根据煤层裂隙分布情况、结构破坏程度以及承载能力，可将上区段巷帮外侧煤体沿倾向依次划分为严重破裂区（A）、破坏不明显区（B）和完整区（C），见图3。图中，A区煤体裂隙发育、结构严重破坏，无承载能力；B区煤体具有一定承载能力，裂隙不发育，结构破坏不明显；C区煤体承载能力较好，结构未破坏，裂隙不发育。为防止采空区内瓦斯溢出、残煤自燃等次生灾害的发生，窄小煤柱巷道应布置在B区或C区内，可见A区宽度是确定小煤柱巷道位置的重要依据。
8.67m。
考虑到开采扰动的影响，煤体侧帮产生松动破坏，导致支承压力峰值向深部移动。结合大量观测则x=资料及数值模拟的分析，取扰动系数k=1.65，
kx0=14.31m。3.2
倾向支承压力分布的现场实测
全面掌握大采高综放面倾向支承压力分布规律，是确定煤柱尺寸、正确选择巷道位置的依据。在运输平巷为获得8103面倾向支承压力分布特征，
下侧未采实体煤内安设了多个KSE型钻孔应力计，实测倾向支承压力在回采期间的变化情况。共布置
5个测站，间距为10m，每个测站各安装6个钻孔应力计，钻孔间距2m。对现场监测数据整理如图
2所示。
2.0应力集中系数
1.61.20.80.400
5
10
15
20
25
30
C区B区A区
与巷帮侧距离/m
Fig.2
图2倾向支承压力分布
Distributionofsideabutmentpressure
图3综放面倾向煤体结构分区示意图Fig.3Sketchofsidecoalseamstructuresof
fully-mechanizedcavingface
由图2可见，8103面回采后在沿煤层倾斜方向上的煤岩体内形成倾向支承应力分布带。沿倾向基本上都存在应力峰值，距工作面不同位置处倾向应力峰值位置基本无变化。沿工作面倾斜方向，支承
通过工程类比简单确定8103工作面采空区外侧A区宽度：河南某矿综放工作面采放厚度为20m，采用注水测漏法对区段煤柱破裂区进行测定，获得
A区宽度约为5m。8103工作面采放厚度为15m，
增刊2孔德中等：大采高综放面区段煤柱合理留设研究
表1岩层的物理力学参数
463
且工作面端头不放煤，冒落的顶煤有利于限制煤柱变形，所以推断工作面采空区外侧A区宽约4m。
区段煤柱可有4种留设方案：在应力降低区留设6m小煤柱、8m小煤柱和在原岩应力区留设
28m大煤柱和30m大煤柱，如图4
所示。
5.1不同煤柱宽度的煤柱垂直应力分布规律
8104工作面回采时，不同煤柱宽度的垂直应力分布云图如图6所示。为了得到下区段工作面回采时不同煤柱宽度煤柱支承压力分布特征，对工作面推进60m时煤柱和巷道的垂直应力进行监测，导
8m小煤柱6m小煤柱30m大煤柱
28m大煤柱
极限平衡区
8103下巷
入excel处理后曲线如图7、8所示。区段煤柱内的垂直应力在巷道开掘后重新分布，在8104工作面采动影响下再次分布，煤柱宽度对垂直应力分布影响较大。
由图6～8可以看出，（1）工作面前方煤柱沿走向方向上的垂直应力先增大后减小，峰值点在工作面前方14.3～15.7m，小煤柱宽度为6m时的峰值应力是12MPa；当小煤柱宽度由6m增加到8m时，峰值应力由12MPa增加到18MPa；大煤柱宽28m时，煤柱峰值应力为22MPa，大煤柱宽30m时峰值应力为28MPa。
图4煤柱留设方案简图
Fig.4Designschemesofcoalpillar
5不同煤柱宽度的数值模拟分析
合理的煤柱宽度不仅要保证煤柱在巷道掘进、下区段工作面采动过程中具有一定的承载能力，不发生失稳，而且要保证巷道在采动影响下稳定性较好[12
－15]
。因此，研究区段煤柱的合理宽度时应充分
考虑8104工作面回采对其的影响，本文以8104工作面回采后对煤柱和巷道的稳定性影响为切入点进行分析，采用FLAC3D模拟上述方案（6、8m小煤柱，28、30m大煤柱）下煤柱和巷道应力场、位移场以及破坏场的分布和演化规律。
建立如图5所示的计算模型。模型长200m，宽400m，高100m，共划分288693个节点和262500个单元体。模型前后左右和底部为对位移边界进行固定，上部施加10.5MPa的均布载荷。数值计算采用的岩层物理力学参数见表1
。
(a)6m煤柱
(b)8m煤柱
(c)28m煤柱(d)30m煤柱
图6
Fig.5
图5数值计算模型
Modelofnumericalcalculation
不同煤柱宽度垂直应力分布云图（单位：MPa）Fig.6Verticalstressdistributionofdifferent
coalpillarwidths(unit:MPa)
464岩土力学2014年
2.00应力集中系数
1.601.200.800.400.00
5
10
15
20
25
30
间8～25m内为应力增高区；大煤柱宽30时，煤柱上端0～8m和靠近本工作面巷道侧煤柱下端0～
5m内为应力降低区，煤柱中间8～25m为应力增高区。
5.2不同煤柱宽度的位移场规律
图9、10分别为巷道在无支护状态下巷道顶底板和两帮相对移近量随煤柱宽度变化曲线。由图中可以看出，（1）巷道顶底板移近量沿走向方向随着据工作面距离增加而减小，靠近工作面处最大。巷道顶底板移近量随煤柱宽度的增加而减小，且当小煤柱宽6～8m时，移近量最大值为1200mm，当大煤柱宽28～30m时，移近量最大才280～300mm；（2）巷道两帮移近量沿走向方向随着据工作面距离增加先增加而后减小，工作面处前方15m处最大。巷道顶底板移近量随煤柱宽度的增加而减小，且当
与采空区距离/m
Fig.7
图7煤柱倾向垂直应力分布
Sideabutmentpressuredistributionofdifferentcoalpillarwidths
1
2
3
4
-4-3-2-1
小煤柱宽6～8m时，移近量最大为1000mm多，且当大煤柱宽28～30m时，移近量最大才为380～
与巷道中心距离/m
巷道顶底板移近量/mm
图8巷道垂直应力分布
Fig.8Verticalstressdistributionofroadway
underdifferentcoalpillarwidths
400mm
。
110
10
20
30
40
50
60
70
与工作面距离/m
（2）煤柱沿倾向方向上的垂直应力分布规律具有支承压力分布的特征。小煤柱宽6m时，支承压力分布呈单驼峰形状；小煤柱宽8m时，支承压力分布呈双驼峰形状；大煤柱宽28、30m时，支承压力分布没有呈现出明显的呈双驼峰形状；小煤柱宽6m时，垂直应力峰值集中系数为0.84，小煤柱宽由6m增加为8m时，垂直应力峰值集中系数由
图9不同煤柱宽度巷道顶底板移近量Fig.9Roof-to-floorconvergenceofroadwayof
differentpillar
widths
1400120010008006004002000
10
20
30
40
50
与工作面距离/m
0.84变为8.6；大煤柱宽28m时垂直应力峰值集中系数为1.79，大煤柱宽30m时垂直应力峰值集中
（3）工作面推进60m处，工作面前方10m处巷道沿倾向方向上垂直应力随着距离巷道中心线（以巷道中线为y轴，靠近煤柱侧为负，远离煤柱侧为正）的距离增加而增加，巷道中心所处的应力值最小，最大值在巷道边缘处。小煤柱宽6m时巷道垂直应力最大值为7.95MPa，宽8m时为
巷帮移近量/mm
系数为1.93。
6070
8.28MPa；大煤柱宽28m时巷道垂直应力最大值为9.93MPa，宽30m时巷道垂直应力最大值为
Fig.10
图10不同煤柱宽度巷道两帮近量
Convergenceoflanesofdifferentpillarwidths
9.84MPa。
由此可见，由于原岩应力为11.6MPa，4种不同煤柱宽度，巷道都处在应力降低区内。然而，煤柱所处的应力分区则因煤柱宽度不同而不同：小煤柱宽6～8m时，整个煤柱完全处在应力降低区内；大煤柱宽28时，煤柱上端0～8m和靠近本工作面巷道侧煤柱下端0～3m内为应力降低区，煤柱中
5.3不同煤柱宽度的塑性破坏分布规律
为了得到煤柱在8104面采动影响下变形破坏情况，截取如图11所示的剖面，为不同煤柱宽度时煤层平面内煤体的破坏变形情况。
由图11中可以看出，（1）小煤柱宽6m时，塑性破坏区沿煤柱倾向贯穿整个煤柱，煤柱破坏程度较严重，煤柱几乎无承载能力；小煤柱宽8m时，
增刊2孔德中等：大采高综放面区段煤柱合理留设研究465
塑性破坏区沿煤柱倾向几乎贯穿整个煤柱，但相比高资源回收率、保证巷道稳定、控制次生灾害和防止冲击地压为原则，侧支承压力分布规律和煤体完整性分区是确定大采高综放开采区段煤柱宽度合理留设方案的前提。
（2）8103面倾向支承压力应力降低区在巷帮侧
6m小煤柱，破坏程度较稍轻，煤柱有少许承载能力。（2）大煤柱宽28m时，塑性破坏区沿煤柱倾向未贯穿整个煤柱，煤柱中间有8～10m的弹性核，煤柱具有较高的承载能力；大煤柱宽度为30m时，塑性破坏区沿煤柱倾向未贯穿整个煤柱，煤柱中间有9～12m
的弹性核，煤柱承载能力较强。
6～8m，应力增高区在8～28m，原岩应力区在28m外的范围，通过工程类比得出，倾向媒体破坏严重区为0～4m。结合侧支承压力分布规律和煤体（小煤柱6、完整性分区初步确定4种煤柱留设方案
8m，大煤柱28、30m）。
（3）运用FLAC3D模拟4种宽度煤柱在采动影响下巷道和煤柱应力场、位移场、塑性破坏场分布特征，并综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素，确定大采高综放工作面区段煤柱合理宽度为28m。
参考文献
(a)6m煤柱
(b)8m
煤柱
[1]谢广祥,杨科,刘全明.综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(3):45－549.
XIEGuang-xiang,YANGKe,LIUQuan-ming.Studyondistributionlawsofstressininclinedcoalpillarforfully-mechanized
top-coal
caving
face[J].
Chinese
JournalofRockMechanicsandEngineering,2006,25(3):545－549.
[2]
(c)28m煤柱
(d)30m煤柱
王卫军,侯朝炯,李学华.老顶给定变形下综放沿空掘巷合理定位分析[J].湘潭矿业学院学报,2001,16(2):1－4.
WANGWei-jun,HOUChao-jiong,LIXue-hua.Positionanalysisofroaddrivingalongnextgoafundergivendeformationofthemainroofinsublevelcavingface[J].JournalofXiantanMinningInstitute,2001,16(2):1－4.
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