沿空留巷煤柱合理预留宽度研究

265 科学管理2024年第2期

1 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9.26km2，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。在支撑压力作用下，

煤柱会出现破坏区、弹性区、塑性区、原岩应力

区，此时煤岩的边缘塑性区随着支撑压力的增大

逐步扩展，但由于弹性核区宽度很大，所以能够

有效支撑，但考虑到此时的经济成本，此方法并

不适用。

以山西焦煤正利煤矿14102综采工作面为研

究背景，巷道的尺寸为如下：顶宽5.2ｍ，底宽 5 

ｍ，左右帮分别为2.5ｍ和2.2ｍ 的梯形，支护采用

锚网支护：顶板锚杆采用24×2000mm的锚杆，排

距为0.8m，共布置６根，两端锚杆与巷帮角度为

20°布置；巷道的左右帮锚杆长采用24×2400mｍ

的锚杆，共布置３根，帮部锚杆的排距为0.85m，

左右帮距离顶板0.5ｍ，角度为20°布置，右帮底

端锚杆距底0.8m，左帮距底板1ｍ，在不影响计算

的情况下适当进行模型的简化，对模型进行力学

参数设定及边界条件设定，完成上述设定后对合

理煤柱宽度进行模拟分析，选择煤柱宽度3ｍ、５

ｍ、７ｍ、９ｍ、12ｍ、15ｍ、18ｍ 和20ｍ 八种

方案，分别对不同煤柱宽度下水平及垂直应力分布进行分析，应力曲线如图1所示。

图1 不同煤柱宽度下水平及垂直应力曲线

从图1中可以看出，随着煤柱留设宽度的不

断增加煤柱内部的垂直应力呈现出逐步增大的趋

势，当煤柱留设宽度为３～５ｍ 时，此时相比较沿空留巷煤柱合理预留宽度研究

孟佳

山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司 山西 岚县 035200

摘要：为了研究沿空留巷煤柱宽度合理性，本文利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下围岩垂直应

力、水平应力及煤柱内部位移情况进行分析，确定了煤柱宽度为6m时巷道围岩稳定性最佳，通过工业应

用发现随着距离采空区距离的减小，巷道围岩表面的变形情况呈现明显的阶段性特征，但整体变形量处

于可控范围，为矿井安全生产提供一定的参考。关键词：数值模拟 工业应用 围岩变形 应力分布科学管理

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而言垂直应力整体变化趋势不大，而当煤柱留设

宽度增大至5～９ｍ 时，此时煤柱的应力从１０ 

MPa增大至16MPa，继续增大煤柱留设宽度至９

～１８ｍ ，此时煤柱内的垂直应力快速增大，最

大应力达到29.8MPa，当煤柱留设宽度增大至20m

时，此时的最大应力变化相比与煤柱宽度18m时并

无明显变化，同时煤柱留设宽度为5m时，此时的

煤柱中部会形成一定面积的应力核，长。观察水

平应力随煤柱宽度变化趋势可以看出，随留煤柱

宽度增加，水平应力呈现逐步增大的趋势，在煤

柱宽度３～５ｍ 时，水平应力增大的幅度较小，

而在煤柱宽度７～１５ｍ，水平应力急剧增加，

水平应力过大极易造成煤柱发生剪切破坏，发生

失稳，煤柱宽度为１５～２０ｍ，增幅又变缓。

对煤柱宽度 4m、6m、10m、15m 时的巷道两

帮水平位移量进行研究，绘制不同煤柱宽度下的煤柱水平位移曲线如图2所示。

图2 不同煤柱宽度下煤柱位移曲线

从图中可以看出，随着煤柱宽度的增大，

此时随着煤柱宽度的增大，煤柱变形量呈现先减

小后增大的趋势，当煤柱宽度为4m时，此时煤

柱处于巷道侧向采动压力降低区，由于采动的影

响此时的煤柱变形较为严重，煤柱失去承载能力

破坏，此时煤柱的变形为几种煤柱宽度下的最大

值，当煤柱宽度增大至 10～15m 时，此时由于处

于侧向压力的峰值区，使得其变形量仍然较大，

明显大于煤柱宽度6m时的煤柱变形量，所以最终

确定柱宽度取 6m，在煤柱宽度6m时，此时煤柱虽

会受到一定的侧向采动影响，但由于其处于采动

影响的应力降低区位置，并不会出现较大的失稳

变形，对于巷道稳定性的维护较为有利，同时煤

柱宽度为6m时，经济效益较为合理，所以选取煤

柱宽度6m能够满足矿井安全生产的需求。

3 工业应用分析

对煤柱留设宽度6m进行工业验证，巷道的

顶锚杆选用Ø22mm×2400mm左旋高强锚杆，

每排布置6根，设置间排距为 800mm×800mm，

两外侧锚杆向外成15°打设，采用尺寸为 150mm×150mm×10mm的高强度拱形托盘。巷道

的两帮采用Ø20mm×2200mm 高强玻璃锚杆，每

排 4 根，间排距 800×800mm，锚杆垂直墙体打

设。巷道的顶锚索采用Ø17. 8mm × 8300mm 的

锚索，沿顶板“2－1－2”布置，锚索间排距为

3000mm×800mm，同样配套高强度托盘，同时在

顶部铺设金属网片，网格为100mm× 100mm，煤

柱帮采用Ø15. 24mm×4300mm 的锚索，沿巷道走

向布置，配套使用 300mm×300mm×16mm 托盘。

在巷道每隔 20m 布置监测点，用于监测巷道围岩变形量，监测的数据如图3所示。

图3 监测数据曲线

从图3可以看出，在沿空掘巷期间，此时巷道

围岩表面的变形情况呈现明显的阶段性特征，在

不同时间段内变化趋势大不相同，在（ 0 ～ 160m 

范围内）此时为变形剧烈阶段，此时工作面采空

区顶板剧烈活动，未完成稳定，巷道围岩受到掘

进的影响出现大面积的塑性变形，甚至破坏，围

岩的变形也呈现急剧变化趋势，巷道围岩表面围

岩变形大多产生与本阶段。在此阶段内，巷道的

两帮及顶底板移近量分别达到 218mm、139mm，

此时观察变形速度曲线可以看出，此时的顶底板

及两帮变形速度均较大，分别为7mm/d和11mm/d 

左右，两帮的移近量中主要以煤柱移近为止，煤

柱移近占据整体两帮变形的6成左右。在160m 范

围外时，此时为相对稳定阶段，此时的采空区顶

板完全垮落，活动稳定，围岩的应力环境得到有

效改善，围岩局部趋于稳定，在此阶段整体围岩

变形不会发生较大的波动，围岩的变形速率保持

在2mm/d 左右，对整体累积变形量影响较小。整

体观察巷道围岩表面的围岩变形情况可以看出，

整体变形保持在可控区域，对于整体留巷较为有

利，所以最佳煤柱宽度6m方案可行。

4 结论

（1）根据对不同煤柱宽度下围岩垂直应力及

水平应力呈现随着煤柱留设宽度的不断增大的趋

势。

（2）随着煤柱宽度的增大，此时随着煤柱

（下转第１３６页）技术研究

136 2024年第2期

务，因此对新能源的工程技术、资源和人才队伍

都需要作更多的储备。

5.4 投资建议

目前储能技术发展迅猛，然而度电成本依然

居高不下，就是否在风光项目配置储能装置建议

如下：

5.4.1 以示范项目为起点；

根据国家政策导向，依据自愿参与原则，调

动各类市场主体的积极性，形成一批示范项目，

以点带面，推动探索储能发展的各类商业模式与

应用场景，目前中石化集团下属企业中，胜利孤

东106MW光伏项目、古交风光一体项目的储能装

置已经建成或在筹备中。

5.4.2 以经济效益为导向

如前文所述，目前市场占有率较高的锂离子

储能装置的度电成本为0.67元，光伏项目所在地峰

谷电差价超过0.67元，方可考虑采用储能装置进行

调峰。

此外在项目运行10年左右时储能装置需要进

行更新，在项目立项时需考虑其对内部收益率的

影响。

6 结论

无论是出于对地球生存环境的关注还是对国家“双碳政策”的响应，发展新能源是今后很

长时期内不可逆转的趋势，而储能是应对风光发

电不稳定性的必然途径，也是新能源发展道路上

重要环节。当前风光发电和储能结合模式备受推

崇，但是储能电站一般由投资方来承担，如搭配

储能电站，风电和光伏电站的投资收益率将受影

响；同时实现大规模并网，储能电站能力非常有

限。企业应根据当前的储能技术和投资的实际情

况，结合行业发展趋势及企业自身特点，统一规

划、合理布局储能电站，促进能源融合发展，为

保障国家能源供应安全做出贡献。

参考文献

[1]杜剑强，李木盛，付小军，李斌.工程造价管

理[J].海上风电建设成本趋势分析及石化行业投资

建议，2022.（6）：85-91.

[2]储能行业深度报告：六类储能发展情况及

其经济性评估，英大证券责任有限公司.附表5-33.

[3]傅旭， 李富春， 杨欣， 杨攀峰.基于全寿命

周期成本的储能成本分析，2-5.

作者简介

周燕伟（1973-），女，浙江宁波人，高级经济师，

主要从事工程造价，投资管理等工作。

宽度的增大，煤柱变形量呈现先减小后增大的趋

势，煤柱宽度为6m时煤柱位移量最小。

（3）在煤柱宽度6m下，随着距离采空区距离

的减小，巷道围岩表面的变形情况呈现明显的阶

段性特征，但整体变形量处于可控范围。

参考文献

[1]郭靖.煤矿坚硬厚层顶板沿空留巷工作面

切顶卸压技术研究[J].能源与节能，2022（11）:100-103.

[2]王文栋.切顶卸压沿空留巷围岩结构控制

及其工程应用[J].矿业装备，2022（5）:21-23.

[3]赵治泽，邵汝岭，郭志强，李光琦，宋伟鹏，

王文硕.基于底鼓控制的软岩回采巷道合理护巷煤

柱宽度研究[J].煤炭技术，2022，41（11）:51-55.

[4]张金贵，程志恒，陈昊熠，殷帅峰，陈亮，薛

傲.区段煤柱留设宽度分析及优化——以崖窑峁煤

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:60-67.（上接第２６６页）