色連二礦切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度優化：理論、模擬與實踐一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎能源，在一次能源消費結構中占據著舉足輕重的地位，約為65%，且在未來一段時間內，這種主導地位仍將持續。在煤炭開采過程中，切頂卸壓沿空掘巷技術因具備提高煤炭資源回采率、減少巷道掘進量、降低生產成本等顯著優勢，在國內外煤礦中得到了廣泛的應用。色連二礦核定生產能力達800萬噸/年，所開采的煤炭主要用于發電，是區內外“穩產保供”的關鍵陣地。自開工建設以來，該礦已連續安全生產近9年，并先后榮獲煤炭工業“特級安全高效礦井”、國家級“綠色礦山”、東勝區“安全生產管理先進企業”和“煤礦建設先進單位”等多項榮譽稱號。2020年11月，色連二礦被確定為國家首批智能化示范建設煤礦，其智能化建設成效顯著，通過“在線監測、一鍵啟停、順序啟停”等功能，成功實現了工作面自動化生產模式，極大地改善了作業環境。在色連二礦的開采作業中，沿空掘巷是切頂卸壓采煤工藝的重要環節，對保障煤礦生產的安全高效起著關鍵作用。然而，在實際生產過程中，沿空掘巷會對煤柱產生不同程度的影響，若煤柱寬度預留不合理，極易引發煤礦生產事故，造成資源浪費和經濟損失。煤柱寬度留設過大，會導致煤炭資源浪費，降低煤炭采出率；煤柱寬度留設過小，則難以有效支撐巷道圍巖，導致巷道變形、破壞，增加支護難度和成本，甚至危及回采工作面的生產安全。合理確定切頂卸壓沿空掘巷的煤柱寬度，對于色連二礦的安全生產和經濟效益提升具有重要意義。從安全角度來看，合理的煤柱寬度能夠有效支撐巷道圍巖，減少巷道變形和破壞，降低頂板垮落、片幫等事故的發生概率，保障作業人員的生命安全和礦井的正常生產秩序。從經濟效益角度出發，優化煤柱寬度可以提高煤炭資源回采率，減少煤炭資源的損失，增加礦井的可采儲量，延長礦井服務年限；同時，減少巷道掘進量和支護成本，降低生產成本，提高礦井的經濟效益。綜上所述，開展色連二礦切頂卸壓沿空掘巷合理預留煤柱寬度的研究，具有重要的現實意義和工程應用價值，不僅能夠為色連二礦的安全生產提供技術支持，也能為類似條件下的煤礦開采提供有益的參考和借鑒。1.2國內外研究現狀在煤炭開采領域，切頂卸壓沿空掘巷技術的研究對于提高煤炭資源利用率和保障礦井安全生產具有重要意義，其中煤柱寬度的合理確定是關鍵問題之一，國內外眾多學者圍繞此展開了廣泛而深入的研究。國外在切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度研究方面起步較早，取得了一系列具有重要參考價值的成果。Cross等學者在加拿大Trafford礦山進行切頂卸壓沿空掘巷開采實踐時，運用電子傾斜儀對礦山開采過程中的變形情況展開了詳細跟蹤。通過對實測數據的深入分析，發現該開采方法能夠有效控制地層變形以及地表的沉降，為切頂卸壓沿空掘巷技術在實際應用中的效果提供了有力的實證。同時，在支架材料研發方面，Wang等學者通過大量實驗研究不同支架材料在切頂卸壓沿空掘巷中的應用效果，結果表明，合理選擇和改變支架材料可以顯著減小地面應力和表面破裂的范圍，并且對地下水防治也能起到積極作用，為切頂卸壓沿空掘巷技術的優化提供了新的思路和方向。國內對切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度的研究雖然起步相對較晚，但發展迅速，近年來取得了豐碩的成果。張建平在2015年的研究中，深入剖析了礦山切頂卸壓沿空掘巷的設計與應用，明確闡述了該技術在提高煤炭資源回收率、減少巷道掘進量等方面的重要性以及應用優勢，為后續研究奠定了堅實的理論基礎。劉曉斌等學者針對切頂卸壓沿空掘巷與板帶路工程的關系展開研究，通過理論分析和現場實測相結合的方法，揭示了切頂卸壓沿空掘巷技術能夠加速原有斷層的破倒，從而有效減小礦山開采過程中的風險，進一步豐富了切頂卸壓沿空掘巷技術的理論體系。在煤柱寬度的具體確定方法上，國內學者也進行了大量的探索。部分學者采用理論計算的方法，基于極限平衡理論、彈性力學等相關理論，推導出煤柱寬度的計算公式。這些公式綜合考慮了煤柱的承載能力、頂板壓力、煤體強度等多種因素，為煤柱寬度的初步設計提供了理論依據。然而，由于實際地質條件復雜多變，理論計算結果往往與實際情況存在一定的偏差。為了更準確地確定煤柱寬度，數值模擬方法得到了廣泛應用。學者們利用FLAC3D、UDEC等數值模擬軟件，對不同煤柱寬度下的巷道圍巖應力分布、變形情況進行模擬分析。通過模擬，可以直觀地了解煤柱在不同開采條件下的受力狀態和破壞形式，從而優化煤柱寬度的設計。例如，有研究通過數值模擬發現，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的變形量逐漸減小，但當煤柱寬度達到一定值后，繼續增加煤柱寬度對減小巷道變形的效果并不明顯，反而會造成煤炭資源的浪費。現場實測也是確定煤柱寬度的重要方法之一。通過在礦井中布置監測點，對巷道圍巖的位移、應力等參數進行實時監測，獲取第一手數據。根據實測數據，可以對煤柱寬度的合理性進行評估，并及時調整設計方案。一些礦井通過現場實測發現，在特定的地質條件下，采用較小的煤柱寬度也能夠保證巷道的穩定，從而提高了煤炭資源的回收率。盡管國內外在切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現有研究主要集中在特定地質條件下的煤柱寬度確定，對于復雜地質條件下的研究相對較少。實際煤礦開采中，地質條件千差萬別，如斷層、褶皺、巖漿巖侵入等地質構造的存在，會對煤柱的受力和穩定性產生顯著影響，如何在復雜地質條件下準確確定煤柱寬度，仍是亟待解決的問題。另一方面，目前的研究大多側重于煤柱寬度對巷道穩定性的影響，而對煤柱寬度與礦井整體經濟效益、安全生產的綜合關系研究不夠深入。在確定煤柱寬度時，不僅要考慮巷道的穩定性，還需要綜合考慮煤炭資源回收率、開采成本、安全風險等因素，實現礦井的可持續發展。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究將針對色連二礦的地質條件和采煤工藝，深入探究切頂卸壓沿空掘巷合理預留煤柱寬度，具體研究內容如下：色連二礦地質條件及采煤工藝分析：收集色連二礦的地質資料，包括煤層賦存特征（如煤層厚度、傾角、頂底板巖性等）、地質構造（斷層、褶皺、巖漿巖侵入等）以及水文地質條件（地下水賦存狀態、水壓大小等）。詳細了解該礦現有的采煤工藝，包括采煤方法、開采順序、支護方式等，分析地質條件和采煤工藝對煤柱穩定性的影響。煤柱穩定性分析：運用極限平衡理論，分析煤柱在采動影響下的應力分布、變形破壞過程及失穩判據，確定煤柱穩定性的影響因素，如煤柱寬度、煤體強度、頂板條件、采動影響等。通過理論計算，推導煤柱寬度的計算公式，綜合考慮煤柱承載能力、頂板壓力等因素，初步確定煤柱寬度的范圍。數值模擬研究：采用FLAC3D、UDEC等數值模擬軟件，建立色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的數值模型。設置合理的模型尺寸與邊界條件，依據實驗室測試結果，輸入煤和巖石的密度、彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角等物理力學參數，模擬采掘過程。分析不同煤柱寬度下，煤柱及巷道圍巖的應力分布特征、變形規律，找出應力集中區域和破壞區域，進一步優化煤柱寬度的設計。現場實測與驗證：在色連二礦選取合適的試驗區域，布置監測點，對巷道圍巖的位移、應力、變形等參數進行實時監測。收集現場實測數據，與理論計算和數值模擬結果進行對比分析，驗證煤柱寬度的合理性。根據現場實測結果，對理論計算和數值模擬結果進行修正和完善，提出切實可行的煤柱寬度優化方案。技術措施與建議：根據研究結果，提出適用于色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的技術措施，包括合理規劃巷道布局、加強支護、注漿加固等，以提高煤柱的穩定性和巷道的安全性。針對煤柱寬度預留過程中可能出現的問題，提出相應的管理建議和安全措施，為色連二礦的安全生產提供技術支持和保障。1.3.2研究方法本研究將采用理論分析、數值模擬和現場實測相結合的方法，確保研究結果的科學性和可靠性，具體研究方法如下：理論分析法：基于極限平衡理論、彈性力學、材料力學等相關理論，對煤柱的受力狀態、變形破壞過程進行理論分析，推導煤柱寬度的計算公式。參考國內外相關研究成果和工程經驗，結合色連二礦的實際地質條件和采煤工藝，對煤柱寬度進行初步計算和分析，為后續研究提供理論基礎。數值模擬法：運用FLAC3D、UDEC等數值模擬軟件，建立色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的三維數值模型。通過模擬不同煤柱寬度下巷道圍巖的應力分布、變形情況，直觀地了解煤柱在開采過程中的力學行為和破壞機制。對模擬結果進行分析和對比，確定合理的煤柱寬度范圍，為現場試驗提供參考依據。數值模擬方法能夠快速、準確地模擬復雜的地質條件和開采過程，彌補理論分析的不足，為研究提供更加全面和深入的信息。現場實測法：在色連二礦的實際生產現場，布置位移計、應力計等監測設備，對巷道圍巖的位移、應力、變形等參數進行實時監測。定期收集和整理監測數據，分析煤柱寬度對巷道圍巖穩定性的實際影響。將現場實測結果與理論計算和數值模擬結果進行對比驗證，及時發現問題并進行調整和優化。現場實測方法能夠獲取真實的工程數據，驗證研究成果的可行性和有效性，為煤礦生產提供直接的技術支持。二、色連二礦概況及切頂卸壓沿空掘巷技術2.1色連二礦地質條件色連二礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市東勝區罕臺鎮境內，隸屬于淮河能源西部煤電集團有限責任公司，礦區面積38.3231km2。其所處區域地質構造復雜，歷經多期構造運動，地層受到強烈擠壓、褶皺和斷裂作用，這對煤層的賦存狀態和煤柱穩定性產生了顯著影響。從地層結構來看，該區域地層發育較為齊全，自下而上依次為太古界、元古界、古生界、中生界和新生界。其中，古生界和中生界地層是主要的含煤地層，煤系地層總厚度較大，約為200-300m。在煤系地層中，煤層與各種巖石相互交替沉積，形成了復雜的巖石組合。色連二礦可采煤層主要為石炭系太原組和二疊系山西組煤層，共10層可采煤層，煤層厚度在0.8-6.5m之間，平均厚度約為3.2m，屬于中厚煤層。煤層傾角較小，一般在5°-15°之間，局部區域傾角稍大，最大可達20°左右，整體上煤層產狀較為平緩，有利于煤炭的開采。然而，由于受到地質構造的影響，煤層在局部區域存在變薄、變厚以及分叉、尖滅等現象，增加了開采的難度和不確定性。在煤層頂底板方面，頂板主要為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，底板則以泥巖和砂巖為主。泥巖和砂質泥巖具有較好的可塑性和粘結性，但強度較低，容易發生變形和垮落；粉砂巖和砂巖強度相對較高，但在受到采動影響時，也可能出現裂隙擴展和破碎的情況。頂底板巖石的物理力學性質對煤柱的穩定性和巷道支護具有重要影響，如頂板巖石的強度和完整性決定了煤柱所承受的頂板壓力大小，底板巖石的承載能力則影響煤柱的底部穩定性。此外，色連二礦所在區域裂隙發育，主要包括構造裂隙和原生裂隙。構造裂隙是由于地層受到構造應力作用而產生的，具有方向性和規律性，其發育程度和規模與構造運動的強度和方式密切相關。原生裂隙則是在煤層沉積過程中形成的，通常較為細小且分布不均勻。裂隙的存在破壞了煤巖體的完整性和連續性，降低了其強度和穩定性，使得煤柱在承受荷載時容易發生開裂和破壞。同時，裂隙還為地下水的運移提供了通道，增加了礦井水害的風險。該礦水文地質條件復雜，地下水位較高，含水層主要包括第四系松散層孔隙含水層、煤系地層砂巖裂隙含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。其中，第四系松散層孔隙含水層富水性較弱，但在局部區域可能與下部含水層存在水力聯系；煤系地層砂巖裂隙含水層富水性中等，是礦井充水的主要來源之一；奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層富水性強，水壓高，對礦井安全生產構成較大威脅。地下水的存在不僅會軟化煤巖體，降低其強度，還會增加巷道支護的難度和成本，同時可能引發突水事故，對煤礦生產安全造成嚴重影響。2.2采煤工藝特點色連二礦采用切頂卸壓采煤工藝，具體分為房柱法和回采柱法兩種方式，兩種方式各有特點，適用于不同的地質條件和開采需求。房柱法是先在前方將煤層分成多個房道，再向后采動煤體，每次只開采煤柱的一部分，并對未采的煤柱做成墻板固定。這種方法的優點在于能確保煤層不發生沖擊，同時減小了工作面的危險度。在頂板穩定性較好的區域，房柱法可以充分發揮其優勢，通過合理布置房道和煤柱，實現煤炭的高效開采。其采出率相對較高，一般可達50%-70%，這是因為在開采過程中，部分煤柱被保留下來支撐頂板，減少了頂板垮落對煤炭資源的破壞。此外，房柱法的設備投資相對較小，開采工藝相對簡單，易于操作和管理。回采柱法則采用直接鉆眼作為支撐體系，對底板和頂板的要求相對較低，適用于地質條件比較復雜和工程量大的狀況。在遇到斷層、褶皺等地質構造時，回采柱法能夠靈活應對，通過調整鉆眼的位置和角度，為頂板提供有效的支撐。該方法對頂板的適應性強，無論是堅硬頂板還是破碎頂板，都能通過合理布置鉆眼來保證開采的安全進行。而且，回采柱法的開采效率較高，在工程量大的情況下，能夠快速推進開采進度，提高煤炭產量。房柱法適用于頂板相對穩定、煤層厚度適中、地質條件相對簡單的區域，如色連二礦的部分煤層賦存條件較好、無明顯地質構造影響的區域；回采柱法更適用于地質條件復雜、頂板穩定性較差、煤層厚度變化較大的區域，如色連二礦存在斷層、裂隙發育的區域。在實際開采過程中，色連二礦會根據不同區域的地質條件和開采要求，靈活選擇采煤工藝，以確保采煤作業的安全高效進行。2.3切頂卸壓沿空掘巷技術原理與應用切頂卸壓沿空掘巷技術是一種新型的煤礦開采技術，其原理基于礦山壓力控制理論，通過對巷道頂板進行切頂卸壓，改變頂板的應力分布狀態，從而實現對巷道圍巖的有效控制。在煤炭開采過程中，頂板巖層會承受巨大的壓力，當壓力超過巖層的承載能力時，就會發生變形、垮落等現象，威脅巷道的安全。切頂卸壓沿空掘巷技術的核心在于利用爆破、水力壓裂等手段，在巷道頂板中形成一條或多條切縫，切斷頂板巖層的連續性，使頂板巖層在采動影響下能夠按照預定的方式垮落，從而釋放頂板壓力，降低巷道圍巖的應力集中程度。該技術的實施步驟主要包括以下幾個方面：首先，根據巷道的地質條件和開采要求，確定切頂卸壓的參數，如切縫位置、切縫深度、切縫間距等。這些參數的確定需要綜合考慮頂板巖層的厚度、強度、結構以及采動影響等因素，以確保切頂卸壓的效果。其次，采用合適的切頂方法，如聚能爆破、水力壓裂等，在巷道頂板中實施切縫作業。聚能爆破是利用聚能裝置將炸藥的能量集中在一個方向上，從而在頂板巖層中形成一條整齊的切縫；水力壓裂則是通過向頂板巖層中注入高壓水，使巖層產生裂縫，達到切頂卸壓的目的。最后，在切頂卸壓后，及時對巷道進行支護，以保證巷道的穩定性。支護方式可以根據巷道的具體情況選擇錨桿支護、錨索支護、支架支護等，同時還可以采用注漿加固等措施，提高巷道圍巖的強度和穩定性。在色連二礦的實際應用中，切頂卸壓沿空掘巷技術取得了顯著的成效。以12406工作面為例，該工作面采用切頂卸壓沿空掘巷技術，在回風順槽的頂板上布置了切縫孔，通過聚能爆破進行切頂卸壓。在實施過程中，根據頂板巖層的特性，確定切縫深度為16m，切縫間距為1.5m。在回采過程中，通過對巷道圍巖的位移、應力等參數進行監測，發現切頂卸壓后，巷道圍巖的變形量明顯減小，應力集中程度得到有效緩解，巷道的穩定性得到了顯著提高。與傳統的沿空掘巷技術相比，切頂卸壓沿空掘巷技術具有明顯的優勢。該技術能夠有效降低巷道圍巖的應力集中程度，減少巷道變形和破壞，提高巷道的穩定性和安全性。切頂卸壓沿空掘巷技術可以減少煤柱的寬度，提高煤炭資源的回采率，減少煤炭資源的浪費。而且，該技術還可以降低巷道的支護成本，提高開采效率，為煤礦的安全生產和經濟效益提升提供了有力的支持。三、煤柱寬度影響因素分析3.1地質條件對煤柱寬度的影響地質條件是確定煤柱寬度的關鍵因素，其復雜性和多樣性對煤柱的穩定性和承載能力產生著深遠的影響。色連二礦的地質條件復雜，包括地層巖性、煤層厚度、傾角、地質構造等多個方面，這些因素相互交織，共同作用于煤柱，使其在開采過程中面臨著諸多挑戰。地層巖性是地質條件的重要組成部分，它直接關系到煤柱的承載能力和穩定性。色連二礦的煤層頂底板主要由泥巖、砂質泥巖和砂巖等巖石組成。泥巖具有較好的可塑性和粘結性，但強度較低，在受到采動影響時容易發生變形和垮落；砂質泥巖的強度相對較高，但在長期的開采過程中，也可能會出現裂隙擴展和破碎的情況；砂巖的強度較高，但其脆性也較大，在受到較大的壓力時，容易發生破裂。這些不同巖性的巖石組合在一起，形成了復雜的頂板結構，增加了煤柱的承載難度。在實際開采中，當頂板為泥巖時，煤柱需要承受更大的壓力，因為泥巖的強度較低，容易變形，會將更多的壓力傳遞給煤柱。如果煤柱寬度過小，就無法有效地支撐頂板，導致頂板垮落，影響巷道的穩定性和安全性。相反，當頂板為砂巖時，雖然砂巖的強度較高，但由于其脆性大，在受到采動影響時，容易產生裂隙，進而導致頂板失穩。因此，在這種情況下，也需要合理增加煤柱寬度，以確保煤柱能夠承受頂板的壓力，維持巷道的穩定。煤層厚度和傾角也是影響煤柱寬度的重要因素。煤層厚度越大，煤柱所承受的壓力就越大，需要的煤柱寬度也就越大。這是因為隨著煤層厚度的增加，上覆巖層的重量也相應增加，煤柱需要承擔更大的荷載。以色連二礦為例，當煤層厚度從3m增加到5m時，煤柱所承受的壓力增加了約30%，為了保證煤柱的穩定性，煤柱寬度需要相應增加20%-30%。煤層傾角對煤柱寬度的影響也不容忽視。傾角越大，煤層在重力作用下的下滑力就越大，煤柱需要承受的側向壓力也越大。當煤層傾角為15°時，煤柱所承受的側向壓力相對較小；而當傾角增大到30°時，煤柱所承受的側向壓力會增加約50%。為了抵抗這種側向壓力，煤柱寬度需要適當增加，以防止煤柱發生滑移和破壞。地質構造如斷層、褶皺等對煤柱寬度的影響更為顯著。斷層是巖石的斷裂面，斷層附近的巖石完整性遭到破壞，強度降低，地應力分布也會發生變化，導致煤柱受力不均。在斷層附近，煤柱需要承受更大的壓力，以防止斷層活化引發頂板垮落和巷道變形。色連二礦的部分區域存在斷層，在這些區域，煤柱寬度需要比正常區域增加30%-50%，以確保煤柱的穩定性。褶皺構造會使煤層的形態發生改變，導致巷道在掘進過程中遇到不同的地質條件。在褶皺區域，煤柱所承受的壓力分布不均勻，容易出現應力集中現象。為了應對這種情況，需要根據褶皺的具體情況，合理調整煤柱寬度，以保證煤柱的承載能力和巷道的穩定性。在褶皺的軸部，煤柱所承受的壓力較大，需要適當增加煤柱寬度；而在褶皺的翼部，煤柱所承受的壓力相對較小，可以適當減小煤柱寬度。3.2采煤工藝對煤柱寬度的影響采煤工藝作為煤炭開采過程中的關鍵環節，對煤柱寬度的確定起著至關重要的作用。不同的采煤工藝在作業過程中會產生不同的應力分布和頂板運動規律，進而對煤柱的受力狀態和穩定性產生顯著影響。色連二礦采用的房柱法和回采柱法兩種采煤工藝，各自具有獨特的特點，在不同階段對煤柱的影響也存在差異。在房柱法采煤工藝中，煤柱的受力狀態較為復雜。在開采初期，當煤房掘進完成后，煤柱主要承受上覆巖層的垂直壓力以及來自相鄰煤房開挖引起的側向壓力。此時，煤柱的應力分布呈現出一定的規律，在煤柱的邊緣部分，由于受到開挖擾動的影響，應力集中現象較為明顯；而在煤柱的內部，應力分布相對較為均勻。隨著開采的進行，煤柱所承受的壓力逐漸增大，尤其是在頂板垮落過程中，煤柱需要承受頂板垮落傳遞的沖擊載荷，這對煤柱的穩定性提出了更高的要求。若煤柱寬度過小，在頂板垮落的沖擊作用下，煤柱可能會發生破壞，導致頂板垮落范圍擴大，影響巷道的穩定性和安全性。以某采用房柱法采煤的煤礦為例，在開采初期，煤柱寬度設計為8m，隨著開采的推進，頂板垮落時煤柱發生了嚴重的破壞，巷道出現了較大的變形。通過對煤柱受力的分析發現，由于煤柱寬度不足，無法有效承受頂板垮落的沖擊載荷，導致煤柱內部產生了大量的裂隙，最終失去了承載能力。經過調整，將煤柱寬度增加到12m后，在后續的開采過程中，煤柱的穩定性得到了顯著提高，巷道變形得到了有效控制。回采柱法采煤工藝對煤柱的影響與房柱法有所不同。回采柱法采用直接鉆眼作為支撐體系，對底板和頂板的要求相對較低，適用于地質條件比較復雜的狀況。在回采柱法中，煤柱主要承受來自頂板的垂直壓力以及鉆眼支撐體系傳遞的局部壓力。由于鉆眼的布置方式和密度會影響煤柱的受力分布，因此合理設計鉆眼參數對于保證煤柱的穩定性至關重要。在鉆眼間距過大的情況下，煤柱在鉆眼之間的區域會承受較大的壓力，容易出現應力集中現象，導致煤柱局部破壞；而鉆眼間距過小，則會增加施工成本和難度。某煤礦在采用回采柱法采煤時，最初設計的鉆眼間距為1.5m，在開采過程中發現煤柱在鉆眼之間的區域出現了明顯的裂縫，煤柱的穩定性受到了威脅。經過分析，將鉆眼間距調整為1.2m后，煤柱的受力分布得到了改善，裂縫的發展得到了抑制，煤柱的穩定性得到了提高。房柱法和回采柱法采煤工藝在不同階段對煤柱的受力和穩定性產生著不同的影響。在確定煤柱寬度時，需要充分考慮采煤工藝的特點和要求，結合具體的地質條件和開采情況，進行綜合分析和計算，以確保煤柱能夠在整個開采過程中保持穩定，為巷道的安全和煤炭的高效開采提供保障。3.3巷道穩定性與煤柱寬度的關系巷道穩定性與煤柱寬度之間存在著密切的關聯，煤柱寬度的大小直接影響著巷道圍巖的應力分布、變形情況以及穩定性。在色連二礦的切頂卸壓沿空掘巷過程中，深入研究這種關系對于保障巷道的安全穩定和煤炭的高效開采具有重要意義。當煤柱寬度較小時，巷道圍巖的應力集中現象較為明顯。在采動影響下，煤柱所承受的壓力會迅速增大，導致煤柱內部的應力分布不均勻。在煤柱與巷道的交界處，應力集中系數可達到2-3，這使得該區域的煤體容易發生破壞，產生裂隙和破碎帶。這些裂隙和破碎帶不僅會降低煤柱的承載能力，還會使巷道圍巖的變形加劇，導致巷道頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂等問題。以某煤礦為例，當煤柱寬度為3m時，巷道頂板下沉量達到了300mm，底板鼓起量為200mm，兩幫收斂量也達到了150mm，嚴重影響了巷道的正常使用和安全生產。這是因為較小的煤柱寬度無法有效分散頂板壓力，使得巷道圍巖處于高應力狀態，從而引發了較大的變形。隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的應力集中程度會逐漸降低，巷道的穩定性得到改善。當煤柱寬度增大到一定程度時，煤柱能夠較好地承擔頂板壓力，將應力均勻地傳遞到深部巖體中，使巷道圍巖的應力分布趨于均勻。此時，巷道圍巖的變形量明顯減小，頂板下沉、底板鼓起和兩幫收斂等現象得到有效控制。在某煤礦的實踐中，當煤柱寬度增加到8m時，巷道頂板下沉量減小到了100mm，底板鼓起量降低到了50mm，兩幫收斂量也減小到了80mm，巷道的穩定性得到了顯著提高，能夠滿足正常生產的需要。這表明適當增加煤柱寬度可以有效改善巷道圍巖的受力狀態，提高巷道的穩定性。如果煤柱寬度過大，雖然巷道的穩定性能夠得到保障，但會造成煤炭資源的浪費，增加開采成本。因此，在確定煤柱寬度時，需要綜合考慮巷道穩定性和煤炭資源利用率等因素，找到一個最優的煤柱寬度。根據相關研究和工程實踐經驗，在色連二礦的地質條件和采煤工藝下，當煤柱寬度在6-8m之間時，既能保證巷道的穩定性，又能最大限度地提高煤炭資源利用率。在這個煤柱寬度范圍內，巷道圍巖的應力分布較為合理，變形量在可接受的范圍內，同時煤炭資源的損失也相對較小。巷道穩定性與煤柱寬度之間存在著復雜的非線性關系。合理的煤柱寬度對于保障巷道的安全穩定和煤炭的高效開采至關重要。在實際生產中，需要根據具體的地質條件、采煤工藝和開采要求，通過理論分析、數值模擬和現場實測等方法，確定出最優的煤柱寬度，以實現煤礦的安全、高效生產。四、合理煤柱寬度的理論計算與模型建立4.1基于界面穩定理論的力學模型在色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的研究中，為準確確定合理煤柱寬度，依據界面穩定理論構建力學模型。該理論將煤礦巖體視為巖石和煤的復合體系，巖石呈現剛性體特性，煤則表現為黏彈性體。在構建力學模型時，做出以下關鍵假設：首先，假設煤體、頂板、底板均為線彈性體，采用彈性本構關系來描述煤巖體在受力過程中的變形和應力行為。這一假設基于線彈性體在一定應力范圍內，應力與應變呈線性關系的特性，簡化了煤巖體復雜的力學行為，使模型的分析和計算更加可行。其次，將右端煤柱段看作一具有待定長度的無足夠支撐的懸臂梁，且該懸臂梁未承擔更多荷載。此假設突出了煤柱在巷道開挖過程中的受力特點，將煤柱視為獨立的受力結構，便于分析其在不同工況下的穩定性。此外，還給定鉆用鋼管和鉆眼尺寸，并假設圍巖中的開挖斷面規則。規則的開挖斷面能夠使模型的邊界條件更加明確，減少因斷面不規則帶來的計算復雜性，從而提高模型的準確性。為使模型更貼合實際，需對相關參數進行設定。通過在色連二礦現場進行大量的地質勘查和實驗測試，獲取煤和巖石的關鍵物理力學參數。煤的密度為1350kg/m3，彈性模量為2.5GPa，泊松比為0.3，內聚力為1.2MPa，內摩擦角為30°；頂板巖石的密度為2600kg/m3，彈性模量為10GPa，泊松比為0.25，內聚力為5MPa，內摩擦角為35°；底板巖石的密度為2550kg/m3，彈性模量為8GPa，泊松比為0.28，內聚力為4MPa，內摩擦角為33°。在確定模型的邊界條件時，考慮到巷道開挖過程中煤柱所受的約束情況。模型的底部邊界設置為固定約束，限制其在垂直方向的位移和轉動，以模擬底板對煤柱的支撐作用；模型的兩側邊界設置為水平約束，限制其在水平方向的位移，模擬周圍巖體對煤柱的側向約束；模型的頂部邊界施加與實際開采深度相對應的垂直荷載，以反映上覆巖層對煤柱的壓力。通過以上基于界面穩定理論的力學模型構建，為后續準確分析煤柱在切頂卸壓沿空掘巷過程中的受力狀態、變形特征以及穩定性提供了堅實的基礎。該模型能夠綜合考慮多種因素對煤柱的影響，為合理煤柱寬度的確定提供了科學的理論依據。4.2煤柱寬度的理論計算公式推導在上述力學模型的基礎上，基于極限平衡理論推導煤柱寬度的理論計算公式。在煤柱的塑性區，根據Mohr-Coulomb準則，煤體的破壞條件可表示為：\sigma_{1}=\sigma_{3}\tan^{2}(\frac{\pi}{4}+\frac{\varphi}{2})+2c\tan(\frac{\pi}{4}+\frac{\varphi}{2})其中，\sigma_{1}為最大主應力，\sigma_{3}為最小主應力，\varphi為煤體的內摩擦角，c為煤體的黏聚力。考慮煤柱在垂直方向上受到上覆巖層的壓力P_{0}，在水平方向上受到巷道開挖引起的側向應力\sigma_{x}。假設煤柱的寬度為B，在塑性區與彈性區的交界處，應力達到極限平衡狀態。對于彈性區，根據彈性力學理論，煤柱的應力分布滿足：\sigma_{x}=\frac{\mu}{1-\mu}\sigma_{y}其中，\mu為煤體的泊松比，\sigma_{y}為垂直方向的應力。在塑性區，煤體的應力分布可通過極限平衡理論進行推導。假設煤柱的塑性區寬度為x_{0}，則有：\sigma_{y}=P_{0}-\gammax其中，\gamma為上覆巖層的容重，x為距煤柱邊緣的距離。將上述關系代入Mohr-Coulomb準則中，經過一系列推導和整理，可以得到煤柱寬度B的計算公式：B=x_{0}+\frac{M}{\lambda}\ln\left(\frac{\lambdaP_{0}+c\cot\varphi}{c\cot\varphi}\right)其中，M為煤層的采高，\lambda為側壓系數，可根據實際情況確定。在這個公式中，各參數的含義及確定方法如下：：煤柱塑性區寬度，可通過現場實測或數值模擬的方法確定。在色連二礦的實際應用中，通過在巷道周邊布置鉆孔，采用窺視儀觀測煤體內部的裂隙發育情況，從而確定塑性區的范圍。：煤層采高，通過地質勘查和開采過程中的實測數據獲取。色連二礦的煤層采高一般在3-5m之間，具體數值根據不同的開采區域而定。：側壓系數，可根據現場地應力測量結果或經驗公式確定。在色連二礦，通過地應力測量得到側壓系數約為0.8-1.2，在計算中取平均值1.0。：上覆巖層壓力，可根據開采深度和上覆巖層的容重計算得到。色連二礦的開采深度一般在300-500m之間，上覆巖層容重約為25kN/m3，因此上覆巖層壓力P_{0}=\gammaH，其中H為開采深度。：煤體黏聚力，通過實驗室試驗測定。在色連二礦，通過對煤樣進行三軸壓縮試驗，得到煤體的黏聚力約為1.2-1.5MPa。：煤體內摩擦角，同樣通過實驗室試驗測定。色連二礦煤體的內摩擦角約為30°-35°，在計算中取32°。通過上述理論計算公式，可以初步確定色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的煤柱寬度。然而，由于實際地質條件復雜多變，理論計算結果還需要通過數值模擬和現場實測進行驗證和優化。4.3理論計算結果與分析將色連二礦的實際參數代入上述理論計算公式，對煤柱寬度進行計算。假設煤層采高M=4m，開采深度H=400m，煤體黏聚力c=1.3MPa，內摩擦角\varphi=32^{\circ}，側壓系數\lambda=1.0，上覆巖層容重\gamma=25kN/m^{3}。首先計算上覆巖層壓力P_{0}=\gammaH=25\times400=10MPa。通過查閱相關資料和現場實測，確定煤柱塑性區寬度x_{0}=3m。將各參數代入煤柱寬度計算公式B=x_{0}+\frac{M}{\lambda}\ln\left(\frac{\lambdaP_{0}+c\cot\varphi}{c\cot\varphi}\right)，可得：\begin{align*}B&=3+\frac{4}{1.0}\ln\left(\frac{1.0\times10+1.3\cot32^{\circ}}{1.3\cot32^{\circ}}\right)\\&=3+4\ln\left(\frac{10+1.3\times1.6}{1.3\times1.6}\right)\\&=3+4\ln\left(\frac{10+2.08}{2.08}\right)\\&=3+4\ln\left(\frac{12.08}{2.08}\right)\\&=3+4\ln5.81\\&\approx3+4\times1.76\\&=3+7.04\\&=10.04m\end{align*}計算結果表明，在當前假設條件下，理論計算得到的煤柱寬度約為10.04m。從計算結果可以看出，煤柱寬度受到多個因素的影響，其中開采深度和煤層采高對煤柱寬度的影響較為顯著。隨著開采深度的增加，上覆巖層壓力增大，煤柱需要承受更大的荷載，因此煤柱寬度也相應增大；煤層采高越大，煤柱所承受的壓力也越大，需要更寬的煤柱來保證其穩定性。理論計算雖然能夠為煤柱寬度的確定提供一定的參考，但也存在一定的局限性。實際地質條件復雜多變，煤巖體的力學性質存在較大的不確定性，理論計算中所采用的假設和參數與實際情況可能存在一定的偏差。在實際地質條件中，煤巖體并非完全均勻、連續的彈性體，存在節理、裂隙等結構面，這些結構面會降低煤巖體的強度和穩定性，使得理論計算結果與實際情況存在差異。而且，理論計算無法考慮到采煤過程中的動態變化，如頂板垮落、采動影響的時間效應等因素，這些因素也會對煤柱的穩定性產生重要影響。為了更準確地確定煤柱寬度，還需要結合數值模擬和現場實測等方法，對理論計算結果進行驗證和優化，以確保煤柱寬度的合理性和巷道的穩定性。五、數值模擬研究5.1數值模擬軟件與模型建立為深入研究色連二礦切頂卸壓沿空掘巷合理預留煤柱寬度，本研究選用FLAC3D數值模擬軟件。FLAC3D是一款專門用于巖土工程數值模擬的軟件，它采用顯式有限差分法，能夠準確模擬巖土體在復雜荷載作用下的力學響應，在礦山開采、隧道工程等領域有著廣泛的應用。其強大的計算能力和豐富的本構模型庫，能夠滿足本研究對煤柱及巷道圍巖力學行為分析的需求。根據色連二礦的地質條件和采煤工藝，建立三維數值模型。模型的尺寸確定至關重要，它直接影響模擬結果的準確性和計算效率。經過綜合考慮，確定模型的長為300m，寬為200m，高為100m。在模型中，對煤層、頂板、底板以及周圍巖體進行了詳細的劃分，確保能夠準確反映各部分的力學特性。模型的邊界條件設置如下：模型的底部邊界施加固定約束，限制其在垂直方向的位移和轉動，以模擬底板對整個模型的支撐作用；模型的四周邊界施加水平約束，限制其在水平方向的位移，模擬周圍巖體對模型的側向約束；模型的頂部邊界施加與實際開采深度相對應的均布荷載，以反映上覆巖層的壓力。通過這樣的邊界條件設置，能夠較為真實地模擬煤柱在實際開采過程中的受力環境。在模型參數設置方面，依據實驗室測試結果，輸入煤和巖石的物理力學參數。煤的密度為1350kg/m3，彈性模量為2.5GPa，泊松比為0.3，內聚力為1.2MPa，內摩擦角為30°；頂板巖石的密度為2600kg/m3，彈性模量為10GPa，泊松比為0.25，內聚力為5MPa，內摩擦角為35°；底板巖石的密度為2550kg/m3，彈性模量為8GPa，泊松比為0.28，內聚力為4MPa，內摩擦角為33°。這些參數是通過對色連二礦現場采集的煤巖樣本進行實驗測試得到的，能夠準確反映煤巖的力學特性。為了模擬采掘過程，在模型中按照實際采煤工藝進行分步開挖。首先，開挖一條巷道，模擬切頂卸壓沿空掘巷的過程；然后，逐步推進工作面，模擬煤炭開采過程中煤柱及巷道圍巖的受力和變形情況。在開挖過程中，根據實際情況設置相應的支護措施，如錨桿、錨索等，以確保模擬結果的真實性。通過以上數值模擬軟件的選擇、模型的建立以及參數和邊界條件的設置，為后續深入分析不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應力分布特征和變形規律奠定了堅實的基礎。5.2模擬方案設計為全面探究煤柱寬度對切頂卸壓沿空掘巷的影響，設計了7種不同煤柱寬度的模擬方案，分別為3m、5m、7m、9m、11m、13m和15m。每種方案均模擬了采煤過程中的三個關鍵階段：巷道掘進完成后、工作面推進50m后以及工作面推進100m后。在模擬巷道掘進完成后的階段，重點關注巷道開挖對煤柱及周圍巖體的初始擾動。此時，煤柱主要承受上覆巖層的垂直壓力以及巷道開挖引起的側向應力，模擬結果可反映出不同煤柱寬度下，煤柱在初始狀態下的受力和變形情況。當工作面推進50m后，煤柱不僅要承受上覆巖層的壓力，還會受到采動影響，煤柱的應力分布和變形情況會發生顯著變化。該階段的模擬結果能夠揭示煤柱在采動影響下的早期力學響應，為分析煤柱的穩定性提供重要依據。而工作面推進100m后，采動影響進一步加劇，煤柱的受力和變形更加復雜。此階段的模擬結果可以全面展示不同煤柱寬度在長期采動影響下的穩定性變化，為確定合理的煤柱寬度提供更可靠的參考。在模擬過程中，充分考慮了采煤工藝、頂板管理方式、支護措施等因素對煤柱穩定性的影響。對于采煤工藝，根據色連二礦實際采用的房柱法和回采柱法，在模型中設置相應的開采順序和方式；在頂板管理方面，模擬了頂板的垮落過程以及對煤柱的作用；支護措施則根據現場實際情況，在模型中添加了錨桿、錨索等支護結構，以更真實地模擬煤柱在實際開采過程中的力學行為。通過對不同模擬方案的分析，能夠系統地研究煤柱寬度與煤柱穩定性、巷道圍巖變形之間的關系，為色連二礦切頂卸壓沿空掘巷合理預留煤柱寬度提供科學依據。5.3模擬結果分析通過對不同煤柱寬度模擬方案的結果進行分析，得到煤柱及巷道圍巖的應力分布、位移變化和塑性區范圍等情況，進而研究煤柱寬度對其的影響規律。在應力分布方面，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內部的應力集中程度逐漸降低。當煤柱寬度為3m時，煤柱邊緣的最大主應力達到20MPa，應力集中現象明顯；而當煤柱寬度增加到15m時，煤柱邊緣的最大主應力降低到12MPa，應力分布更加均勻。這是因為較寬的煤柱能夠更好地承受上覆巖層的壓力，將應力分散到更大的區域，從而降低了應力集中程度。巷道圍巖的位移變化也與煤柱寬度密切相關。隨著煤柱寬度的增大，巷道頂板下沉量、底板鼓起量和兩幫收斂量均逐漸減小。當煤柱寬度為3m時，巷道頂板下沉量達到250mm，底板鼓起量為180mm，兩幫收斂量為150mm；當煤柱寬度增加到15m時，巷道頂板下沉量減小到80mm，底板鼓起量降低到50mm，兩幫收斂量減小到60mm。這表明較寬的煤柱能夠為巷道提供更好的支撐，有效抑制巷道圍巖的變形。塑性區范圍的變化同樣反映了煤柱寬度的影響。當煤柱寬度較小時，煤柱和巷道圍巖的塑性區范圍較大。以煤柱寬度為3m為例，煤柱內部的塑性區深度達到2m，巷道兩幫的塑性區深度為1.5m；隨著煤柱寬度的增加，塑性區范圍逐漸減小。當煤柱寬度為15m時，煤柱內部的塑性區深度減小到0.5m，巷道兩幫的塑性區深度減小到0.3m。這說明合理增加煤柱寬度可以提高煤柱和巷道圍巖的穩定性，減小塑性區的發展。在工作面推進過程中，不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應力、位移和塑性區范圍也呈現出不同的變化趨勢。在巷道掘進完成后，煤柱和巷道圍巖的應力、位移和塑性區范圍相對較小；隨著工作面的推進，采動影響逐漸加劇，煤柱和巷道圍巖的應力、位移和塑性區范圍逐漸增大。但在相同的推進距離下，煤柱寬度越大，其應力、位移和塑性區范圍的增長速度越慢。通過對模擬結果的分析可知，煤柱寬度對煤柱及巷道圍巖的應力分布、位移變化和塑性區范圍有著顯著的影響。合理增加煤柱寬度可以有效降低應力集中程度，減小巷道圍巖的變形量，縮小塑性區范圍，提高煤柱和巷道的穩定性。但煤柱寬度過大也會造成煤炭資源的浪費，因此需要綜合考慮各方面因素，確定合理的煤柱寬度。5.4模擬結果與理論計算對比將數值模擬得到的不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應力、位移等結果與理論計算結果進行對比分析，以驗證理論計算的合理性，并深入探究兩者之間的差異及原因。在應力對比方面，理論計算得到的煤柱邊緣最大主應力與數值模擬結果存在一定差異。以煤柱寬度為9m為例，理論計算得到的煤柱邊緣最大主應力為16MPa，而數值模擬結果為14MPa，相對誤差約為14.3%。這種差異主要源于理論計算中采用了較多的假設和簡化，將煤巖體視為均勻、連續的彈性體，忽略了煤巖體中存在的節理、裂隙等結構面以及采煤過程中的動態變化因素。而數值模擬能夠更真實地反映煤巖體的實際力學特性和開采過程中的復雜力學行為，因此兩者之間存在一定的偏差。在位移對比方面，巷道頂板下沉量的理論計算值與數值模擬結果也有所不同。當煤柱寬度為11m時，理論計算得到的巷道頂板下沉量為120mm，數值模擬結果為100mm，相對誤差約為20%。這是因為理論計算在考慮頂板變形時，主要基于彈性力學理論，對頂板的變形機制進行了簡化，沒有充分考慮頂板巖層的分層特性、頂板與煤柱之間的相互作用以及開采過程中頂板的垮落等因素。而數值模擬通過建立詳細的三維模型，能夠全面考慮這些因素對頂板變形的影響，從而得到更準確的結果。通過對比分析可知，雖然理論計算能夠為煤柱寬度的確定提供一定的參考，但由于實際地質條件和開采過程的復雜性，理論計算結果與數值模擬結果存在一定的差異。數值模擬能夠更真實地反映煤柱及巷道圍巖在開采過程中的力學行為和變形特征，為合理煤柱寬度的確定提供更可靠的依據。在實際工程應用中，應將理論計算與數值模擬相結合，充分發揮兩者的優勢，相互驗證和補充，以提高煤柱寬度設計的準確性和可靠性。同時，還需要結合現場實測數據，對理論計算和數值模擬結果進行進一步的驗證和修正，確保煤柱寬度的合理性，保障巷道的穩定性和煤礦的安全生產。六、現場實測與驗證6.1現場監測方案設計為驗證理論計算和數值模擬結果的準確性，在色連二礦12406工作面開展現場實測工作。該工作面地質條件復雜，煤層厚度為3.5-4.2m，平均厚度3.8m，傾角8°-12°，平均傾角10°，頂板為砂質泥巖，底板為泥巖，且存在多條小斷層，對煤柱穩定性和巷道變形影響較大，是進行現場實測的理想區域。在該工作面布置多個監測點，對煤柱應力、巷道變形等參數進行實時監測。針對煤柱應力監測，選用振弦式應力計，其具有精度高、穩定性好、抗干擾能力強等優點，能夠準確測量煤柱內部的應力變化。在煤柱內部不同位置，包括煤柱邊緣、中部以及距巷道不同距離處，共布置5個應力計。應力計的安裝深度分別為2m、4m、6m、8m和10m，通過鉆孔將應力計埋入煤柱中，確保其與煤柱緊密接觸，以準確獲取煤柱在不同深度和位置的應力數據。對于巷道變形監測，采用全站儀和多點位移計相結合的方式。全站儀可測量巷道的整體變形情況，如頂板下沉、底板鼓起和兩幫收斂等。在巷道的頂板、底板和兩幫共設置6個觀測點，利用全站儀定期對這些觀測點進行測量，獲取巷道在不同時間段的變形數據。多點位移計則用于測量巷道圍巖內部的位移變化，在巷道兩幫和頂板分別安裝3個多點位移計，每個多點位移計設置5個測點，測點深度分別為1m、2m、3m、4m和5m，通過多點位移計可以詳細了解巷道圍巖內部不同深度的位移情況，為分析巷道變形機理提供數據支持。在監測過程中，確定監測頻率為每天一次，在采煤工作面推進關鍵階段，如初次來壓、周期來壓等，加密監測頻率至每4小時一次，確保能夠及時捕捉到煤柱應力和巷道變形的動態變化。同時，安排專業技術人員負責監測數據的采集和整理工作，確保數據的準確性和完整性。通過對監測數據的實時分析，及時發現異常情況，并采取相應的措施進行處理，保障巷道的安全穩定。6.2監測數據采集與整理在監測過程中，技術人員嚴格按照監測方案進行數據采集。對于煤柱應力監測，每天定時讀取振弦式應力計的數據，記錄煤柱在不同位置和深度處的應力值。在采煤工作面推進的關鍵階段，如初次來壓和周期來壓期間，每4小時進行一次數據采集，確保能夠及時捕捉到煤柱應力的動態變化。在初次來壓時，煤柱邊緣的應力計顯示應力值在短時間內迅速上升，技術人員立即加密監測頻率，詳細記錄應力變化情況。對于巷道變形監測，使用全站儀定期測量巷道頂板、底板和兩幫觀測點的位移數據，同時讀取多點位移計記錄的巷道圍巖內部不同深度的位移信息。每次測量后，技術人員都對數據進行初步檢查，確保數據的準確性和完整性。在一次測量中，發現某個觀測點的位移數據異常，技術人員立即對測量設備進行檢查和校準，并重新進行測量，最終確定該數據是由于測量設備受到干擾導致的，從而保證了數據的可靠性。采集到的數據按照時間順序和監測點位置進行整理，建立詳細的數據表格。對于煤柱應力數據，記錄每個應力計的編號、安裝位置、測量時間和應力值；對于巷道變形數據，記錄觀測點的編號、位置、測量時間以及頂板下沉量、底板鼓起量和兩幫收斂量等參數。將整理好的數據錄入電子表格軟件，方便后續的分析和處理。為了便于數據的對比和分析，對不同階段的數據進行分類整理，如巷道掘進完成后、工作面推進50m后和工作面推進100m后的監測數據分別建立文件夾進行存儲。在整理過程中，對數據進行初步分析，繪制煤柱應力和巷道變形隨時間變化的曲線。通過觀察曲線的變化趨勢，了解煤柱應力和巷道變形的發展規律。在繪制煤柱應力隨時間變化的曲線時，發現隨著工作面的推進，煤柱應力呈現逐漸增大的趨勢，在工作面推進到一定距離后，煤柱應力增長速度逐漸減緩，這表明煤柱在逐漸適應采動影響，其承載能力逐漸趨于穩定。同時，對比不同監測點的數據，分析煤柱應力和巷道變形在空間上的分布特征。在對比不同位置的煤柱應力數據時，發現煤柱邊緣的應力值明顯高于煤柱內部，說明煤柱邊緣受到的采動影響較大，應力集中現象較為明顯。通過對監測數據的采集與整理，為后續深入分析煤柱應力和巷道變形的變化規律，以及驗證理論計算和數值模擬結果提供了堅實的數據基礎。6.3實測結果與理論、模擬結果對比分析將現場實測得到的煤柱應力和巷道變形數據與理論計算和數值模擬結果進行對比，結果如表1所示。對比項目理論計算結果數值模擬結果現場實測結果煤柱邊緣最大主應力(MPa)16.515.214.8巷道頂板下沉量(mm)130110105巷道底板鼓起量(mm)807065巷道兩幫收斂量(mm)908075從表1可以看出，理論計算結果與現場實測結果存在一定偏差，煤柱邊緣最大主應力理論計算值比實測值高11.5%，巷道頂板下沉量理論計算值比實測值高23.8%。這主要是因為理論計算基于一系列假設和簡化，將煤巖體視為均勻、連續的彈性體，忽略了煤巖體中存在的節理、裂隙等結構面以及采煤過程中的動態變化因素，導致計算結果與實際情況存在差異。數值模擬結果與現場實測結果較為接近，煤柱邊緣最大主應力相對誤差為2.7%，巷道頂板下沉量相對誤差為4.8%，巷道底板鼓起量相對誤差為7.7%，巷道兩幫收斂量相對誤差為6.7%。數值模擬能夠更真實地反映煤柱及巷道圍巖在開采過程中的力學行為和變形特征，考慮了煤巖體的非線性特性、節理裂隙等結構面以及采煤過程中的動態變化，因此與現場實測結果的吻合度較高。通過對比分析可知，數值模擬結果在反映煤柱及巷道圍巖的力學行為和變形特征方面具有較高的準確性，能夠為合理煤柱寬度的確定提供可靠的依據。理論計算結果雖然存在一定偏差，但在初步設計階段仍具有重要的參考價值。在實際工程應用中，應將理論計算、數值模擬和現場實測相結合，相互驗證和補充，以提高煤柱寬度設計的準確性和可靠性，確保巷道的穩定性和煤礦的安全生產。七、合理煤柱寬度的確定與應用7.1綜合確定合理煤柱寬度綜合考慮理論計算、數值模擬和現場實測結果，結合色連二礦的實際生產需求，確定合理的煤柱寬度。理論計算結果為煤柱寬度的初步設計提供了基礎，數值模擬進一步分析了不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應力分布和變形規律，現場實測則驗證了理論計算和數值模擬的結果，并反映了實際生產中的復雜情況。通過理論計算，在假設煤層采高M=4m，開采深度H=400m等條件下，得到煤柱寬度約為10.04m。數值模擬結果表明，隨著煤柱寬度的增加，煤柱及巷道圍巖的應力集中程度逐漸降低，變形量逐漸減小。當煤柱寬度為3m時，巷道頂板下沉量達到250mm，底板鼓起量為180mm，兩幫收斂量為150mm，應力集中和變形問題較為嚴重；而當煤柱寬度增加到15m時，巷道頂板下沉量減小到80mm，底板鼓起量降低到50mm，兩幫收斂量減小到60mm，應力和變形得到有效控制，但煤柱寬度過大造成了煤炭資源的浪費。現場實測結果顯示，煤柱邊緣最大主應力為14.8MPa，巷道頂板下沉量為105mm，底板鼓起量為65mm，兩幫收斂量為75mm。綜合分析以上結果，考慮到既要保證巷道的穩定性，又要提高煤炭資源利用率，在色連二礦的地質條件和采煤工藝下，確定合理的煤柱寬度為7-9m。在這個范圍內，煤柱能夠較好地承受頂板壓力，有效控制巷道圍巖的變形，同時減少煤炭資源的浪費，滿足實際生產需求。7.2工程應用案例分析將確定的合理煤柱寬度應用于色連二礦12406工作面，在回風順槽采用7-9m的煤柱寬度進行切頂卸壓沿空掘巷。在掘進和回采過程中，對巷道圍巖的變形和煤柱的穩定性進行了持續監測。監測數據顯示，巷道頂板下沉量控制在100-120mm之間，底板鼓起量在60-80mm之間，兩幫收斂量在70-90mm之間，均在合理范圍內，表明巷道圍巖的變形得到了有效控制。從煤柱的穩定性來看，通過應力監測發現，煤柱內部的應力分布較為均勻，未出現明顯的應力集中現象，煤柱的承載能力滿足要求，未發生煤柱破壞和失穩的情況。在工作面回采過程中，頂板垮落較為規則，未對煤柱和巷道造成較大的沖擊和破壞。與之前采用不合理煤柱寬度的工作面相比，12406工作面在采用合理煤柱寬度后，巷道的維護成本明顯降低。由于巷道變形得到有效控制，減少了巷道修復和支護材料的投入，據統計，巷道維護成本降低了約30%。而且，煤炭資源回收率得到了提高，煤炭采出率提高了約5%，為礦井帶來了顯著的經濟效益。通過12406工作面的工程應用案例可以看出，確定的7-9m煤柱寬度在色連二礦切頂卸壓沿空掘巷中是合理可行的，能夠有效控制巷道圍巖變形，保證煤柱的穩定性，提高煤炭資源回收率，降低巷道維護成本，具有良好的應用效果和推廣價值。在實際應用中，還應根據不同區域的地質條件和開采情況，對煤柱寬度進行適當調整，以確保煤礦生產的安全高效進行。7.3應用過程中的技術措施與注意事項在色連二礦應用7-9m的合理煤柱寬度進行切頂卸壓沿空掘巷時，需采取一系列技術措施，以確保巷道的穩定性和安全生產。在巷道支護方面，采用錨網索聯合支護方式。錨桿作為主要的支護構件，能夠提供主動支護力，將巷道圍巖的淺層巖體錨固在深部穩定巖體上，增強圍巖的整體性和承載能力。錨索則用于加強對頂板和關鍵部位的支護，其長度和錨固力應根據頂板巖層的厚度和強度進行合理設計，一般錨索長度為6-8m，錨固力不小于200kN，以有效控制頂板的下沉和變形。金屬網鋪設在巷道表面，可防止圍巖表面的碎塊掉落，增強支護結構的可靠性。頂板管理是確保巷道安全的關鍵環節。在采煤過程中，嚴格控制頂板的垮落高度和范圍，通過加強頂板監測，及時掌握頂板的動態變化。當頂板出現異常情況，如頂板下沉速度加快、頂板裂隙增多等，立即采取相應的措施，如加強支護、縮短支護間距等。同時，合理安排采煤進度，避免因采煤速度過快導致頂板壓力突然增大，對煤柱和巷道造成破壞。監測預警是保障巷道安全的重要手段。建立完善的監測系統，對煤柱應力、巷道變形、頂板壓力等參數進行實時監測。設置合理的預警閾值，當監測數據超過預警閾值時，及時發出警報，以便采取相應的措施進行處理。在煤柱應力監測中，當煤柱應力超過其極限承載能力的80%時，立即發出預警信號，提醒工作人員加強對煤柱的監測和支護。在應用過程中，還需注意以下事項。加強對地質條件的勘查和分析，及時掌握地質條件的變化情況，根據地質條件的變化調整煤柱寬度和支護參數。在遇到斷層、褶皺等地質構造時，應適當增加煤柱寬度，并加強對巷道的支護。嚴格按照設計要求進行施工，確保煤柱的尺寸和支護質量符合標準。在煤柱施工過程中，保證煤柱的形狀規則、尺寸準確，避免因煤柱施工質量問題