综采工作面沿空掘巷煤柱尺寸的合理留设，不仅关系到工作面的安全回采和巷道的稳定性，也是当前矿井安全、高效开采的主要问题之一。在设计煤柱宽度时，应充分考虑由于煤柱宽度过大而造成的高应力环境和资源浪费，以及由于煤柱较窄而使巷道围岩失稳造成严重的生产事故。本文就以上难题，针对利民煤矿综采工作面沿空掘巷煤柱留设情况，对利民煤矿工作面煤柱宽度合理设计和巷道支护参数展开了系统研究。

本文采用室内试验、理论分析、回归分析、数值计算和工业性试验的方法，获取了利民煤矿Ⅰ030901工作面煤岩样物理力学参数，分析了综采工作面沿空掘巷围岩结构特征和运移规律，建立弧形三角关键块力学结构模型，计算得出沿空巷道的相对空间位置约在12.3m内；从宏观和本质两个维度出发，归纳总结得到影响护巷煤柱宽度留设的6个回归分析因子，借助Matlab软件研究回归因子与煤柱宽度的关联度和数学关联，建立回归预测模型，初步确定护巷煤柱尺寸范围；在此基础上结合数值模拟设计8种不同窄煤柱计算方案，分析沿空巷道应力场和围岩位移分布规律，综合确定了沿空掘巷合理煤柱宽度为5m；并针对掘巷后巷道围岩浅部和煤柱帮围岩变形较大问题，提出采用非对称“锚-网-索”联合级式支护方案。经现场工业性试验，对沿空巷道表面移近量和锚杆（索）受力进行监测数据分析，巷道整体围岩变形较小，支护体承载均在屈服范围内，表明留设的煤柱宽度和巷道支护方案是合理的。

研究成果在利民煤矿成功应用，取得了较好的经济技术效益。本文以多种方法相结合的研究方式，不仅对利民煤矿安全高效开采提供了理论依据，也对相似工程地质条件下沿空掘巷窄煤柱宽度设计和围岩控制具有一定的指导意义。

The reasonable setting of coal pillar size of gob-side roadway in fully mechanized mining face is not only related to the safety of mining face and the stability of roadway, but also one of the main problems of safe and efficient mining at present. When designing the width of coal pillar, the high stress environment and waste of resources caused by the large width of coal pillar and the serious production accidents caused by the instability of surrounding rock of roadway due to the narrow width of coal pillar should be fully considered. In view of the above problems, this paper makes a systematic study on the reasonable design of coal pillar width and roadway support parameters of fully mechanized working face in Limin coal mine, aiming at the condition of coal pillar setting in gob-side roadway of fully mechanized working face.

By means of laboratory test, theoretical analysis, regression analysis, numerical calculation and industrial test, the physical and mechanical parameters of coal rock samples in limin Coal mine I030901 working face are obtained. The structural characteristics and migration rule of surrounding rock in gob-side excavation of fully mechanized mining face are analyzed, and the mechanical structure model of arc-shaped triangular key blocks is established. The relative space position of roadway along goaf is about 12.3m. Starting from two dimensions of macro and essence, six regression analysis factors affecting the width of coal pillar in roadway protection are summarized. The correlation degree and mathematical correlation between regression factors and coal pillar width are studied by Matlab software, and a regression prediction model is established to preliminarily determine the size range of coal pillar in roadway protection. On this basis, 8 different calculation schemes of narrow coal pillars were designed in combination with numerical simulation. The stress field and surrounding rock displacement distribution of gob-side roadway were analyzed, and the reasonable coal pillar width of gob-side roadway was comprehensively determined as 5m. Aiming at the large deformation problem of shallow surrounding rock of roadway and surrounding rock of pillar wall after excavation, the asymmetric bolt-net-cable combined support scheme is proposed. According to the field industrial test, the monitoring data of the roadway surface movement and the force of anchor bolt (cable) are analyzed. The deformation of surrounding rock is small, and the bearing capacity of supporting body is within the yield range, which indicates that the width of coal pillar and roadway support plan are reasonable.

The research results were successfully applied in Limin Coal Mine and achieved good economic and technical benefits. The research method combined with various methods in this paper not only provides a theoretical basis for the safe and efficient mining of Limin Coal Mine, but also has certain guiding significance for the narrow coal pillar width design and surrounding rock control of gob-side roadway under similar engineering geological conditions.

参考文献

[1]缪协兴, 钱鸣高. 中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J]. 采矿与安全工程学报, 2009,26(01):1-14.

[2]袁亮. 我国煤炭资源高效回收及节能战略研究[J]. 中国矿业大学学报(社会科学版), 2018,20(01):3-12.

[3]薛黎明, 王豪杰, 朱兵兵, 沈文龙, 郑志学, 葛英辉, 徐翠云. 煤炭资源可持续力评价与系统协调发展分析[J]. 经济地理, 2020,40(01):114-124.

[4]杨艳国, 范楠, 潘军, 高仙, 王婷婷. 特厚煤层沿空掘巷合理留设小煤柱的试验研究[J].中国安全生产科学技术, 2017,13(12):104-110.

[5]He Manchao, Zhang Guofeng, Yu Xueping, et al. Research on the technique of no-pillar mining with gob-side entry formed by advanced roof caving in the protective seam in baijiaomine[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2011,21(4):511-513.

[6]祁方坤. 掘采全过程综放沿空巷道围岩变形机理及控制技术[D]. 中国矿业大学, 2016.

[7]华心祝. 我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议[J]. 煤炭科学技术, 2006(12):78-81.

[8]柏建彪, 周华强, 侯朝炯,涂兴子, 岳殿召. 沿空留巷巷旁支护技术的发展[J]. 中国矿业大学学报, 2004(02):59-62.

[9]侯朝炯. 沿空掘巷围岩控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 2006:20-30

[10]Guorui Feng, Pengfei Wang. Stress environment of entry driven along gob-side through numerical simulation incorporating the angle of break[J].International Journal of Mining Science and Technology, 2020,30(02):189-196.

[11]Bin Yu, Zhenyu Zhang, Tiejun Kuang, Jinrong Liu. Stress Changes and Deformation Monitoring of Longwall Coal Pillars Located in Weak Ground[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2016,49(8):213-221.

[12]Kang H. Support technologies for deep and complex roadways in underground coal mines: a review[J]. International Journal of Coal Science & Technology, 2014,1(3):261-277.

[13]钱鸣高, 石平五, 许家林. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 2010.

[14]钱鸣高, 缪协兴. 采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J]. 岩石力学与工程学报, 1995(02):97-106.

[15]缪协兴, 钱鸣高.采场围岩整体结构与砌体梁力学模型[J]. 矿山压力与顶板管理, 1995(Z1):3-12+197.

[16]侯朝炯, 李学华. 综放沿空掘巷围岩大､小结构的稳定性原理[J]. 煤炭学报, 2001,(01):1-7.

[17]张源, 万志军, 李付臣, 贺中海, 周长冰, 刘渝, 荣同义. 不稳定覆岩下沿空掘巷围岩大变形机理[J]. 采矿与安全工程学报, 2012,29(04):451-458.

[18]黄庆享, 赵萌烨, 黄克军. 浅埋煤层群开采顶板双关键层结构及支护阻力研究[J]. 中国矿业大学学报, 2019,48(01):71-77+86.

[19]王红胜. 沿空巷道窄帮蠕变特性及其稳定性控制技术研究[D]. 江苏徐州,中国矿业大学, 2011.

[20]谢广祥, 范浩, 王磊. 浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用[J]. 煤炭学报, 2019,44(10):2945-2952.

[21]杨达明, 郭文兵, 于秋鸽, 谭毅, 邓伟男. 浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构特性及演化机制分析[J]. 采矿与安全工程学报, 2019,36(02):323-330.

[22]韩承强, 张开智, 徐小兵, 李大勇, 解品洲. 区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2007(03):370-373.

[23]Zheng XG, Zhang N, Yuan L, et al. Method and application of simultaneous pillar-less coal mining and gas extraction by staged gob-side entry retaining[J]. China Univ Min Technol, 2012,41(3):390–396.

[24]柏建彪, 王卫军, 侯朝炯, 黄汉富. 综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究[J]. 煤炭学报, 2000(05):478-481.

[25]高浩, 崔廷锋, 张魁, 徐新斌. 留小煤柱沿空掘巷技术[J]. 煤矿安全, 2012,43(04):106-109.

[26]杨伯达. 五家沟矿特厚煤层区段煤柱参数及采动平巷支护研究[D]. 中国矿业大学(北京), 2014.

[27]王书文, 毛德兵, 潘俊锋, 陈继刚, 陈法兵, 蓝航. 采空区侧向支承压力演化及微震活动全过程实测研究[J]. 煤炭学报, 2015,40(12):2772-2779.

[28]杨永杰, 段会强, 刘传孝, 郝以瑞. 考虑长期稳定性的深井采区上山保护煤柱合理留设[J]. 采矿与安全工程学报, 2017,34(05):921-927+932.

[29]祁方坤, 周跃进, 曹正正, 张奇, 李宁. 综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度优化设计研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2016,33(03):475-480.

[30]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(03):545-549.

[31]郭力群, 彭兴黔, 蔡奇鹏. 基于统一强度理论的条带煤柱设计[J]. 煤炭学报, 2013,38(09):1563-1567.

[32]张科学, 姜耀东, 张正斌, 张永平, 庞绪峰, 曾宪涛. 大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定[J]. 采矿与安全工程学报, 2014,31(02):255-262+269.

[33]张广超, 何富连, 来永辉, 宋佳伟, 肖鹏. 高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度与控制技术[J]. 煤炭学报, 2016,41(09):2188-2194.

[34]余学义, 刘俊杰, 邢延团, 王琦, 许文强. 区段煤柱尺寸对覆岩运移影响研究[J]. 煤炭工程, 2016,48(04):1-4.

[35]黄庆享, 刘玉卫. 巷道围岩支护的极限自稳平衡拱理论[J]. 采矿与安全工程学报, 2014,31(03):354-358.

[36]Andrzej Pytlik. Tests of steel arch and rock bolt support resistance to static and dynamic loading induced by suspended monorail transportation[J]. Studia Geotechnica et Mechanica, 2019,41(2).

[37]PV Deev, MA Petruhin, AA Tzukanov. Support design for permanent mine roadways in tectonically active areas[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019,262(1).

[38]刘德军, 左建平, 刘海雁, 洪紫杰, 文金浩, 史月. 我国煤矿巷道支护理论及技术的现状与发展趋势[J]. 矿业科学学报, 2020,5(01):22-33.

[39]MA S. NEMCIK J, AZIZN. An analytical model of fully grouted rock bolts subjected to tensile load[J]. Construction and Building Materials, 2013,49:519-526.

[40]GOEL R K, SWARUP A, SHEOREY P R. Bolt length requirement in underground openings[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007,44(5):802-811.

[41]康红普, 王金华, 林健. 煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2010,29(04):649-664.

[42]康红普, 杨景贺. 锚杆组合构件力学性能实验室试验及分析[J]. 煤矿开采, 2016,21(03):1-6.

[43]左建平, 孙运江, 王金涛, 陈岩, 姜广辉. 大断面破碎巷道全空间桁架锚索协同支护研究[J]. 煤炭科学技术, 2016,44(03):1-6.

[44]陈长华, 崔强. 典型浅埋煤层回采巷道锚杆支护特性研究[J]. 煤炭科学技术, 2018,46(S1):12-17.

[45]高晓旭, 石新禹, 郭卫彬. 软岩巷道底鼓控制技术研究[J]. 地质与勘探, 2020,56(05):1087-1095.

[46]张农, 李桂臣, 阚甲广. 煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响[J]. 岩土力学, 2011,32(09):2753-2758.

[47]张农, 李学华, 高明仕. 迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2004(12):2100-2105.

[48]刘立民, 张进鹏, 孙伟, 付彪, 闫旭, 王志奎, 曹军陟. 综放采掘相向沿空掘巷平衡支护设计法研究与应用[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2017,36(06):24-31.

[49]尹杰. 许疃煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究[D]. 安徽理工大学, 2020.

[50]柏建彪. 综放沿空掘巷围岩稳定性原理及控制技术研究[博士学位论文][D].徐州:中国矿业大学, 2002.

[51]陈炎光, 钱鸣高. 中国煤矿采场围岩控制[M]. 1994.

[52]郭育光, 柏建彪, 侯朝炯. 沿空留巷巷旁充填体主要参数研究[J]. 中国矿业大学学报, 1992,(04):4-14.

[53]杨科, 谢广祥. 窄煤柱综放巷道围岩应力场特征[J]. 采矿与安全工程学报, 2007,24(3):311-315.

[54]刘世超. 青洼煤业2203综放工作面窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究[D]. 中国矿业大学, 2020.

[55]查文华, 李雪, 华心祝, 武腾飞 ,殷石阳. 基本顶断裂位置对窄煤柱护巷的影响及应用[J]. 煤炭学报, 2014,39(S2):332-338.

[56]Reed Guy, Mctyer Kent, Frith Russell. An assessment of coal pillar system stability criteria based on a mechanistic evaluation of the interaction between coal pillars and the overburden[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2017,27(01):9-15.

[57]王泽阳, 来兴平, 刘小明, 崔峰. 综采面区段煤柱宽度预测GRNN模型构建与应用[J].西安科技大学学报, 2019,39(02):209-216.

[58]吴旋, 来兴平, 郭俊兵, 崔峰, 王泽阳, 许慧聪. 综采面区段煤柱宽度的PSO-SVM预测模型[J]. 西安科技大学学报, 2020,40(01):64-70.

[59]许韬, 黄长军, 赵鑫. 基于多元回归的高铁墩台沉降形变预测分析[J]. 湖南城市学院学报(自然科学版), 2020,29(03):6-10.

[60]张俊中, 宋蕾, 张健雄. 多元回归分析模型在变形监测中的应用[J]. 河南工程学院学报(自然科学版), 2009,21(03):22-25.

[61]刘严. 多元线性回归的数学模型[J]. 沈阳工程学院学报(自然科学版), 2005(Z1):128-129.

[62]施龙青, 徐东晶, 邱梅, 景行, 刘磊. 基于多元回归分析法预测断层防隔水煤柱宽度[J]. 煤炭科学技术, 2013,41(06):108-110+113.

[63]刘严. 多元线性回归的数学模型[J]. 沈阳工程学院学报(自然科学版), 2005(Z1):128-129.

[64]胡小娟, 李文平, 曹丁涛, 刘满才. 综采导水裂隙带多因素影响指标研究与高度预计[J]. 煤炭学报, 2012,37(04):613-620.

[65]黄庆享, 钱鸣高, 石平五. 浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析[J]. 煤炭学报, 1999(06):581-585.

[66]刘权. 四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究[D]. 中国矿业大学, 2014.

[67]冯吉成, 马念杰, 赵志强, 张浩, 余子明. 深井大采高工作面沿空掘巷窄煤柱宽度研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2014,31(04):580-586.

[68]樊义宁. 羊场湾煤矿沿空掘巷围岩稳定性控制技术研究[D]. 中国矿业大学, 2020.

[69]单仁亮, 彭杨皓, 孔祥松, 肖禹航, 原鸿鹄, 黄博, 郑赟. 国内外煤巷支护技术研究进展[J]. 岩石力学与工程学报, 2019,38(12):2377-2403.

[70]周国荣, 何忠全, 李青锋, 彭跃金. 大断面巷道裂隙围岩级式立体支护技术[J].矿业工程研究, 2018,33(04):17-21.

[71]娄金福. 动压巷道离层变形特征及支护技术研究[J]. 煤炭科学技术, 2015,43(4):6-10.

[72]赵志强. 大变形回采巷道围岩变形破坏机理与控制方法研究[D]. 北京:中国矿业大学(北京), 2014.