色連二礦切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化：理論模擬與實(shí)踐

色連二礦切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化：理論、模擬與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位，約為65%，且在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，這種主導(dǎo)地位仍將持續(xù)。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)因具備提高煤炭資源回采率、減少巷道掘進(jìn)量、降低生產(chǎn)成本等顯著優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外煤礦中得到了廣泛的應(yīng)用。色連二礦核定生產(chǎn)能力達(dá)800萬(wàn)噸/年，所開(kāi)采的煤炭主要用于發(fā)電，是區(qū)內(nèi)外“穩(wěn)產(chǎn)保供”的關(guān)鍵陣地。自開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，該礦已連續(xù)安全生產(chǎn)近9年，并先后榮獲煤炭工業(yè)“特級(jí)安全高效礦井”、國(guó)家級(jí)“綠色礦山”、東勝區(qū)“安全生產(chǎn)管理先進(jìn)企業(yè)”和“煤礦建設(shè)先進(jìn)單位”等多項(xiàng)榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)。2020年11月，色連二礦被確定為國(guó)家首批智能化示范建設(shè)煤礦，其智能化建設(shè)成效顯著，通過(guò)“在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、一鍵啟停、順序啟停”等功能，成功實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)化生產(chǎn)模式，極大地改善了作業(yè)環(huán)境。在色連二礦的開(kāi)采作業(yè)中，沿空掘巷是切頂卸壓采煤工藝的重要環(huán)節(jié)，對(duì)保障煤礦生產(chǎn)的安全高效起著關(guān)鍵作用。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，沿空掘巷會(huì)對(duì)煤柱產(chǎn)生不同程度的影響，若煤柱寬度預(yù)留不合理，極易引發(fā)煤礦生產(chǎn)事故，造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。煤柱寬度留設(shè)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)，降低煤炭采出率；煤柱寬度留設(shè)過(guò)小，則難以有效支撐巷道圍巖，導(dǎo)致巷道變形、破壞，增加支護(hù)難度和成本，甚至危及回采工作面的生產(chǎn)安全。合理確定切頂卸壓沿空掘巷的煤柱寬度，對(duì)于色連二礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益提升具有重要意義。從安全角度來(lái)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(fā)生概率，保障作業(yè)人員的生命安全和礦井的正常生產(chǎn)秩序。從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，優(yōu)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(chǔ)量，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限；同時(shí)，減少巷道掘進(jìn)量和支護(hù)成本，降低生產(chǎn)成本，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，開(kāi)展色連二礦切頂卸壓沿空掘巷合理預(yù)留煤柱寬度的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，不僅能夠?yàn)樯B二礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持，也能為類(lèi)似條件下的煤礦開(kāi)采提供有益的參考和借鑒。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)的研究對(duì)于提高煤炭資源利用率和保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義，其中煤柱寬度的合理確定是關(guān)鍵問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞此展開(kāi)了廣泛而深入的研究。國(guó)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(jià)值的成果。Cross等學(xué)者在加拿大Trafford礦山進(jìn)行切頂卸壓沿空掘巷開(kāi)采實(shí)踐時(shí)，運(yùn)用電子傾斜儀對(duì)礦山開(kāi)采過(guò)程中的變形情況展開(kāi)了詳細(xì)跟蹤。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)該開(kāi)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(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果提供了有力的實(shí)證。同時(shí)，在支架材料研發(fā)方面，Wang等學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究不同支架材料在切頂卸壓沿空掘巷中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，合理選擇和改變支架材料可以顯著減小地面應(yīng)力和表面破裂的范圍，并且對(duì)地下水防治也能起到積極作用，為切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)的優(yōu)化提供了新的思路和方向。國(guó)內(nèi)對(duì)切頂卸壓沿空掘巷煤柱寬度的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，近年來(lái)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(shè)計(jì)與應(yīng)用，明確闡述了該技術(shù)在提高煤炭資源回收率、減少巷道掘進(jìn)量等方面的重要性以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。劉曉斌等學(xué)者針對(duì)切頂卸壓沿空掘巷與板帶路工程的關(guān)系展開(kāi)研究，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，揭示了切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)能夠加速原有斷層的破倒，從而有效減小礦山開(kāi)采過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步豐富了切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)的理論體系。在煤柱寬度的具體確定方法上，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量的探索。部分學(xué)者采用理論計(jì)算的方法，基于極限平衡理論、彈性力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)出煤柱寬度的計(jì)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(qiáng)度等多種因素，為煤柱寬度的初步設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。然而，由于實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜多變，理論計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情況存在一定的偏差。為了更準(zhǔn)確地確定煤柱寬度，數(shù)值模擬方法得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們利用FLAC3D、UDEC等數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同煤柱寬度下的巷道圍巖應(yīng)力分布、變形情況進(jìn)行模擬分析。通過(guò)模擬，可以直觀(guān)地了解煤柱在不同開(kāi)采條件下的受力狀態(tài)和破壞形式，從而優(yōu)化煤柱寬度的設(shè)計(jì)。例如，有研究通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的變形量逐漸減小，但當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加煤柱寬度對(duì)減小巷道變形的效果并不明顯，反而會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也是確定煤柱寬度的重要方法之一。通過(guò)在礦井中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖的位移、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)煤柱寬度的合理性進(jìn)行評(píng)估，并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。一些礦井通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在特定的地質(zhì)條件下，采用較小的煤柱寬度也能夠保證巷道的穩(wěn)定，從而提高了煤炭資源的回收率。盡管?chē)?guó)內(nèi)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(xiàn)有研究主要集中在特定地質(zhì)條件下的煤柱寬度確定，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下的研究相對(duì)較少。實(shí)際煤礦開(kāi)采中，地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，如斷層、褶皺、巖漿巖侵入等地質(zhì)構(gòu)造的存在，會(huì)對(duì)煤柱的受力和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下準(zhǔn)確確定煤柱寬度，仍是亟待解決的問(wèn)題。另一方面，目前的研究大多側(cè)重于煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，而對(duì)煤柱寬度與礦井整體經(jīng)濟(jì)效益、安全生產(chǎn)的綜合關(guān)系研究不夠深入。在確定煤柱寬度時(shí)，不僅要考慮巷道的穩(wěn)定性，還需要綜合考慮煤炭資源回收率、開(kāi)采成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素，實(shí)現(xiàn)礦井的可持續(xù)發(fā)展。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將針對(duì)色連二礦的地質(zhì)條件和采煤工藝，深入探究切頂卸壓沿空掘巷合理預(yù)留煤柱寬度，具體研究?jī)?nèi)容如下：色連二礦地質(zhì)條件及采煤工藝分析：收集色連二礦的地質(zhì)資料，包括煤層賦存特征（如煤層厚度、傾角、頂?shù)装鍘r性等）、地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺、巖漿巖侵入等）以及水文地質(zhì)條件（地下水賦存狀態(tài)、水壓大小等）。詳細(xì)了解該礦現(xiàn)有的采煤工藝，包括采煤方法、開(kāi)采順序、支護(hù)方式等，分析地質(zhì)條件和采煤工藝對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響。煤柱穩(wěn)定性分析：運(yùn)用極限平衡理論，分析煤柱在采動(dòng)影響下的應(yīng)力分布、變形破壞過(guò)程及失穩(wěn)判據(jù)，確定煤柱穩(wěn)定性的影響因素，如煤柱寬度、煤體強(qiáng)度、頂板條件、采動(dòng)影響等。通過(guò)理論計(jì)算，推導(dǎo)煤柱寬度的計(jì)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(shù)值模擬研究：采用FLAC3D、UDEC等數(shù)值模擬軟件，建立色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的數(shù)值模型。設(shè)置合理的模型尺寸與邊界條件，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，輸入煤和巖石的密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)，模擬采掘過(guò)程。分析不同煤柱寬度下，煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布特征、變形規(guī)律，找出應(yīng)力集中區(qū)域和破壞區(qū)域，進(jìn)一步優(yōu)化煤柱寬度的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證：在色連二礦選取合適的試驗(yàn)區(qū)域，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖的位移、應(yīng)力、變形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證煤柱寬度的合理性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正和完善，提出切實(shí)可行的煤柱寬度優(yōu)化方案。技術(shù)措施與建議：根據(jù)研究結(jié)果，提出適用于色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的技術(shù)措施，包括合理規(guī)劃巷道布局、加強(qiáng)支護(hù)、注漿加固等，以提高煤柱的穩(wěn)定性和巷道的安全性。針對(duì)煤柱寬度預(yù)留過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出相應(yīng)的管理建議和安全措施，為色連二礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持和保障。1.3.2研究方法本研究將采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，確保研究結(jié)果的科學(xué)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(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)煤柱的受力狀態(tài)、變形破壞過(guò)程進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)煤柱寬度的計(jì)算公式。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合色連二礦的實(shí)際地質(zhì)條件和采煤工藝，對(duì)煤柱寬度進(jìn)行初步計(jì)算和分析，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬法：運(yùn)用FLAC3D、UDEC等數(shù)值模擬軟件，建立色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的三維數(shù)值模型。通過(guò)模擬不同煤柱寬度下巷道圍巖的應(yīng)力分布、變形情況，直觀(guān)地了解煤柱在開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)行為和破壞機(jī)制。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，確定合理的煤柱寬度范圍，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供參考依據(jù)。數(shù)值模擬方法能夠快速、準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜的地質(zhì)條件和開(kāi)采過(guò)程，彌補(bǔ)理論分析的不足，為研究提供更加全面和深入的信息?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法：在色連二礦的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，布置位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)巷道圍巖的位移、應(yīng)力、變形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。定期收集和整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的實(shí)際影響。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法能夠獲取真實(shí)的工程數(shù)據(jù)，驗(yàn)證研究成果的可行性和有效性，為煤礦生產(chǎn)提供直接的技術(shù)支持。二、色連二礦概況及切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)2.1色連二礦地質(zhì)條件色連二礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)罕臺(tái)鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬于淮河能源西部煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，礦區(qū)面積38.3231km2。其所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層受到強(qiáng)烈擠壓、褶皺和斷裂作用，這對(duì)煤層的賦存狀態(tài)和煤柱穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。從地層結(jié)構(gòu)來(lái)看，該區(qū)域地層發(fā)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(fù)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(qū)域傾角稍大，最大可達(dá)20°左右，整體上煤層產(chǎn)狀較為平緩，有利于煤炭的開(kāi)采。然而，由于受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，煤層在局部區(qū)域存在變薄、變厚以及分叉、尖滅等現(xiàn)象，增加了開(kāi)采的難度和不確定性。在煤層頂?shù)装宸矫?，頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板則以泥巖和砂巖為主。泥巖和砂質(zhì)泥巖具有較好的可塑性和粘結(jié)性，但強(qiáng)度較低，容易發(fā)生變形和垮落；粉砂巖和砂巖強(qiáng)度相對(duì)較高，但在受到采動(dòng)影響時(shí)，也可能出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展和破碎的情況。頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)煤柱的穩(wěn)定性和巷道支護(hù)具有重要影響，如頂板巖石的強(qiáng)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(wěn)定性。此外，色連二礦所在區(qū)域裂隙發(fā)育，主要包括構(gòu)造裂隙和原生裂隙。構(gòu)造裂隙是由于地層受到構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的，具有方向性和規(guī)律性，其發(fā)育程度和規(guī)模與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和方式密切相關(guān)。原生裂隙則是在煤層沉積過(guò)程中形成的，通常較為細(xì)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(xù)性，降低了其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使得煤柱在承受荷載時(shí)容易發(fā)生開(kāi)裂和破壞。同時(shí)，裂隙還為地下水的運(yùn)移提供了通道，增加了礦井水害的風(fēng)險(xiǎn)。該礦水文地質(zhì)條件復(fù)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?guī)r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(qū)域可能與下部含水層存在水力聯(lián)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(lái)源之一；奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層富水性強(qiáng)，水壓高，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。地下水的存在不僅會(huì)軟化煤巖體，降低其強(qiáng)度，還會(huì)增加巷道支護(hù)的難度和成本，同時(shí)可能引發(fā)突水事故，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。2.2采煤工藝特點(diǎn)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(diǎn)，適用于不同的地質(zhì)條件和開(kāi)采需求。房柱法是先在前方將煤層分成多個(gè)房道，再向后采動(dòng)煤體，每次只開(kāi)采煤柱的一部分，并對(duì)未采的煤柱做成墻板固定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能確保煤層不發(fā)生沖擊，同時(shí)減小了工作面的危險(xiǎn)度。在頂板穩(wěn)定性較好的區(qū)域，房柱法可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，通過(guò)合理布置房道和煤柱，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效開(kāi)采。其采出率相對(duì)較高，一般可達(dá)50%-70%，這是因?yàn)樵陂_(kāi)采過(guò)程中，部分煤柱被保留下來(lái)支撐頂板，減少了頂板垮落對(duì)煤炭資源的破壞。此外，房柱法的設(shè)備投資相對(duì)較小，開(kāi)采工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)底板和頂板的要求相對(duì)較低，適用于地質(zhì)條件比較復(fù)雜和工程量大的狀況。在遇到斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，回采柱法能夠靈活應(yīng)對(duì)，通過(guò)調(diào)整鉆眼的位置和角度，為頂板提供有效的支撐。該方法對(duì)頂板的適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)論是堅(jiān)硬頂板還是破碎頂板，都能通過(guò)合理布置鉆眼來(lái)保證開(kāi)采的安全進(jìn)行。而且，回采柱法的開(kāi)采效率較高，在工程量大的情況下，能夠快速推進(jìn)開(kāi)采進(jìn)度，提高煤炭產(chǎn)量。房柱法適用于頂板相對(duì)穩(wěn)定、煤層厚度適中、地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，如色連二礦的部分煤層賦存條件較好、無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造影響的區(qū)域；回采柱法更適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、頂板穩(wěn)定性較差、煤層厚度變化較大的區(qū)域，如色連二礦存在斷層、裂隙發(fā)育的區(qū)域。在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，色連二礦會(huì)根據(jù)不同區(qū)域的地質(zhì)條件和開(kāi)采要求，靈活選擇采煤工藝，以確保采煤作業(yè)的安全高效進(jìn)行。2.3切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)原理與應(yīng)用切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)是一種新型的煤礦開(kāi)采技術(shù)，其原理基于礦山壓力控制理論，通過(guò)對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂卸壓，改變頂板的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，頂板巖層會(huì)承受巨大的壓力，當(dāng)壓力超過(guò)巖層的承載能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生變形、垮落等現(xiàn)象，威脅巷道的安全。切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)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(xù)性，使頂板巖層在采動(dòng)影響下能夠按照預(yù)定的方式垮落，從而釋放頂板壓力，降低巷道圍巖的應(yīng)力集中程度。該技術(shù)的實(shí)施步驟主要包括以下幾個(gè)方面：首先，根據(jù)巷道的地質(zhì)條件和開(kāi)采要求，確定切頂卸壓的參數(shù)，如切縫位置、切縫深度、切縫間距等。這些參數(shù)的確定需要綜合考慮頂板巖層的厚度、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及采動(dòng)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(shí)施切縫作業(yè)。聚能爆破是利用聚能裝置將炸藥的能量集中在一個(gè)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(guò)向頂板巖層中注入高壓水，使巖層產(chǎn)生裂縫，達(dá)到切頂卸壓的目的。最后，在切頂卸壓后，及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，以保證巷道的穩(wěn)定性。支護(hù)方式可以根據(jù)巷道的具體情況選擇錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)、支架支護(hù)等，同時(shí)還可以采用注漿加固等措施，提高巷道圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在色連二礦的實(shí)際應(yīng)用中，切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)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(shù)，在回風(fēng)順槽的頂板上布置了切縫孔，通過(guò)聚能爆破進(jìn)行切頂卸壓。在實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)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(guò)程中，通過(guò)對(duì)巷道圍巖的位移、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)切頂卸壓后，巷道圍巖的變形量明顯減小，應(yīng)力集中程度得到有效緩解，巷道的穩(wěn)定性得到了顯著提高。與傳統(tǒng)的沿空掘巷技術(shù)相比，切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠有效降低巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，減少巷道變形和破壞，提高巷道的穩(wěn)定性和安全性。切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)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(fèi)。而且，該技術(shù)還可以降低巷道的支護(hù)成本，提高開(kāi)采效率，為煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)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(zhì)條件對(duì)煤柱寬度的影響地質(zhì)條件是確定煤柱寬度的關(guān)鍵因素，其復(fù)雜性和多樣性對(duì)煤柱的穩(wěn)定性和承載能力產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。色連二礦的地質(zhì)條件復(fù)雜，包括地層巖性、煤層厚度、傾角、地質(zhì)構(gòu)造等多個(gè)方面，這些因素相互交織，共同作用于煤柱，使其在開(kāi)采過(guò)程中面臨著諸多挑戰(zhàn)。地層巖性是地質(zhì)條件的重要組成部分，它直接關(guān)系到煤柱的承載能力和穩(wěn)定性。色連二礦的煤層頂?shù)装逯饕赡鄮r、砂質(zhì)泥巖和砂巖等巖石組成。泥巖具有較好的可塑性和粘結(jié)性，但強(qiáng)度較低，在受到采動(dòng)影響時(shí)容易發(fā)生變形和垮落；砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度相對(duì)較高，但在長(zhǎng)期的開(kāi)采過(guò)程中，也可能會(huì)出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展和破碎的情況；砂巖的強(qiáng)度較高，但其脆性也較大，在受到較大的壓力時(shí)，容易發(fā)生破裂。這些不同巖性的巖石組合在一起，形成了復(fù)雜的頂板結(jié)構(gòu)，增加了煤柱的承載難度。在實(shí)際開(kāi)采中，當(dāng)頂板為泥巖時(shí)，煤柱需要承受更大的壓力，因?yàn)槟鄮r的強(qiáng)度較低，容易變形，會(huì)將更多的壓力傳遞給煤柱。如果煤柱寬度過(guò)小，就無(wú)法有效地支撐頂板，導(dǎo)致頂板垮落，影響巷道的穩(wěn)定性和安全性。相反，當(dāng)頂板為砂巖時(shí)，雖然砂巖的強(qiáng)度較高，但由于其脆性大，在受到采動(dòng)影響時(shí)，容易產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。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(wěn)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?yàn)殡S著煤層厚度的增加，上覆巖層的重量也相應(yīng)增加，煤柱需要承擔(dān)更大的荷載。以色連二礦為例，當(dāng)煤層厚度從3m增加到5m時(shí)，煤柱所承受的壓力增加了約30%，為了保證煤柱的穩(wěn)定性，煤柱寬度需要相應(yīng)增加20%-30%。煤層傾角對(duì)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(cè)向壓力也越大。當(dāng)煤層傾角為15°時(shí)，煤柱所承受的側(cè)向壓力相對(duì)較?。欢?dāng)傾角增大到30°時(shí)，煤柱所承受的側(cè)向壓力會(huì)增加約50%。為了抵抗這種側(cè)向壓力，煤柱寬度需要適當(dāng)增加，以防止煤柱發(fā)生滑移和破壞。地質(zhì)構(gòu)造如斷層、褶皺等對(duì)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(qiáng)度降低，地應(yīng)力分布也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)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(fā)頂板垮落和巷道變形。色連二礦的部分區(qū)域存在斷層，在這些區(qū)域，煤柱寬度需要比正常區(qū)域增加30%-50%，以確保煤柱的穩(wěn)定性。褶皺構(gòu)造會(huì)使煤層的形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)過(guò)程中遇到不同的地質(zhì)條件。在褶皺區(qū)域，煤柱所承受的壓力分布不均勻，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了應(yīng)對(duì)這種情況，需要根據(jù)褶皺的具體情況，合理調(diào)整煤柱寬度，以保證煤柱的承載能力和巷道的穩(wěn)定性。在褶皺的軸部，煤柱所承受的壓力較大，需要適當(dāng)增加煤柱寬度；而在褶皺的翼部，煤柱所承受的壓力相對(duì)較小，可以適當(dāng)減小煤柱寬度。3.2采煤工藝對(duì)煤柱寬度的影響采煤工藝作為煤炭開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)煤柱寬度的確定起著至關(guān)重要的作用。不同的采煤工藝在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布和頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而對(duì)煤柱的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性產(chǎn)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(dú)特的特點(diǎn)，在不同階段對(duì)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(tài)較為復(fù)雜。在開(kāi)采初期，當(dāng)煤房掘進(jìn)完成后，煤柱主要承受上覆巖層的垂直壓力以及來(lái)自相鄰煤房開(kāi)挖引起的側(cè)向壓力。此時(shí)，煤柱的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，在煤柱的邊緣部分，由于受到開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯；而在煤柱的內(nèi)部，應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤柱所承受的壓力逐漸增大，尤其是在頂板垮落過(guò)程中，煤柱需要承受頂板垮落傳遞的沖擊載荷，這對(duì)煤柱的穩(wěn)定性提出了更高的要求。若煤柱寬度過(guò)小，在頂板垮落的沖擊作用下，煤柱可能會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致頂板垮落范圍擴(kuò)大，影響巷道的穩(wěn)定性和安全性。以某采用房柱法采煤的煤礦為例，在開(kāi)采初期，煤柱寬度設(shè)計(jì)為8m，隨著開(kāi)采的推進(jìn)，頂板垮落時(shí)煤柱發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，巷道出現(xiàn)了較大的變形。通過(guò)對(duì)煤柱受力的分析發(fā)現(xiàn)，由于煤柱寬度不足，無(wú)法有效承受頂板垮落的沖擊載荷，導(dǎo)致煤柱內(nèi)部產(chǎn)生了大量的裂隙，最終失去了承載能力。經(jīng)過(guò)調(diào)整，將煤柱寬度增加到12m后，在后續(xù)的開(kāi)采過(guò)程中，煤柱的穩(wěn)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(duì)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(duì)底板和頂板的要求相對(duì)較低，適用于地質(zhì)條件比較復(fù)雜的狀況。在回采柱法中，煤柱主要承受來(lái)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(huì)影響煤柱的受力分布，因此合理設(shè)計(jì)鉆眼參數(shù)對(duì)于保證煤柱的穩(wěn)定性至關(guān)重要。在鉆眼間距過(guò)大的情況下，煤柱在鉆眼之間的區(qū)域會(huì)承受較大的壓力，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致煤柱局部破壞；而鉆眼間距過(guò)小，則會(huì)增加施工成本和難度。某煤礦在采用回采柱法采煤時(shí)，最初設(shè)計(jì)的鉆眼間距為1.5m，在開(kāi)采過(guò)程中發(fā)現(xiàn)煤柱在鉆眼之間的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的裂縫，煤柱的穩(wěn)定性受到了威脅。經(jīng)過(guò)分析，將鉆眼間距調(diào)整為1.2m后，煤柱的受力分布得到了改善，裂縫的發(fā)展得到了抑制，煤柱的穩(wěn)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(duì)煤柱的受力和穩(wěn)定性產(chǎn)生著不同的影響。在確定煤柱寬度時(shí)，需要充分考慮采煤工藝的特點(diǎn)和要求，結(jié)合具體的地質(zhì)條件和開(kāi)采情況，進(jìn)行綜合分析和計(jì)算，以確保煤柱能夠在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中保持穩(wěn)定，為巷道的安全和煤炭的高效開(kāi)采提供保障。3.3巷道穩(wěn)定性與煤柱寬度的關(guān)系巷道穩(wěn)定性與煤柱寬度之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，煤柱寬度的大小直接影響著巷道圍巖的應(yīng)力分布、變形情況以及穩(wěn)定性。在色連二礦的切頂卸壓沿空掘巷過(guò)程中，深入研究這種關(guān)系對(duì)于保障巷道的安全穩(wěn)定和煤炭的高效開(kāi)采具有重要意義。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在采動(dòng)影響下，煤柱所承受的壓力會(huì)迅速增大，導(dǎo)致煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻。在煤柱與巷道的交界處，應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到2-3，這使得該區(qū)域的煤體容易發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙和破碎帶。這些裂隙和破碎帶不僅會(huì)降低煤柱的承載能力，還會(huì)使巷道圍巖的變形加劇，導(dǎo)致巷道頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂等問(wèn)題。以某煤礦為例，當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道頂板下沉量達(dá)到了300mm，底板鼓起量為200mm，兩幫收斂量也達(dá)到了150mm，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和安全生產(chǎn)。這是因?yàn)檩^小的煤柱寬度無(wú)法有效分散頂板壓力，使得巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，從而引發(fā)了較大的變形。隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的應(yīng)力集中程度會(huì)逐漸降低，巷道的穩(wěn)定性得到改善。當(dāng)煤柱寬度增大到一定程度時(shí)，煤柱能夠較好地承擔(dān)頂板壓力，將應(yīng)力均勻地傳遞到深部巖體中，使巷道圍巖的應(yīng)力分布趨于均勻。此時(shí)，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(xiàn)象得到有效控制。在某煤礦的實(shí)踐中，當(dāng)煤柱寬度增加到8m時(shí)，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(wěn)定性得到了顯著提高，能夠滿(mǎn)足正常生產(chǎn)的需要。這表明適當(dāng)增加煤柱寬度可以有效改善巷道圍巖的受力狀態(tài)，提高巷道的穩(wěn)定性。如果煤柱寬度過(guò)大，雖然巷道的穩(wěn)定性能夠得到保障，但會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，增加開(kāi)采成本。因此，在確定煤柱寬度時(shí)，需要綜合考慮巷道穩(wěn)定性和煤炭資源利用率等因素，找到一個(gè)最優(yōu)的煤柱寬度。根據(jù)相關(guān)研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在色連二礦的地質(zhì)條件和采煤工藝下，當(dāng)煤柱寬度在6-8m之間時(shí)，既能保證巷道的穩(wěn)定性，又能最大限度地提高煤炭資源利用率。在這個(gè)煤柱寬度范圍內(nèi)，巷道圍巖的應(yīng)力分布較為合理，變形量在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)煤炭資源的損失也相對(duì)較小。巷道穩(wěn)定性與煤柱寬度之間存在著復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。合理的煤柱寬度對(duì)于保障巷道的安全穩(wěn)定和煤炭的高效開(kāi)采至關(guān)重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件、采煤工藝和開(kāi)采要求，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，確定出最優(yōu)的煤柱寬度，以實(shí)現(xiàn)煤礦的安全、高效生產(chǎn)。四、合理煤柱寬度的理論計(jì)算與模型建立4.1基于界面穩(wěn)定理論的力學(xué)模型在色連二礦切頂卸壓沿空掘巷的研究中，為準(zhǔn)確確定合理煤柱寬度，依據(jù)界面穩(wěn)定理論構(gòu)建力學(xué)模型。該理論將煤礦巖體視為巖石和煤的復(fù)合體系，巖石呈現(xiàn)剛性體特性，煤則表現(xiàn)為黏彈性體。在構(gòu)建力學(xué)模型時(shí)，做出以下關(guān)鍵假設(shè)：首先，假設(shè)煤體、頂板、底板均為線(xiàn)彈性體，采用彈性本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述煤巖體在受力過(guò)程中的變形和應(yīng)力行為。這一假設(shè)基于線(xiàn)彈性體在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系的特性，簡(jiǎn)化了煤巖體復(fù)雜的力學(xué)行為，使模型的分析和計(jì)算更加可行。其次，將右端煤柱段看作一具有待定長(zhǎng)度的無(wú)足夠支撐的懸臂梁，且該懸臂梁未承擔(dān)更多荷載。此假設(shè)突出了煤柱在巷道開(kāi)挖過(guò)程中的受力特點(diǎn)，將煤柱視為獨(dú)立的受力結(jié)構(gòu)，便于分析其在不同工況下的穩(wěn)定性。此外，還給定鉆用鋼管和鉆眼尺寸，并假設(shè)圍巖中的開(kāi)挖斷面規(guī)則。規(guī)則的開(kāi)挖斷面能夠使模型的邊界條件更加明確，減少因斷面不規(guī)則帶來(lái)的計(jì)算復(fù)雜性，從而提高模型的準(zhǔn)確性。為使模型更貼合實(shí)際，需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)在色連二礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的地質(zhì)勘查和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取煤和巖石的關(guān)鍵物理力學(xué)參數(shù)。煤的密度為1350kg/m3，彈性模量為2.5GPa，泊松比為0.3，內(nèi)聚力為1.2MPa，內(nèi)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(nèi)聚力為5MPa，內(nèi)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(nèi)聚力為4MPa，內(nèi)摩擦角為33°。在確定模型的邊界條件時(shí)，考慮到巷道開(kāi)挖過(guò)程中煤柱所受的約束情況。模型的底部邊界設(shè)置為固定約束，限制其在垂直方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，以模擬底板對(duì)煤柱的支撐作用；模型的兩側(cè)邊界設(shè)置為水平約束，限制其在水平方向的位移，模擬周?chē)鷰r體對(duì)煤柱的側(cè)向約束；模型的頂部邊界施加與實(shí)際開(kāi)采深度相對(duì)應(yīng)的垂直荷載，以反映上覆巖層對(duì)煤柱的壓力。通過(guò)以上基于界面穩(wěn)定理論的力學(xué)模型構(gòu)建，為后續(xù)準(zhǔn)確分析煤柱在切頂卸壓沿空掘巷過(guò)程中的受力狀態(tài)、變形特征以及穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該模型能夠綜合考慮多種因素對(duì)煤柱的影響，為合理煤柱寬度的確定提供了科學(xué)的理論依據(jù)。4.2煤柱寬度的理論計(jì)算公式推導(dǎo)在上述力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于極限平衡理論推導(dǎo)煤柱寬度的理論計(jì)算公式。在煤柱的塑性區(qū)，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)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(yīng)力，\sigma_{3}為最小主應(yīng)力，\varphi為煤體的內(nèi)摩擦角，c為煤體的黏聚力?？紤]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(kāi)挖引起的側(cè)向應(yīng)力\sigma_{x}。假設(shè)煤柱的寬度為B，在塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界處，應(yīng)力達(dá)到極限平衡狀態(tài)。對(duì)于彈性區(qū)，根據(jù)彈性力學(xué)理論，煤柱的應(yīng)力分布滿(mǎn)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(yīng)力。在塑性區(qū)，煤體的應(yīng)力分布可通過(guò)極限平衡理論進(jìn)行推導(dǎo)。假設(shè)煤柱的塑性區(qū)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(guān)系代入Mohr-Coulomb準(zhǔn)則中，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)和整理，可以得到煤柱寬度B的計(jì)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(cè)壓系數(shù)，可根據(jù)實(shí)際情況確定。在這個(gè)公式中，各參數(shù)的含義及確定方法如下：：煤柱塑性區(qū)寬度，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或數(shù)值模擬的方法確定。在色連二礦的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在巷道周邊布置鉆孔，采用窺視儀觀(guān)測(cè)煤體內(nèi)部的裂隙發(fā)育情況，從而確定塑性區(qū)的范圍。：煤層采高，通過(guò)地質(zhì)勘查和開(kāi)采過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取。色連二礦的煤層采高一般在3-5m之間，具體數(shù)值根據(jù)不同的開(kāi)采區(qū)域而定。：側(cè)壓系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)公式確定。在色連二礦，通過(guò)地應(yīng)力測(cè)量得到側(cè)壓系數(shù)約為0.8-1.2，在計(jì)算中取平均值1.0。：上覆巖層壓力，可根據(jù)開(kāi)采深度和上覆巖層的容重計(jì)算得到。色連二礦的開(kāi)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(kāi)采深度。：煤體黏聚力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)定。在色連二礦，通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，得到煤體的黏聚力約為1.2-1.5MPa。：煤體內(nèi)摩擦角，同樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)定。色連二礦煤體的內(nèi)摩擦角約為30°-35°，在計(jì)算中取32°。通過(guò)上述理論計(jì)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(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜多變，理論計(jì)算結(jié)果還需要通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。4.3理論計(jì)算結(jié)果與分析將色連二礦的實(shí)際參數(shù)代入上述理論計(jì)算公式，對(duì)煤柱寬度進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)煤層采高M(jìn)=4m，開(kāi)采深度H=400m，煤體黏聚力c=1.3MPa，內(nèi)摩擦角\varphi=32^{\circ}，側(cè)壓系數(shù)\lambda=1.0，上覆巖層容重\gamma=25kN/m^{3}。首先計(jì)算上覆巖層壓力P_{0}=\gammaH=25\times400=10MPa。通過(guò)查閱相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定煤柱塑性區(qū)寬度x_{0}=3m。將各參數(shù)代入煤柱寬度計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，在當(dāng)前假設(shè)條件下，理論計(jì)算得到的煤柱寬度約為10.04m。從計(jì)算結(jié)果可以看出，煤柱寬度受到多個(gè)因素的影響，其中開(kāi)采深度和煤層采高對(duì)煤柱寬度的影響較為顯著。隨著開(kāi)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(yīng)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(lái)保證其穩(wěn)定性。理論計(jì)算雖然能夠?yàn)槊褐鶎挾鹊拇_定提供一定的參考，但也存在一定的局限性。實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜多變，煤巖體的力學(xué)性質(zhì)存在較大的不確定性，理論計(jì)算中所采用的假設(shè)和參數(shù)與實(shí)際情況可能存在一定的偏差。在實(shí)際地質(zhì)條件中，煤巖體并非完全均勻、連續(xù)的彈性體，存在節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面會(huì)降低煤巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使得理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差異。而且，理論計(jì)算無(wú)法考慮到采煤過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，如頂板垮落、采動(dòng)影響的時(shí)間效應(yīng)等因素，這些因素也會(huì)對(duì)煤柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。為了更準(zhǔn)確地確定煤柱寬度，還需要結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，以確保煤柱寬度的合理性和巷道的穩(wěn)定性。五、數(shù)值模擬研究5.1數(shù)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(yù)留煤柱寬度，本研究選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件。FLAC3D是一款專(zhuān)門(mén)用于巖土工程數(shù)值模擬的軟件，它采用顯式有限差分法，能夠準(zhǔn)確模擬巖土體在復(fù)雜荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，在礦山開(kāi)采、隧道工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的本構(gòu)模型庫(kù)，能夠滿(mǎn)足本研究對(duì)煤柱及巷道圍巖力學(xué)行為分析的需求。根據(jù)色連二礦的地質(zhì)條件和采煤工藝，建立三維數(shù)值模型。模型的尺寸確定至關(guān)重要，它直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。經(jīng)過(guò)綜合考慮，確定模型的長(zhǎng)為300m，寬為200m，高為100m。在模型中，對(duì)煤層、頂板、底板以及周?chē)鷰r體進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，確保能夠準(zhǔn)確反映各部分的力學(xué)特性。模型的邊界條件設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)，以模擬底板對(duì)整個(gè)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?chē)鷰r體對(duì)模型的側(cè)向約束；模型的頂部邊界施加與實(shí)際開(kāi)采深度相對(duì)應(yīng)的均布荷載，以反映上覆巖層的壓力。通過(guò)這樣的邊界條件設(shè)置，能夠較為真實(shí)地模擬煤柱在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中的受力環(huán)境。在模型參數(shù)設(shè)置方面，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，輸入煤和巖石的物理力學(xué)參數(shù)。煤的密度為1350kg/m3，彈性模量為2.5GPa，泊松比為0.3，內(nèi)聚力為1.2MPa，內(nèi)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(nèi)聚力為5MPa，內(nèi)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(nèi)聚力為4MPa，內(nèi)摩擦角為33°。這些參數(shù)是通過(guò)對(duì)色連二礦現(xiàn)場(chǎng)采集的煤巖樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的，能夠準(zhǔn)確反映煤巖的力學(xué)特性。為了模擬采掘過(guò)程，在模型中按照實(shí)際采煤工藝進(jìn)行分步開(kāi)挖。首先，開(kāi)挖一條巷道，模擬切頂卸壓沿空掘巷的過(guò)程；然后，逐步推進(jìn)工作面，模擬煤炭開(kāi)采過(guò)程中煤柱及巷道圍巖的受力和變形情況。在開(kāi)挖過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的支護(hù)措施，如錨桿、錨索等，以確保模擬結(jié)果的真實(shí)性。通過(guò)以上數(shù)值模擬軟件的選擇、模型的建立以及參數(shù)和邊界條件的設(shè)置，為后續(xù)深入分析不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布特征和變形規(guī)律奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.2模擬方案設(shè)計(jì)為全面探究煤柱寬度對(duì)切頂卸壓沿空掘巷的影響，設(shè)計(jì)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(guò)程中的三個(gè)關(guān)鍵階段：巷道掘進(jìn)完成后、工作面推進(jìn)50m后以及工作面推進(jìn)100m后。在模擬巷道掘進(jìn)完成后的階段，重點(diǎn)關(guān)注巷道開(kāi)挖對(duì)煤柱及周?chē)鷰r體的初始擾動(dòng)。此時(shí)，煤柱主要承受上覆巖層的垂直壓力以及巷道開(kāi)挖引起的側(cè)向應(yīng)力，模擬結(jié)果可反映出不同煤柱寬度下，煤柱在初始狀態(tài)下的受力和變形情況。當(dāng)工作面推進(jìn)50m后，煤柱不僅要承受上覆巖層的壓力，還會(huì)受到采動(dòng)影響，煤柱的應(yīng)力分布和變形情況會(huì)發(fā)生顯著變化。該階段的模擬結(jié)果能夠揭示煤柱在采動(dòng)影響下的早期力學(xué)響應(yīng)，為分析煤柱的穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。而工作面推進(jìn)100m后，采動(dòng)影響進(jìn)一步加劇，煤柱的受力和變形更加復(fù)雜。此階段的模擬結(jié)果可以全面展示不同煤柱寬度在長(zhǎng)期采動(dòng)影響下的穩(wěn)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(guò)程中，充分考慮了采煤工藝、頂板管理方式、支護(hù)措施等因素對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響。對(duì)于采煤工藝，根據(jù)色連二礦實(shí)際采用的房柱法和回采柱法，在模型中設(shè)置相應(yīng)的開(kāi)采順序和方式；在頂板管理方面，模擬了頂板的垮落過(guò)程以及對(duì)煤柱的作用；支護(hù)措施則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在模型中添加了錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)，以更真實(shí)地模擬煤柱在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)行為。通過(guò)對(duì)不同模擬方案的分析，能夠系統(tǒng)地研究煤柱寬度與煤柱穩(wěn)定性、巷道圍巖變形之間的關(guān)系，為色連二礦切頂卸壓沿空掘巷合理預(yù)留煤柱寬度提供科學(xué)依據(jù)。5.3模擬結(jié)果分析通過(guò)對(duì)不同煤柱寬度模擬方案的結(jié)果進(jìn)行分析，得到煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布、位移變化和塑性區(qū)范圍等情況，進(jìn)而研究煤柱寬度對(duì)其的影響規(guī)律。在應(yīng)力分布方面，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中程度逐漸降低。當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，煤柱邊緣的最大主應(yīng)力達(dá)到20MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯；而當(dāng)煤柱寬度增加到15m時(shí)，煤柱邊緣的最大主應(yīng)力降低到12MPa，應(yīng)力分布更加均勻。這是因?yàn)檩^寬的煤柱能夠更好地承受上覆巖層的壓力，將應(yīng)力分散到更大的區(qū)域，從而降低了應(yīng)力集中程度。巷道圍巖的位移變化也與煤柱寬度密切相關(guān)。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(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道頂板下沉量達(dá)到250mm，底板鼓起量為180mm，兩幫收斂量為150mm；當(dāng)煤柱寬度增加到15m時(shí)，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?yàn)橄锏捞峁└玫闹危行б种葡锏绹鷰r的變形。塑性區(qū)范圍的變化同樣反映了煤柱寬度的影響。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱和巷道圍巖的塑性區(qū)范圍較大。以煤柱寬度為3m為例，煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)深度達(dá)到2m，巷道兩幫的塑性區(qū)深度為1.5m；隨著煤柱寬度的增加，塑性區(qū)范圍逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度為15m時(shí)，煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)深度減小到0.5m，巷道兩幫的塑性區(qū)深度減小到0.3m。這說(shuō)明合理增加煤柱寬度可以提高煤柱和巷道圍巖的穩(wěn)定性，減小塑性區(qū)的發(fā)展。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)范圍也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在巷道掘進(jìn)完成后，煤柱和巷道圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)范圍相對(duì)較小；隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)影響逐漸加劇，煤柱和巷道圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)范圍逐漸增大。但在相同的推進(jìn)距離下，煤柱寬度越大，其應(yīng)力、位移和塑性區(qū)范圍的增長(zhǎng)速度越慢。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，煤柱寬度對(duì)煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布、位移變化和塑性區(qū)范圍有著顯著的影響。合理增加煤柱寬度可以有效降低應(yīng)力集中程度，減小巷道圍巖的變形量，縮小塑性區(qū)范圍，提高煤柱和巷道的穩(wěn)定性。但煤柱寬度過(guò)大也會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，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(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比將數(shù)值模擬得到的不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力、位移等結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證理論計(jì)算的合理性，并深入探究?jī)烧咧g的差異及原因。在應(yīng)力對(duì)比方面，理論計(jì)算得到的煤柱邊緣最大主應(yīng)力與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異。以煤柱寬度為9m為例，理論計(jì)算得到的煤柱邊緣最大主應(yīng)力為16MPa，而數(shù)值模擬結(jié)果為14MPa，相對(duì)誤差約為14.3%。這種差異主要源于理論計(jì)算中采用了較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，將煤巖體視為均勻、連續(xù)的彈性體，忽略了煤巖體中存在的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面以及采煤過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化因素。而數(shù)值模擬能夠更真實(shí)地反映煤巖體的實(shí)際力學(xué)特性和開(kāi)采過(guò)程中的復(fù)雜力學(xué)行為，因此兩者之間存在一定的偏差。在位移對(duì)比方面，巷道頂板下沉量的理論計(jì)算值與數(shù)值模擬結(jié)果也有所不同。當(dāng)煤柱寬度為11m時(shí)，理論計(jì)算得到的巷道頂板下沉量為120mm，數(shù)值模擬結(jié)果為100mm，相對(duì)誤差約為20%。這是因?yàn)槔碚撚?jì)算在考慮頂板變形時(shí)，主要基于彈性力學(xué)理論，對(duì)頂板的變形機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)化，沒(méi)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(kāi)采過(guò)程中頂板的垮落等因素。而數(shù)值模擬通過(guò)建立詳細(xì)的三維模型，能夠全面考慮這些因素對(duì)頂板變形的影響，從而得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。通過(guò)對(duì)比分析可知，雖然理論計(jì)算能夠?yàn)槊褐鶎挾鹊拇_定提供一定的參考，但由于實(shí)際地質(zhì)條件和開(kāi)采過(guò)程的復(fù)雜性，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定的差異。數(shù)值模擬能夠更真實(shí)地反映煤柱及巷道圍巖在開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)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(jù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)將理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以提高煤柱寬度設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和修正，確保煤柱寬度的合理性，保障巷道的穩(wěn)定性和煤礦的安全生產(chǎn)。六、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證6.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)為驗(yàn)證理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在色連二礦12406工作面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作。該工作面地質(zhì)條件復(fù)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(zhì)泥巖，底板為泥巖，且存在多條小斷層，對(duì)煤柱穩(wěn)定性和巷道變形影響較大，是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的理想?yún)^(qū)域。在該工作面布置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)煤柱應(yīng)力、巷道變形等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)，選用振弦式應(yīng)力計(jì)，其具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化。在煤柱內(nèi)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(gè)應(yīng)力計(jì)。應(yīng)力計(jì)的安裝深度分別為2m、4m、6m、8m和10m，通過(guò)鉆孔將應(yīng)力計(jì)埋入煤柱中，確保其與煤柱緊密接觸，以準(zhǔn)確獲取煤柱在不同深度和位置的應(yīng)力數(shù)據(jù)。對(duì)于巷道變形監(jiān)測(cè)，采用全站儀和多點(diǎn)位移計(jì)相結(jié)合的方式。全站儀可測(cè)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(shè)置6個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，利用全站儀定期對(duì)這些觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，獲取巷道在不同時(shí)間段的變形數(shù)據(jù)。多點(diǎn)位移計(jì)則用于測(cè)量巷道圍巖內(nèi)部的位移變化，在巷道兩幫和頂板分別安裝3個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)，每個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別為1m、2m、3m、4m和5m，通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)可以詳細(xì)了解巷道圍巖內(nèi)部不同深度的位移情況，為分析巷道變形機(jī)理提供數(shù)據(jù)支持。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，確定監(jiān)測(cè)頻率為每天一次，在采煤工作面推進(jìn)關(guān)鍵階段，如初次來(lái)壓、周期來(lái)壓等，加密監(jiān)測(cè)頻率至每4小時(shí)一次，確保能夠及時(shí)捕捉到煤柱應(yīng)力和巷道變形的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，安排專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和整理工作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，保障巷道的安全穩(wěn)定。6.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與整理在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，技術(shù)人員嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)，每天定時(shí)讀取振弦式應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)，記錄煤柱在不同位置和深度處的應(yīng)力值。在采煤工作面推進(jìn)的關(guān)鍵階段，如初次來(lái)壓和周期來(lái)壓期間，每4小時(shí)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，確保能夠及時(shí)捕捉到煤柱應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化。在初次來(lái)壓時(shí)，煤柱邊緣的應(yīng)力計(jì)顯示應(yīng)力值在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，技術(shù)人員立即加密監(jiān)測(cè)頻率，詳細(xì)記錄應(yīng)力變化情況。對(duì)于巷道變形監(jiān)測(cè)，使用全站儀定期測(cè)量巷道頂板、底板和兩幫觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取多點(diǎn)位移計(jì)記錄的巷道圍巖內(nèi)部不同深度的位移信息。每次測(cè)量后，技術(shù)人員都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。在一次測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)某個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)異常，技術(shù)人員立即對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，并重新進(jìn)行測(cè)量，最終確定該數(shù)據(jù)是由于測(cè)量設(shè)備受到干擾導(dǎo)致的，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠性。采集到的數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行整理，建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)表格。對(duì)于煤柱應(yīng)力數(shù)據(jù)，記錄每個(gè)應(yīng)力計(jì)的編號(hào)、安裝位置、測(cè)量時(shí)間和應(yīng)力值；對(duì)于巷道變形數(shù)據(jù)，記錄觀(guān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)、位置、測(cè)量時(shí)間以及頂板下沉量、底板鼓起量和兩幫收斂量等參數(shù)。將整理好的數(shù)據(jù)錄入電子表格軟件，方便后續(xù)的分析和處理。為了便于數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析，對(duì)不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)整理，如巷道掘進(jìn)完成后、工作面推進(jìn)50m后和工作面推進(jìn)100m后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別建立文件夾進(jìn)行存儲(chǔ)。在整理過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，繪制煤柱應(yīng)力和巷道變形隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。通過(guò)觀(guān)察曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，了解煤柱應(yīng)力和巷道變形的發(fā)展規(guī)律。在繪制煤柱應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著工作面的推進(jìn)，煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，在工作面推進(jìn)到一定距離后，煤柱應(yīng)力增長(zhǎng)速度逐漸減緩，這表明煤柱在逐漸適應(yīng)采動(dòng)影響，其承載能力逐漸趨于穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)比不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分析煤柱應(yīng)力和巷道變形在空間上的分布特征。在對(duì)比不同位置的煤柱應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤柱邊緣的應(yīng)力值明顯高于煤柱內(nèi)部，說(shuō)明煤柱邊緣受到的采動(dòng)影響較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與整理，為后續(xù)深入分析煤柱應(yīng)力和巷道變形的變化規(guī)律，以及驗(yàn)證理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。6.3實(shí)測(cè)結(jié)果與理論、模擬結(jié)果對(duì)比分析將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的煤柱應(yīng)力和巷道變形數(shù)據(jù)與理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。對(duì)比項(xiàng)目理論計(jì)算結(jié)果數(shù)值模擬結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果煤柱邊緣最大主應(yīng)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(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定偏差，煤柱邊緣最大主應(yīng)力理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)值高11.5%，巷道頂板下沉量理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)值高23.8%。這主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算基于一系列假設(shè)和簡(jiǎn)化，將煤巖體視為均勻、連續(xù)的彈性體，忽略了煤巖體中存在的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面以及采煤過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化因素，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差異。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近，煤柱邊緣最大主應(yīng)力相對(duì)誤差為2.7%，巷道頂板下沉量相對(duì)誤差為4.8%，巷道底板鼓起量相對(duì)誤差為7.7%，巷道兩幫收斂量相對(duì)誤差為6.7%。數(shù)值模擬能夠更真實(shí)地反映煤柱及巷道圍巖在開(kāi)采過(guò)程中的力學(xué)行為和變形特征，考慮了煤巖體的非線(xiàn)性特性、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面以及采煤過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，因此與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合度較高。通過(guò)對(duì)比分析可知，數(shù)值模擬結(jié)果在反映煤柱及巷道圍巖的力學(xué)行為和變形特征方面具有較高的準(zhǔn)確性，能夠?yàn)楹侠砻褐鶎挾鹊拇_定提供可靠的依據(jù)。理論計(jì)算結(jié)果雖然存在一定偏差，但在初步設(shè)計(jì)階段仍具有重要的參考價(jià)值。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)將理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以提高煤柱寬度設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，確保巷道的穩(wěn)定性和煤礦的安全生產(chǎn)。七、合理煤柱寬度的確定與應(yīng)用7.1綜合確定合理煤柱寬度綜合考慮理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合色連二礦的實(shí)際生產(chǎn)需求，確定合理的煤柱寬度。理論計(jì)算結(jié)果為煤柱寬度的初步設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，數(shù)值模擬進(jìn)一步分析了不同煤柱寬度下煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)則驗(yàn)證了理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果，并反映了實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)雜情況。通過(guò)理論計(jì)算，在假設(shè)煤層采高M(jìn)=4m，開(kāi)采深度H=400m等條件下，得到煤柱寬度約為10.04m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著煤柱寬度的增加，煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力集中程度逐漸降低，變形量逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道頂板下沉量達(dá)到250mm，底板鼓起量為180mm，兩幫收斂量為150mm，應(yīng)力集中和變形問(wèn)題較為嚴(yán)重；而當(dāng)煤柱寬度增加到15m時(shí)，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(yīng)力和變形得到有效控制，但煤柱寬度過(guò)大造成了煤炭資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，煤柱邊緣最大主應(yīng)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(jié)果，考慮到既要保證巷道的穩(wěn)定性，又要提高煤炭資源利用率，在色連二礦的地質(zhì)條件和采煤工藝下，確定合理的煤柱寬度為7-9m。在這個(gè)范圍內(nèi)，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(shí)減少煤炭資源的浪費(fèi)，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。7.2工程應(yīng)用案例分析將確定的合理煤柱寬度應(yīng)用于色連二礦12406工作面，在回風(fēng)順槽采用7-9m的煤柱寬度進(jìn)行切頂卸壓沿空掘巷。在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖的變形和煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(nèi)，表明巷道圍巖的變形得到了有效控制。從煤柱的穩(wěn)定性來(lái)看，通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布較為均勻，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱的承載能力滿(mǎn)足要求，未發(fā)生煤柱破壞和失穩(wěn)的情況。在工作面回采過(guò)程中，頂板垮落較為規(guī)則，未對(duì)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(hù)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(fù)和支護(hù)材料的投入，據(jù)統(tǒng)計(jì)，巷道維護(hù)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(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)12406工作面的工程應(yīng)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(wěn)定性，提高煤炭資源回收率，降低巷道維護(hù)成本，具有良好的應(yīng)用效果和推廣價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的地質(zhì)條件和開(kāi)采情況，對(duì)煤柱寬度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以確保煤礦生產(chǎn)的安全高效進(jìn)行。7.3應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)措施與注意事項(xiàng)在色連二礦應(yīng)用7-9m的合理煤柱寬度進(jìn)行切頂卸壓沿空掘巷時(shí)，需采取一系列技術(shù)措施，以確保巷道的穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)。在巷道支護(hù)方面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿作為主要的支護(hù)構(gòu)件，能夠提供主動(dòng)支護(hù)力，將巷道圍巖的淺層巖體錨固在深部穩(wěn)定巖體上，增強(qiáng)圍巖的整體性和承載能力。錨索則用于加強(qiáng)對(duì)頂板和關(guān)鍵部位的支護(hù)，其長(zhǎng)度和錨固力應(yīng)根據(jù)頂板巖層的厚度和強(qiáng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，一般錨索長(zhǎng)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(wǎng)鋪設(shè)在巷道表面，可防止圍巖表面的碎塊掉落，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。頂板管理是確保巷道安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在采煤過(guò)程中，嚴(yán)格控制頂板的垮落高度和范圍，通過(guò)加強(qiáng)頂板監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握頂板的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)頂板出現(xiàn)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(yīng)的措施，如加強(qiáng)支護(hù)、縮短支護(hù)間距等。同時(shí)，合理安排采煤進(jìn)度，避免因采煤速度過(guò)快導(dǎo)致頂板壓力突然增大，對(duì)煤柱和巷道造成破壞。監(jiān)測(cè)預(yù)警是保障巷道安全的重要手段。建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)煤柱應(yīng)力、巷道變形、頂板壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)置合理的預(yù)警閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。在煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)中，當(dāng)煤柱應(yīng)力超過(guò)其極限承載能力的80%時(shí)，立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒工作人員加強(qiáng)對(duì)煤柱的監(jiān)測(cè)和支護(hù)。在應(yīng)用過(guò)程中，還需注意以下事項(xiàng)。加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)條件的勘查和分析，及時(shí)掌握地質(zhì)條件的變化情況，根據(jù)地質(zhì)條件的變化調(diào)整煤柱寬度和支護(hù)參數(shù)。在遇到斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加煤柱寬度，并加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，確保煤柱的尺寸和支護(hù)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。在煤柱施工過(guò)程中，保證煤柱的形狀規(guī)則、尺寸準(zhǔn)確，避免因煤柱施工質(zhì)量問(wèn)題