防隔水煤柱合理留設(shè)寬度分析

摘" 要：為確保相鄰采空區(qū)積水情況下綜放工作面的安全開采，以崔家溝煤礦2305工作面與2303采空區(qū)間的防隔水煤柱為背景，采用物理力學(xué)參數(shù)試驗分析水對煤體的影響；利用極限平衡理論確定巷道側(cè)塑性區(qū)寬度、引入軟化模量分析確定積水采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度、將威爾遜煤柱承載理論與Bieniawski強(qiáng)度公式結(jié)合確定彈性核區(qū)寬度；通過FLAC3D模擬了煤柱在22～32 m情況下的塑性區(qū)與應(yīng)力分布情況；應(yīng)用鉆孔應(yīng)力計和鉆孔窺視儀監(jiān)測了巷道側(cè)煤柱的應(yīng)力及破壞情況。結(jié)果表明：水對煤體強(qiáng)度影響較大，黏聚力和內(nèi)摩擦角降低了14％、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低了20%、彈性模量降低了43%；巷道側(cè)塑性區(qū)為2.74 m、積水采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度在5.01～6.60 m、彈性核區(qū)寬度在17.10～17.48 m，防隔水煤柱最小留設(shè)寬度為26.44 m；當(dāng)煤柱寬度大于28m時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)不再出現(xiàn)變化，此時采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為6.00 m、巷道側(cè)塑性區(qū)寬度為2.00 m，現(xiàn)場監(jiān)測巷道側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度為2.4 m，驗證了理論分析的合理性。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)積水；防隔水煤柱；威爾遜煤柱承載理論；數(shù)值模擬；留設(shè)寬度

中圖分類號：TD 822

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）06-1060-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0605開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

收稿日期：

2024-03-21

基金項目：

國家自然科學(xué)基金項目（51508462）

通信作者：

谷拴成，男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：1433021651@qq.com

Analysis of reasonable width of water-proof coal pillars

GU Shuancheng，ZHANG Wei，WEN Jiahao，KANG Yunbo，HU Jialong

（College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to ensure the safe mining of fully mechanized caving face under the condition of water accumulation in adjacent goaf，the water-proof coal pillars between 2305 working face and 2303 goaf in Cuijiagou Coal Mine were studied as the background.The influence of water on coal body was analyzed by physical and mechanical parameter test.The limit equilibrium theory is used to determine the width of the plastic zone on the side of the roadway，the softening modulus analysis is introduced to determine the width of the plastic zone on the side of the water accumulation goaf，and the Wilson coal pillar bearing theory was combined with the Bieniawski strength formula to determine the width of the elastic core zone；the plastic zone and stress distribution of coal pillars in 22～32 m were simulated by FLAC3D.The borehole stress meter and borehole peeper were used to monitor the stress and failure of the side coal pillar of the roadway.The results show that water has a great influence on the strength of coal，reducing cohesion and internal friction angle by 14%，compressive strength and tensile strength by 20%，and elastic modulus by 43%.The plastic zone on the side of the roadway is 2.74 m，the width of the plastic zone on the side of the goaf is 5.01～6.60 m，the width of the elastic core area is 17.10～17.48 m，and the minimum width of the waterproof coal pillar is 26.44 m.When the width of the coal pillar is greater than 28 m，the plastic zone on both sides of the coal pillar no longer changes.At this time，the width of the plastic zone on the side of the goaf is 6.00 m，and the width of the plastic zone on the side of the roadway is 2.00 m.The width of the plastic zone of the coal pillar on the side of the roadway is 2.4 m，which verifies the rationality of the theoretical analysis.

Key words：goaf water；waterproof coal pillar；Wilson coal pillar bearing theory；numerical simulation；reserved width

0" 引" 言

為保障煤炭資源安全高效開采，需留設(shè)區(qū)段煤柱。區(qū)段煤柱在礦井安全生產(chǎn)過程中起著支撐上覆巖層、開采邊界和區(qū)段隔離等重要作用［1-3］。若煤柱留設(shè)尺寸較小，會造成巷道圍巖穩(wěn)定性不足，生產(chǎn)中需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，影響生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致安全事故；煤柱留設(shè)尺寸過大，又會造成煤炭資源的浪費(fèi)［4-9］。因此，如何科學(xué)確定煤柱留設(shè)寬度，已成為煤礦安全生產(chǎn)亟待解決的問題。

國內(nèi)外專家學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。

張宏等根據(jù)Salamon應(yīng)力應(yīng)變曲線揭示了雙面開采條件下，隨煤柱寬度增加，垂直應(yīng)力分布形態(tài)由拱形變?yōu)轳R鞍形［10］；任建喜等對區(qū)段煤柱優(yōu)化進(jìn)行研究，探討了支承應(yīng)力分布規(guī)律及順槽圍巖變形特征［11］；華照來等采用數(shù)值模擬分析了煤柱應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征，確定了合理煤柱寬度［12］；孟祥軍等對傾斜厚煤層沿空掘巷窄煤柱進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)窄煤柱需避開支承壓力集中區(qū)［13］；徐東晶等對斷層防水煤柱的留設(shè)寬度進(jìn)行預(yù)測，表明RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效率更高、精度更高［14］；劉增輝等研究了高應(yīng)力厚煤層不同寬度煤柱，巷道開挖中壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力隨煤柱寬度“先增后減”［15］；宋平、王偉等采用數(shù)值模擬軟件對煤柱內(nèi)應(yīng)力和位移分布、煤柱寬度與巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，確定留設(shè)的合理煤柱寬度范圍［16-17］；谷拴成等考慮煤巖體成拱效應(yīng)，給出了煤柱支承壓力的確定方法，推導(dǎo)了煤柱合理留設(shè)寬度與原巖應(yīng)力下的塑性區(qū)寬度計算公式［18］；張金貴等揭示了在不同煤柱寬度情況下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律及塑性區(qū)特征，確定了煤柱優(yōu)化后的寬度［19］；HE等針對超厚煤層建立了全局本構(gòu)雙屈服和應(yīng)變軟化模型，研究了不同厚度和煤柱寬度煤層的支承壓力和塑性破壞范圍［20］；GAO等考慮到煤的塑性軟化性質(zhì)和煤層間距，分析了帶狀煤柱的應(yīng)力—應(yīng)變與穩(wěn)定性，表明帶狀煤柱非彈性區(qū)寬度受煤層間距影響較大［21］；WANG等根據(jù)基本頂斷裂的破壞形式建立了力學(xué)模型，推導(dǎo)了煤柱寬度評價公式，當(dāng)保護(hù)煤柱上方基本頂斷裂且煤柱寬度小于臨界值時，保護(hù)煤柱的應(yīng)力急劇增大［22］；張杰等針對淺埋煤層孤島工作面利用兩區(qū)約束理論、極限平衡理論確定了煤柱寬度［23］；師維剛等將煤柱分為塑性區(qū)、彈性核區(qū)、水壓破壞區(qū)［24］，并考慮水的浸潤軟化作用，確定了水壓破壞區(qū)寬度。

區(qū)段煤柱主要作用為支撐上覆巖層、分隔區(qū)段、隔離采空區(qū)等。目前煤柱留設(shè)寬度方面的研究考慮水的研究較少，而崔家溝煤礦由于采空區(qū)積水的存在區(qū)段煤柱也是防隔水煤柱，因此在分析時需同時考慮水的影響與上覆巖層對防隔水煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究。

1" 工程概況

崔家溝煤礦位于黃隴侏羅紀(jì)煤田焦坪礦區(qū)中南部，主采煤層為4-2煤。井田共劃分3個采區(qū)，2305綜采放頂煤工作面位于三采區(qū)東部，

2305工作面平均走向長度1 634 m，寬度為195 m。由北向南采用走向長壁布置，一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面地層綜合柱狀圖如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場資料確定2303采空區(qū)內(nèi)存在大面積積水，積水面積約319 000 m2，積水量達(dá)873 000 m3，工作面位置及積水情況如圖2所示。

2" 室內(nèi)試驗

通過物理參數(shù)試驗測得的煤樣密度及吸水率見表1。干燥煤樣的平均密度為1.403 g/cm3，浸

水后飽和煤樣的平均密度為1.50 g/cm3，平均吸水率為9.07%。

對制備好的干燥與飽和煤樣進(jìn)行變角剪切試驗、巴西劈裂試驗及單軸壓縮試驗，并分析其參數(shù)變化情況，結(jié)果見表2。飽和煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小，比干燥煤體降低了14%左右；而飽和煤體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低了26%左右，彈性模量降低了43%。因此，長時間積水會大幅度降低煤體的強(qiáng)度，從而降低煤柱承載力與穩(wěn)定性，威脅礦井安全。

3" 防隔水煤柱寬度理論

開挖巷道使煤柱內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)重分布。Wilson在核區(qū)強(qiáng)度不等理論基礎(chǔ)上，依據(jù)煤柱的力學(xué)形態(tài)，將煤柱分為3部分，分別為兩側(cè)的塑性區(qū)和中間彈性核區(qū)。而積水采空區(qū)側(cè)煤柱由于長期受到積水影響，強(qiáng)度降低，因此在研究防隔水煤柱時，需要同時考慮上覆巖層和采空區(qū)積水對煤柱的影響。防隔水煤柱結(jié)構(gòu)如圖4所示。γ為上覆巖層容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；K1為巷道側(cè)煤柱應(yīng)力集中系數(shù)；K2為采空區(qū)側(cè)煤柱應(yīng)力集中系數(shù)。

防隔水煤柱的留設(shè)寬度為

L=l1+l2+l3

（1）

式中" L為煤柱寬度，m；l1為巷道側(cè)塑性區(qū)寬度，m；l2為彈性核區(qū)寬度，m；l3為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m。

3.1" 巷道側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度

為了對巷道側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度進(jìn)行研究，假設(shè)如下：①煤體符合連續(xù)、均勻、各向同性及完全彈性；②研究在平面應(yīng)變情況下進(jìn)行；③煤體受剪切而發(fā)生塑性破壞。

建立計算模型如圖5所示。

圖5中Px為巷道側(cè)支護(hù)力，MPa；h為煤層開采厚度，m；σx為極限平衡區(qū)內(nèi)水平應(yīng)力，MPa；τxy為煤層界面間的剪應(yīng)力，MPa。

其滿足平面應(yīng)力微分方程如下

σxx+τxyy=0

σyy+τxyx=0

（2）

當(dāng)煤柱發(fā)生破壞時，應(yīng)力滿足應(yīng)力極限平衡條件，即摩爾-庫倫準(zhǔn)則

τ=σtanφ+c

（3）

式中" c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

則基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則推導(dǎo)出的巷道側(cè)塑性區(qū)寬度計算公式為［25］

l1=λh2tanφlnK1γH+ctanφctanφ+Pxλ

（4）

式中" λ為側(cè)壓系數(shù)。

λ=1－sinφ1+sinφ

（5）

煤層埋深H為450 m，上覆巖層容重γ取25 kN/m3，支護(hù)力Px為0.12 MPa；開采厚度h=12 m。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果最大為17.38 MPa，則應(yīng)力集中系數(shù)K1=17.38/11.25≈1.6。

其余參數(shù)根據(jù)表2選取平均值代入式（5），計算得巷道側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為

l1=2.74 m

3.2" 采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度

積水采空區(qū)側(cè)煤體不僅承受了礦山壓力，還受到水的物理和化學(xué)作用，水對煤體的影響在宏觀上表現(xiàn)為煤體強(qiáng)度的減弱，因此，通過引入煤體強(qiáng)度弱化系數(shù)研究水對煤體的影響［24］。

弱化系數(shù)定義為

η=σwσc

（6）

式中" σw為飽和煤樣的抗壓強(qiáng)度，MPa；σc為干燥煤樣的抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)試驗結(jié)果，采空區(qū)側(cè)煤體強(qiáng)度弱化系數(shù)取0.74，則積水采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度計算公式為

l3=（1+η）λh2tanφlnK2γH+ctanφctanφ+Pxλ

（7）

由于采空區(qū)內(nèi)已充滿積水，無法進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。而隨應(yīng)力集中系數(shù)增大，設(shè)計煤柱穩(wěn)定性越高，因此為了保證煤柱的安全性，采空區(qū)側(cè)煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)K2根據(jù)巷道側(cè)煤柱的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及礦井相關(guān)資料，取1.6～2.8進(jìn)行計算。研究發(fā)現(xiàn)［26］，隨著含水率的增加，錨固劑的錨固作用逐漸降低，當(dāng)達(dá)到飽和時，錨固劑失效。采空區(qū)側(cè)因為長時間積水，其已達(dá)到飽和，此時錨固劑失效，此時支護(hù)力取Px=0。詳細(xì)計算結(jié)果見表3。

3.3" 彈性核區(qū)寬度

在工作面回采過程中會產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以煤柱邊緣產(chǎn)生變形破壞，因此要確保回采工作安全穩(wěn)定進(jìn)行，煤柱留設(shè)寬度需大于煤柱兩側(cè)產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度與煤柱保持穩(wěn)定的最小彈性核區(qū)寬度之和［27］。為計算煤柱最小的彈性核區(qū)寬度提出以下假設(shè)：①煤巖為各向同性、均勻連續(xù)、小變形的彈性體材料；②煤柱邊緣破壞后產(chǎn)生的塑性區(qū)均不再承受荷載；③荷載在彈性核區(qū)均勻分布。

根據(jù)威爾遜煤柱承載理論，認(rèn)為煤柱主要承擔(dān)2部分荷載：一部分是由煤柱和巷道一側(cè)實(shí)體煤共同承擔(dān)的巷道上覆巖層荷載；另一部分是由于工作面回采后，采空區(qū)垮落之后由煤柱承擔(dān)的部

分荷載。在采空區(qū)側(cè)距離煤柱邊緣0.3H處所承擔(dān)的

荷載恢復(fù)到γH。彈性核區(qū)煤柱寬度模型如圖6所示。

彈性核區(qū)單位長度承擔(dān)荷載計算公式為

P=γHa2+l1+l3+l2+g

（8）

式中" a為巷道寬度，m；d為采空區(qū)寬度，m；當(dāng)采空區(qū)寬度小于0.6H時，g取d/4（2-d/0.6H），采空區(qū)寬度大于0.6H時g取0.15H。

則煤柱走向單位長度核區(qū)平均應(yīng)力為

σ=Pl2=γHa2+R+l2+gl2

（9）

Bieniawski關(guān)于煤體強(qiáng)度的計算公式為［28］

Sp=δ0.64+0.36R+l2mb

（10）

式中" δ為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；m為煤柱高度，m；當(dāng)煤體高寬比大于等于5時，b為1.4；當(dāng)煤體高寬比小于5時，b為1。

聯(lián)立式（9）和式（10），彈性核區(qū)寬度計算式為

l2=s+s2+4a2+l1+l3+gnγH2n

（11）

其中

s=γH－0.64δ－0.36δm

（12）

n=0.36δm

（13）

a=5.2 m；m=3.5 m；采空區(qū)寬度d=200 m，則g=d/4（2-d/0.6H）。煤柱的抗壓強(qiáng)度δ=17.83 MPa。

其余參數(shù)取平均值，將參數(shù)代入求得煤柱的彈性核區(qū)寬度見表4。

將求得的巷道側(cè)塑性區(qū)寬度、采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度及彈性核區(qū)寬度代入式（1）進(jìn)行計算，可知煤柱留設(shè)寬度應(yīng)不小于26.44 m。

4" 不同煤柱寬度下的數(shù)值模擬

4.1" 模擬模型的建立

為進(jìn)一步分析不同煤柱寬度情況下的應(yīng)力與破壞情況，通過FLAC3D對煤柱進(jìn)行分析［29］。根據(jù)工程資料可知，煤柱采空區(qū)側(cè)大面積積水，煤柱靠近采空區(qū)側(cè)部分煤體可稱為飽和煤體；而煤柱其余部分為非飽和煤體。根據(jù)理論計算結(jié)果采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為5.01～6.6 m，由于現(xiàn)場測量2303采空區(qū)和2305工作面間泄水巷寬度為8 m，考慮測試誤差，將飽和煤體選定為采空區(qū)側(cè)9 m范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行模擬。在具體建模時，飽和煤體的參數(shù)根據(jù)試驗中得到的參數(shù)進(jìn)行選取，其余參數(shù)根據(jù)礦井工程資料進(jìn)行選取，具體參數(shù)見表5。

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，整體模型尺寸為350 m×60 m×67 m（長×寬×高），如圖7所示。模型在x軸、y軸施加約束，位移為零，頂部為自由邊界。在模型上部施加10.0 MPa載荷模擬未建地層。計算模型采用彈塑性本構(gòu)模型，

摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則。模擬過程為：①巷道開挖；②

2303工作面回采；③2305工作面回采。結(jié)合理

論計算結(jié)果模擬煤柱寬度在22，24，26，28，30，32 m

時受回采影響下的應(yīng)力分布和塑性范圍，對理論確定的防隔水煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行驗證。

4.2" 模擬結(jié)果分析

4.2.1" 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力特征

2305工作面回采完畢后，不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布情況如圖8所示。回采結(jié)束后，圍巖出現(xiàn)塑性破壞，主要破壞形式為剪切破壞和拉伸破壞。煤柱兩側(cè)應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度增加，逐漸減小。煤柱寬度由22 m增長到32 m時，飽和煤體側(cè)應(yīng)力大于非飽和煤體側(cè)應(yīng)力。飽和煤體側(cè)應(yīng)力峰值分

別為63.70，59.59，55.00，52.71，50.07，48.32 MPa；

當(dāng)煤柱寬度達(dá)到28 m時，隨寬度增加煤體應(yīng)力峰值變化幅度降低，逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2.2" 不同寬度煤柱塑性破壞特征

2305回采結(jié)束后，不同寬度煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況如圖9所示。當(dāng)煤柱寬度為22 m時，飽和煤體側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為14 m，非飽和煤體側(cè)塑性區(qū)寬度為5 m，雖然此時塑性區(qū)并未貫通整個煤柱，但彈性核區(qū)寬度僅為3 m，無法保證巷道的穩(wěn)定性。隨著煤柱寬度的逐漸增大，飽和煤體與非飽和煤體側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度都在減小。當(dāng)煤柱寬度增大到28 m時，非飽和煤體側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為2 m，飽和煤體側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為6 m。此后隨煤柱寬度增加，塑性區(qū)寬度不再出現(xiàn)明顯變化。因此隨煤柱寬度的增加兩側(cè)塑性區(qū)寬度先減小后不變。

根據(jù)不同煤柱寬度情況下的應(yīng)力及塑性破壞情況，煤柱寬度在22～24 m時，煤柱塑性區(qū)寬度占比較大，彈性區(qū)較少，煤柱穩(wěn)定性較低；煤柱寬度28 m時，煤柱塑性區(qū)寬度占比較小，且有充足的彈性區(qū)；煤柱寬度在30～32 m時，煤柱塑性區(qū)寬度與煤柱寬度28 m時的塑性區(qū)寬度相同，僅增大了彈性區(qū)，具有充足的穩(wěn)定性，但資源有所浪費(fèi)；因此結(jié)合理論計算的最小留設(shè)寬度26.44 m，確定該礦的防隔水煤柱合理留設(shè)寬度為28 m。

5" 現(xiàn)場監(jiān)測

5.1" 監(jiān)測斷面布置

在2305運(yùn)輸順槽共布置2個監(jiān)測斷面，進(jìn)行煤柱應(yīng)力及變形破壞的監(jiān)測。

監(jiān)測斷面

位置如圖10所示。其中1#監(jiān)測斷面布置在距工作面55.6 m

處；2#監(jiān)測斷面布置在距工作面85.6 m處。

1#監(jiān)測斷面設(shè)置5個應(yīng)力孔，2個窺視孔。2#監(jiān)測斷面設(shè)置6個應(yīng)力孔，4個窺視孔。監(jiān)測孔之間間距為1 m，距底板高度為1.5 m，

通過鉆孔應(yīng)力計和鉆孔窺視儀分別對煤柱應(yīng)力及破壞情況進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測孔具體布置情況如圖11所示。

5.2" 監(jiān)測結(jié)果

5.2.1" 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

鉆孔應(yīng)力計安裝后，隨著回采的進(jìn)行，對煤柱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。整個回采過程中，1#監(jiān)測斷面應(yīng)力變化如圖12所示。

從圖12可以看出，1#監(jiān)測斷面各測點(diǎn)在距工作面48 m處受到回采影響，應(yīng)力出現(xiàn)變化，其中1 m測點(diǎn)的啟動值為13.15 MPa；2 m測點(diǎn)的應(yīng)力增長幅度最快，在距工作面30～35 m時，達(dá)到最大應(yīng)力值17.38 MPa。

在距工作面20 m時，3，5，7 m測點(diǎn)的應(yīng)力有明顯的下降趨勢，而1 m和2 m測點(diǎn)的應(yīng)力計示數(shù)有所上升，可以判斷，應(yīng)力從深部向淺部轉(zhuǎn)移；1 m和2 m

深處的應(yīng)力計讀數(shù)隨著回采的推進(jìn)在不斷

增加，表明1 m和2 m深處煤體擁有足夠的承載能力。

2#監(jiān)測斷面應(yīng)力變化如圖13所示。2#監(jiān)測斷面各測點(diǎn)應(yīng)力在距工作面53 m處受到回采影響，應(yīng)力出現(xiàn)變化。1 m測點(diǎn)應(yīng)力整個回采過程中不斷增大，距工作面40 m處增大幅度提高，在距工作面20 m處，達(dá)到應(yīng)力峰值15.59 MPa；2 m測點(diǎn)應(yīng)力在距工作面30 m處下降至12.47 MPa，之后應(yīng)力開始增長且速率較快，在距工作面7.5 m處達(dá)到應(yīng)力峰值15.79 MPa；在工作面靠近監(jiān)測斷面20 m時1 m處煤柱應(yīng)力最大。

5.2.2" 窺視監(jiān)測結(jié)果

用礦用鉆孔窺視儀對煤柱變形破壞情況進(jìn)行窺視監(jiān)測。1#監(jiān)測斷面窺視結(jié)果如圖14所示。鉆孔深度在0～0.8 m，煤體破碎，存在明顯裂隙；鉆孔深度在0.8～1.4 m，煤體破碎程度增加，裂隙增多；鉆孔深度在1.4～1.9 m，煤體破碎程度減緩，裂隙減少；鉆孔深度在1.9～2.4 m，存在微小裂隙；鉆孔深度大于2.4 m后，煤體無明顯裂隙。

2#監(jiān)測斷面窺視結(jié)果如圖15所示。鉆孔深度在0～0.6 m，煤體出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，破碎嚴(yán)重；鉆孔深度在0.6～0.9 m，煤體存在明顯裂隙；鉆孔深度在0.9～1.7 m，煤體形成破碎帶；鉆孔深度在1.7～2.1 m，煤體有少量裂隙；鉆孔深度大于2.1 m后，煤體無明顯裂隙。

根據(jù)1#監(jiān)測斷面與2#監(jiān)測斷面回采過程中煤柱內(nèi)部破壞情況的監(jiān)測結(jié)果，煤柱最大破壞深度為2.4 m。

6" 結(jié)" 論

1）飽和煤體與干燥煤體的參數(shù)差異性明顯。飽和煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小，與干燥煤體相比降低了14%；而飽和煤體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度降低了26%，彈性模量則降低了43%。

2）根據(jù)極限平衡理論、威爾遜煤柱承載理論與Bieniawski強(qiáng)度公式，并考慮水的影響確定煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度之和為7.75～9.34 m；彈性核區(qū)寬度為17.10～17.48 m，防隔水煤柱最小留設(shè)寬度為26.44 m。

3）FLAC3D數(shù)值模擬分析確定當(dāng)煤柱寬度為28 m時，兩側(cè)塑性區(qū)寬度達(dá)到最小值，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合理論計算結(jié)果，該礦防隔水煤柱留設(shè)寬度為28 m。

4）現(xiàn)場煤柱回采過程中煤柱應(yīng)力集中在煤壁向內(nèi)0～2.0 m，最大應(yīng)力為17.38 MPa，且淺部煤體應(yīng)力未出現(xiàn)明顯降低，表明淺部煤體具有足夠的承載能力；通過鉆孔窺視儀，發(fā)現(xiàn)煤柱的破壞范圍在0～2.4 m，之后煤體區(qū)域無明顯破壞，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果相近。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］" 吳立新，王金莊，郭增長.煤柱設(shè)計與監(jiān)測基礎(chǔ)［M］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.［2］劉忠平，高亮，張金貴，等.柔模墻沿空留巷災(zāi)害一體化防治技術(shù)研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2024，51（1）：36-42.

LIU Zhongping，GAO Liang，ZHANG Jingui，et al.Research on integrated prevention and control technology of disaster by gob-side entry retaining with flexible formwork wall［J］.Mining Safety amp; Environmental Protection，2024，51（1）：36-42.［3］

邢闖闖，王俊，寧建國，等.動載擾動下深井護(hù)巷煤柱失穩(wěn)破壞機(jī)理［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2023，51（3）：29-36.

XING Chuangchuang，WANG Jun，NING Jianguo，et al.Instability failure mechanism of coal pillar in deep mine under dynamic disturbance［J］.Coal Science and Technology，2023，51（3）：29-36.［4］

王朋飛，常通，盧俊宇，等.再論負(fù)煤柱巷頂沿空掘巷合理位置及其圍巖主動控制原理［J］.煤炭學(xué)報，2023，48（2）：593-608.

WANG Pengfei，CHANG Tong，LU Junyu，et al.Re-discussion on reasonable position and support technology of entry driven under the gob edge of previous split-level longwall panel［J］.Journal of China Coal Society，2023，48（2）：593-608.［5］

楊壯.煤柱型沖擊地壓啟動應(yīng)力條件判別與防治措施研究［J］.煤炭工程，2023，55（5）：57-62.

YANG Zhuang.Starting stress condition discrimination and prevention measures of coal pillar rockburst［J］.Coal Engineering，2023，55（5）：57-62.［6］

呂曉波.采動應(yīng)力影響條件下護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸研究［J］.煤礦安全，2019，50（12）：189-191，196.

LV Xiaobo.Study onretaining size of coal pillar in roadway under mining-induced stress［J］.Safety in Coal Mines，2019，50（12）：189-191，196.［7］

王琳，王廣宏，董靜.大傾角煤層長壁工作面區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)模擬［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2016，43（6）：74-77.

WANG Lin，WANG Guanghong，DONG Jing.Simulation of section coal pillar size reserved for longwall face of steeply inclined coal seam［J］.Mining Safety amp; Environmental Protection，2016，43（6）：74-77.［8］

張偉光，張騰飛，陳俊智，等.近距離煤層群開采遺留煤柱下沿空掘巷煤柱寬度研究［J］.新疆地質(zhì)，2022，40（4）：542-547.

ZHANG Weiguang，ZHANG Tengfei，CHEN Junzhi，et al.Study on the width of coal pillar in goaf roadway under short seam group mining［J］.Xinjiang Geology，2022，40（4）：542-547.［9］劉建軍，張焦，田野，等.基于煤厚變化的分區(qū)域合理煤柱尺寸及控制技術(shù)研究［J］.煤炭工程，2022，54（11）：41-47.

LIU Jianjun，ZHANG Jiao，TIAN Ye，et al.Reasonable coal pillar size and control technology in different regions based on coal seam thickness variation［J］.Coal Engineering，2022，54（11）：41-47.［10］張宏，姜澤，樊建宇，等.基于Salamon模型的采空區(qū)應(yīng)力響應(yīng)特征及區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2022，42（9）：79-83.

ZHANG Hong，JIANG Ze，F(xiàn)AN Jianyu，et al.Stress response characteristics of goaf based on Salamon model and reasonable reserved width of sectional coal pillars［J］.Mining Research and Development，2022，42（9）：79-83.［11］任建喜，林海，易歸，等.淺埋綜采工作面區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（14）：5562-5568.

REN Jianxi，LIN Hai，YI Gui，et al.Optimization of coal pillar width in shallow-buried fully-mechanized coal face［J］.Science Technology and Engineering，2022，22

（14）：5562-5568.［12］華照來，程利興，任建超，等.堅硬頂板回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及煤柱優(yōu)化［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2023，43（6）：1063-1070.

HUA Zhaolai，CHENG Lixing，REN Jianchao，et al.Mine pressure behavior law and coal pillar optimization in hard roof mining roadway［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2023，43（6）：1063-1070.［13］孟祥軍，趙鵬翔，王緒友，等.傾斜厚煤層沿空掘巷窄煤柱留設(shè)尺寸及圍巖控制技術(shù)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2022，42（3）：413-422.

MENG Xiangjun，ZHAO Pengxiang，WANG Xuyou，et al.Reasonable width of narrow coal pillars and control technology of surrounding rock of gob-side entry in inclined thick coal seam［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2022，43（3）：413-422.

［14］徐東晶，施龍青，邱梅，等.BP和RBF在斷層防水煤柱留設(shè)寬度預(yù)測中的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2013，41（4）：66-69.

XU Dongjing，SHI Longqing，QIU Mei，et al.Prediction of remained pillar against water-inrush from fault by using BP and RBF neural networks.［J］.Coal Geology amp; Exploration，2013，41（4）：66-69.［15］

劉增輝，王帥帥，黃順杰，等.高應(yīng)力厚煤層不同寬度護(hù)巷煤柱數(shù)值模擬研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2021，41（3）：46-51.

LIU Zenghui，WANG Shuaishuai，HUANG Shunjie，et al.Numerical simulation research on coal pillars with different width protection in high-stress thick coal seam［J］.Mining Research and Development，2021，41（3）：46-51.［16］宋平，龐新坤，劉宏軍.區(qū)段煤柱留設(shè)合理寬度FLAC3D數(shù)值模擬研究［J］.中國礦業(yè)，2019，28（3）：78-81，86.

SONG Ping，PANG Xinkun，LIU Hongjun.Study on the reasonable width of section coal pillar by using FLAC3D numerical simulation［J］.China Mining Magazine，2019，28（3）：78-81，86.［17］

王偉，梁家豪.區(qū)段煤柱合理寬度的數(shù)值模擬研究［J］.煤炭技術(shù)，2019，38（9）：20-23.

WANG Wei，LIANG Jiahao.Study on numerical simulation of reasonable width section coal pillar［J］.Coal Technology，2019，38（9）：20-23.［18］谷拴成，張志飛，楊超凡，等.考慮煤巖體成拱效應(yīng)的工作面區(qū)段煤柱合理尺寸研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2021，17（9）：77-83.

GU Shuancheng，ZHANG Zhifei，YANG Chaofan，et al.Study on reasonable size of coal pillars in working face section considering arching effect of coal and rock mass［J］.Journal of Safety Science and Technology，2021，17（9）：77-83.［19］張金貴，程志恒，陳昊熠，等.區(qū)段煤柱留設(shè)寬度分析及優(yōu)化——以崖窯峁煤礦為例［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（10）：60-67.

ZHANG Jingui，CHENG Zhiheng，CHEN Haoyi，et al.Analysis and optimization of remaining width of coal pillars in the section of Yayaomao coal mine［J］.Coal Science and Technology，2022，50（10）：60-67.［20］

HE W，HE F，ZHAO Y.Field and simulation study of the rational coal pillar width in extra-thick coal seams［J］.Energy Science amp; Engineering，2020，8（3）：627-646.［21］

GAO W.Study on the width of the non-elastic zone in inclined coal pillar for strip mining［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2014，72：304-310.［22］

WANG B，DANG F，GU S，et al.Method for determining the width of protective coal pillar in the pre-driven longwall recovery room considering main roof failure form［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2020，130：104340.［23］

張杰，白文勇，王斌，等.淺埋煤層孤島工作面區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2021，41（6）：

988-996.

ZHANG Jie，BAI Wenyong，WANG Bin，et al.Width optimization of section coal pillar in the island working face of shallow coal seam［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2021，41（6）：988-966.［24］

師維剛，張嘉凡，張慧梅，等.防水隔離煤柱結(jié)構(gòu)分區(qū)及合理寬度確定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2017，36（5）：1227-1237.

SHI Weigang，ZHANG Jiafan，ZHANG Huimei，et al.Structural division and determination of rational width for waterproof partition coal pillar［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（25）：1227-1237.［25］侯朝炯，馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討［J］.煤炭學(xué)報，1989，15（4）：21-29.

HOU Chaojiong，MA Nianjie.Stress in in-seam roadway sides and limit equilibrium zone［J］.Journal of China Coal Society，1989，15（4）：21-29.［26］榮浩宇，王偉，李桂臣，等.巖石-錨固劑結(jié)構(gòu)水化失穩(wěn)微觀力學(xué)特性［J］.巖土力學(xué)，2023，44（3）：784-798.

RONG Haoyu，WANG Wei，LI Guichen，et al.Micromechanical characteristics of hydration instability of rock-anchorage agent structure［J］.Rock and Soil Mechanics，2023，44（3）：784-798.

［27］

孫學(xué)陽，夏玉成.采煤工作面內(nèi)及區(qū)段間煤柱寬度的理論計算［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2008，28（1）：15-18.

SUN Xueyang，XIA Yucheng.Calculation of width of coal pillar at working face and stage coal pillar［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28（1）：15-18.

［28］鄭曉娟，王云飛.強(qiáng)度準(zhǔn)則對不同巖性破壞強(qiáng)度的適用性研究［J］.礦冶，2020，29（5）：5-9.

ZHENG Xiaojuan，WANG Yunfei.Study on the application of different strength criteria for different lithology failure strength［J］.Mining ＆ Metallurgy，2020，29（5）：5-9.

［29］劉鑫.孤島工作面水侵沿空巷道圍巖穩(wěn)控技術(shù)研究［J］.工礦自動化，2021，47（9）：118-125.

LIU Xin.Research on stability control technology of surrounding rock along goaf roadway with water intrusion in isolated island working face［J］.Industry and Mine Automation，2021，47（9）：118-125.

彭林軍，吳家遙，何滿潮，等.深部特厚煤層綜放沿空掘巷煤柱優(yōu)化及巷道支護(hù)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2024，44（3）：563-574.

PENG Linjun，WU jiayao，HE Manchao，et al.Optimization of coal pillar and tunnel support for fully mechanized caving along gob in deep and extra thick coal seams［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（3）：563

-574.

（責(zé)任編輯：劉潔）