摘要：针对厚煤层开采条件下沿空掘巷区段煤柱合理宽度留设问题，以东周窑煤矿为工程实例，提出来计算煤柱宽度模型，并融合理论分析、数值模拟以及现场应用等多种方法，对区段煤柱适宜宽度进行深入的研究。研究结果表明，当煤柱宽度设定为6 m，煤柱及其顶板的塑性变形区域将与采空区相贯通，导致煤柱内部出现显著的塑性变形和大量裂纹，进而损害煤柱的结构稳定性；当煤柱宽度增大至超过8 m时，煤柱的塑性变形区域则不会与采空区完全贯通，煤柱整体结构仍然相对稳定，能够有效地支撑上覆岩层的重量。

　　关键词：厚煤层；煤柱宽度；数值模拟

　　0引言

　　厚煤层开采过程中，区段煤柱的留设宽度关系到煤炭资源的回收率，直接影响到巷道的稳定性和开采作业的安全性[1]。合理的煤柱宽度能够有效支撑上覆岩层，减少地表沉陷和巷道变形，保障工作面的顺利推进；而煤柱宽度设置不当，则可能导致资源浪费、巷道失稳、支护成本增加等问题[2]。然而，由于厚煤层的复杂性、地质条件的多变性以及开采技术的差异性，煤柱宽度的优化问题仍然是具有挑战性的难题[3]。

　　基于此种情况，综合运用理论分析、数值模拟、现场监测等多种方法，对厚煤层工作面区段煤柱的合理宽度进行探讨。通过对比分析不同宽度煤柱的受力状态、变形特征以及巷道稳定性等方面的差异，揭示煤柱宽度对煤炭资源回收率、巷道稳定性和开采安全性的影响规律，为厚煤层的安全高效开采提供科学依据和实用指导。

　　1研究区概况

　　东周窑煤矿位于大同煤田内，地层走向约为185O~190O，倾向为95O~100O，倾角则在2O~10O之间，一般约为3O~5O。在构造方面，东周窑煤矿的井田内褶皱构造为隐伏褶曲，井田内还存在断层构造，包括北东向、近南北向和北西向三组断层。

　　煤层赋存稳定，断层较少，煤层倾角平均为5O，煤层厚度平均为5 m，主采4号煤层。东周窑煤矿的水文地质条件相对复杂，井田内存在多个含水层，如砂岩裂隙含水层、灰岩岩溶含水层等，对煤矿的开采和安全生产产生了一定的影响。

　　2煤柱宽度理论计算

　　煤柱宽度计算模型的构建过程及其应用于东周窑煤矿区段煤柱合理宽度B的确定，是一个基于地质分析与力学原理的综合性工作。如图1所示，该计算模型依据极限平衡理论，评估煤柱在特定地质与开采条件下的稳定性。

　　根据图1所示，得以推导出煤柱宽度的理论计算表达式（1）：

　　B=X1+X2+X3（1）

       式中：X1为前一工作面开采后，在侧向煤体内形成的塑性变形区域，也即极限平衡区域的宽度；X2为为确保煤柱稳定而设定的安全余量，其数值范围通常设定在（X1+X3）的20%~40%之间；X3为对应于锚杆所能提供有效支护的长度。根据护巷煤柱的力学平衡原理，可合理推断，煤柱的宽度B必须满足B≥X的条件，其中X是关键的临界值，确保了煤柱在承受压力时能够维持其稳定性。

　　经计算与分析得出了东周窑煤矿工作面采空区在应力状态达到极限平衡时的区域宽度，其值为X1=6.46 m；为保障煤柱的结构稳定性，确定了所需的安全宽度增量X2的范围，即在1.78~3.54 m之间；锚杆的有效支护距离X3为2.4 m。将关键参数值输入至煤柱宽度的计算模型中，最终得出煤柱宽度B的适宜范围，该范围介于10.64~12.4 m之间。

　　3数值模拟

　　3.1数值模型

　　以东周窑煤矿61610工作面为基础，构建三维数值模拟模型，其三维可视化效果如图2所示。此模型在X轴方向上500 m，Y轴方向同样500 m，而Z轴方向则199 m。在此模型中，X轴表征工作面的倾斜特征，Y轴则表征工作面的推进趋势。61610工作面的倾斜幅度为255 m，推进距离为300 m，且其开采的煤层厚度设定为25 m。

　　在模型的顶部，施加垂直方向的应力，其强度为10.4 MPa，规定模型所承受的水平应力为垂直应力的1.2倍。为了对模型的边界条件进行有效控制，在其前端、后端、左侧、右侧以及底部均采用了固定的边界限制措施。

　　在开采作业过程中，工作面以平稳连续的方式不断推进，其后方的顶板垮落带经历岩石的崩落，崩落后的岩石会自动掉落入采空区的内部，进行填充。在上覆岩层所产生的重力效应下，填充的岩石会经压实阶段，从而实现对上方裂隙带岩层的稳定支撑作用。基于该实际情况，当数值模拟时，若工作面在模拟条件下开挖，会立刻对垮落带区域采取充填措施，且该充填措施双屈服力学理论模型的原则来实施。

　　3.2采空区侧向应力分布规律

　　针对采空区侧向垂直应力的分布特性，可由图3与图4可知，在工作面完成开采任务后，采空区侧向所承受的垂直应力值会逐渐增大，达到峰值后，随后经历减小的阶段，并最终趋于相对平稳的状态。在巷道中心位置处，应力的峰值点距离采空区的边缘保持着一定的距离，该距离大约为2 m。当观测点位于顶板上方1 m处时，应力的峰值点距离采空区边缘的距离有所增加，该距离扩展到3 m；当将观测点提升至顶板上方3 m处时，应力峰值点与采空区边缘的距离再次拉大，达到7 m；而当观测点继续上升，到达顶板上方6 m甚至更高的位置时，应力峰值点与采空区边缘的距离则呈现出稳定的态势，该距离大致为9 m左右。

　　3.3塑性区破坏特征

　　针对煤柱宽度分别设置为6、8、10、12、14、16、20 m的不同工况，利用数值模拟技术对围岩塑性区的动态变化特征进行分析可知，如图5所示，在煤柱宽度设定为6 m的工况下，顶板与煤柱的塑性区域与采空区之间形成显著的贯通态势，表明煤柱的承载能力处于极低状态。此时，沿空巷道的顶板塑性区的发展深度已扩大至3 m，煤柱侧帮的塑性区发展深度也达2 m的程度，而开采侧的塑性区发展深度则保持在1 m。当煤柱宽度增加至8 m时，煤柱内部的塑性区域并未与采空区形成完全的连接，煤柱内部依然留存有部分未受损的区域，因此仍具有一定的承载潜能。在此工况下，沿空巷道的顶板塑性区的发展深度有所缩减，降低至2 m，煤柱侧帮的塑性区发展深度也减小至1 m，而开采侧的塑性区发展深度则维持不变，仍为1 m。从围岩塑性区的分布特征来看，为保障煤柱的稳定性和承载能力，煤柱的留设宽度应当控制在8 m或以上，该结论为煤矿开采过程中的煤柱设计提供重要参考准则。

　　4现场应用

　　运用钻孔探测技术对东周窑煤矿61612工作面辅运巷煤柱内部的裂隙分布状况进行全面分析可知，如图6所示，在距离钻孔起始点0.2 m的范围内，裂隙特征极为明显，展现出显著的局部破坏特征。随着钻孔向更深层次的推进，当进入0.95~5 m的深度区间时，煤壁上的裂隙数量逐渐减少，煤壁的损伤程度及裂隙的可辨识性均有所降低，但仍能发现一些微小的裂隙存在。而当钻孔深度超过5 m时，煤体内尽管仍有裂隙零星分布，但这些裂隙的显现已经变得较为隐约，煤柱内部在整体上保持了良好的结构稳固性。

　　综上所述，煤柱的某些具体部位表现出帮部破坏的迹象，并伴随着网兜形态结构的形成，揭示了该区域已经历一定水平的形变与性能下降。然而，从全面评价的角度来看，该形变与性能下降的程度并不显著，煤柱的整体形变幅度被限制在一个较小的范围内，性能下降的程度相对较低。巷道整体维持较好的结构稳固性，没有对现场的安全开采作业带来较大困扰，基本上达到了现场安全使用的所有规范。

　　5结论

　　1）基于极限平衡理论的核心要旨，构建了数学模型以测定煤柱的宽度，并得出煤柱在极限平衡条件下的宽度为6.46 m，并在该理论体系的指导下，确定了区段煤柱的合理宽度范围，该范围处于10.64~12.4 m之间。

　　2）针对不同宽度的区段煤柱，开展力学特性分析表明，在工作面完成回采作业后，巷道煤柱所承受的支撑压力分布展现出典型的“双峰”分布特征，若煤柱的宽度不超过6 m，其塑性变形区会与采空区完全连接，致使煤柱的承载能力大幅下降；相反，当煤柱的宽度超出8 m时，其塑性变形区则不会与采空区完全连接，煤柱内部会保留一部分弹性核心区域，从而能够维持一定的承载能力。

　　3）采用钻孔探测技术对东周窑煤矿当前煤柱内部的裂隙分布状况进行观测分析，在煤柱宽度介于8.5~9 m之间时，煤柱内部保留有未遭破坏的区域，证明了煤柱宽度设计的合理性，显示出在该宽度范围内的煤柱仍保持较高的承载能力。

参考文献

　　[1]赵斌，徐尚文.厚煤层小煤柱稳定性及合理护巷宽度分析[J].能源与节能，2024（5）：235-237.

　　[2]苗苑.浅埋厚煤层综采工作面顶板破断结构及运动形态研究[J].煤炭技术，2024，43（11）：88-94.

　　[3]彭宝山，王永乐，杨学孟.厚弱胶结顶板煤层综放开采覆岩破坏特征与强矿压机理[J].煤炭技术，2024，43（10）：75-80.