底鼓量为34mm，煤柱宽度15m时巷道煤柱侧底鼓量为28mm。

与掘进时期相似的时，巷道中间位置底鼓位移明显比较大，回采时期煤柱宽度2m、3m、5m、7m、10m、15m时，巷道底鼓位移量分别为686mm、702mm、662mm、650mm、705mm、702mm。

通过数值模拟结果分析：在掘进过程中，对于这种现象的解释是煤柱较小时由于受到二次采动的影响早已破碎，回采时由于超前支承压力和侧向固定支承压力的叠加作用使已经破碎的煤柱不在具有支承的能力，而上覆岩层关键块在侧向和后方回转力距的共同作用下其下沉量较大。

从图中数据可以看出并非煤柱越宽巷道顶板下沉量越小，当煤柱宽度为5m时为最佳煤柱留设宽度。

煤柱宽度2m和3m时，由于宽度较小受采动影响，煤柱破碎，煤柱侧底板已相对抬起。

3.4现场矿压观测及分析1）巷道掘进时期影响时间大约26天，围岩变形稳定所需时间较短，在其期间顶板的最大下沉量为35.4mm，顶板下沉速度最快5mm/d，最慢为0.3mm/d；平均下沉速度为2.1mm/d；底鼓量的最大值为32.1mm，底鼓的速度最大为4.8mm/d，最小值为0mm/d，平均为1.5mm/d；实体煤柱帮移进量为56mm，实体煤帮的移进速度最大为7.6mm/d；在掘进后的第16d，对底板进行清理，采用硬化方式（硬化厚度200mm）这样能使巷道底鼓控制在合理的范围。

2）在巷道掘进后的一段时间后，道处于稳定时期，此时顶板的最大下沉量为36.5mm，顶板最大下沉速率为0.3mm/d，最小的下沉量为0mm；最大底鼓量为32mm；两帮的围岩移进量大于顶底板之间的移进量，并且，煤柱帮的移进速度大于实体煤帮的移进速度，这是因为煤柱内的围岩应力对其的巷道产生一定的影响，但是整体上对围岩的影响并不是太大，围岩变形也不是太严重，范围也不是太大。

此时表明所留设的煤柱是安全可行合理的。

4.结论（1）无论是掘进还是回采期间，煤柱宽度对巷道顶板下沉量都会产生影响，而且煤柱宽度对巷道顶底位移量影响较大。

但通过模拟可以看出，并不是煤柱越宽，顶板下沉量越少，而是在一定范围内煤柱增宽能减少顶板下沉量，随着煤柱变宽，顶板下沉反而有增大趋势。

（2）数值模拟结果得出：掘进期间煤柱宽度3m时巷道有稍量底鼓量。

回采期间巷道煤柱宽度较小时，由于煤柱已破碎不具有支承能力，巷道跨度相对加大，底板在水平力的作用下底鼓量大；煤柱宽度5m时，底鼓量较小。

巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量；煤柱宽度大于10m后软煤巷道底鼓量煤体侧大于煤柱侧。

回采期间2m和3m宽度煤柱顶底板下沉量比较大，10m和15m煤柱的顶板下沉量稍小些，5m和7m顶板下沉量相对于前者更小，可以看出合理的煤柱宽度反而比较宽的煤柱控制顶板下沉效果更好。

（3）现场监测表明了，所留设5m煤柱宽度是合理的，巷道掘进时期顶底板最大移进量35.4mm，实体煤帮移进量55mm。

留设5m煤柱巷道变形量较小。

合理的煤柱宽度不但保证煤体自身的稳定性，而且使巷道围岩变形量有效控制，对顶板和底鼓的维护及防治减少困难。

有利于巷道稳定，能保证矿井安全生产高效进行，也有重要的工程和经济意义。

参考文献[1]柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3475-3475.[2]李彦,杨明东.沿空掘巷护巷煤柱稳定性分析[J].煤炭技术,2017,36(8):58-60.[3]郭兵兵,孙光中.留小煤柱沿空掘巷合理时空关系研究术[J].煤炭技术,2017,36(5):33-35.[4]杨科,谢广祥.窄煤柱综放巷道围岩应力场特征[J].采矿与安全工程学报,2007,24(3):311-315.[5]袁得江,高明仕,何双龙.中厚煤层沿空掘巷窄煤柱稳定性控制技术[J].煤矿安全,2011,42(12):42-44.[6]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].中国矿业大学出版社,1994.[8]王卫军,侯朝炯,李学华.老顶给定变形下综放沿空掘巷合理定位分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2001,16(2):1-4. 作者简介李刚（1980.10—），男，安徽淮北，本科，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作。