适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副矿长、地测科长、通防科长、采掘设计主管

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学安全工程学院技术合作支持

一、行业痛点与政策红线：多煤层重叠开采大巷煤柱受载失稳危机

在陕西榆林、神木、府谷及内蒙古鄂尔多斯等大型煤炭基地，近距离多煤层赋存（如 3-1 煤与 4-2 煤、4-3 煤与 5-1 煤等，层间距通常仅 15~45m）极其普遍。随着矿井开采进入中后期，采掘工程呈现出高密度的立体交叉接续态势。

上层煤（如 3-1 煤）在回采结束后，遗留的停采回撤通道、联巷临时水仓、区段隔离煤柱等高刚度结构，会在底板深部形成向下方岩层扩散的显著残留支承压力应力泡（Stress Bulb）。当矿井在下层煤（如 4-2 煤）掘进主运输大巷、回风大巷并留设大巷保护煤柱时，往往处于上覆采空区高应力传递与动压叠加的极度危险区域。

上伏 3-1 煤采空区形成（遗留回撤通道 + 临时水仓 + 残留煤柱）
  ↓ 底板岩层传递偏应力与集中载荷（应力集中系数高达 2.0~2.8）
层间距 20~40m 岩层弹塑性屈服与高能弹性能积聚
  ↓
下伏 4-2 煤主运/回风大巷掘进开暴（采动应力波叠加）
  ↓
大巷煤柱压溃片帮 + 顶板台阶下沉 + 诱发强矿震与冲击地压
  ↓ 国家矿山安监局 矿安〔2026〕81号文件穿透式审查
必须编制大巷煤柱安全论证专项报告并组织专家评审

国家矿山安全监察局在《矿安〔2026〕81号》及《煤矿重大事故隐患判定标准》中明确规定：

  1. 煤柱安全论证硬性前置：在近距离煤层群回采、下组煤大巷穿越上覆高应力集中区或采空区下方时，必须由具备国家甲级检测或高校科研资质的第三方机构出具大巷煤柱稳定性专项安全论证报告；
  2. 专家评审与签字背书：论证报告必须组织不少于 5 位省级顶板与冲击地压防治专家进行现场图纸会审与闭门评审，出具正式专家评审意见书；
  3. 未论证即掘进严惩：未开展多煤层重叠采动煤柱稳定性论证即盲目组织施工的，一律判定为“重大事故隐患”，责令立即停止作业并限期整改。

二、地质力学模型与应力传递方程：煤柱破坏力学极限判据

大巷保护煤柱的力学状态由上覆残余应力场、层间岩梁传递效率及巷道开挖卸载效应三者共同决定。

1. 采空区残留支承压力底板传递衰减方程

上覆采空区区段残留煤柱向底板传递的垂直应力分布 $\sigma_z(x, h_0)$ 遵循半无限空间弹性力学玻西奈斯克（Boussinesq）积分模型：

$$\sigma_z(x, h_0) = \gamma H + \frac{2 P_0}{\pi} \int_{-b}^{b} \frac{h_0^3}{[(x - \xi)^2 + h_0^2]^2} d\xi$$

其中：$\gamma H$ 为原始自重应力场（MPa）；$P_0$ 为上层煤残留煤柱峰值支承压力；$b$ 为上层煤残留煤柱半宽；$h_0$ 为两煤层间的层间岩层法向净间距；$x$ 为水平距离坐标。

多煤层开采及区段煤柱应力场与位移数值模拟分析图
图2：多煤层采动空间下区段煤柱应力场传递与围岩塑性区数值模拟剖面图

2. 大巷煤柱极限承载能力与渐进破坏判据

大巷保护煤柱的稳定核心在于弹性核区（Elastic Core）的有效宽度。依据极限平衡理论，煤柱两侧极限平衡区宽度 $x_{limit}$ 为：

$$x_{limit} = \frac{M \cdot \lambda}{2 \tan \phi_0} \ln\left( \frac{k \gamma H + \frac{C_0}{\tan \phi_0}}{\frac{P_i}{\lambda} + \frac{C_0}{\tan \phi_0}} \right)$$

其中：$M$ 为煤层采高；$\lambda$ 为侧压系数；$\phi_0, C_0$ 为煤岩界面内摩擦角与黏聚力；$P_i$ 为大巷支护阻力；$k$ 为最大应力集中系数。

大巷保护煤柱的总留设宽度 $B_{pillar}$ 必须满足：

$$B_{pillar} \ge 2 x_{limit} + B_{core}$$

式中 $B_{core} \ge 2 M$，确保煤柱中心始终存在连续未屈服的弹性核区，阻断顶板冲击动载荷的整体失稳释放。

三、标准化论证SOP：煤柱安全性论证与重大灾害评估实施全流程

中矿天智依托中国矿业大学科研团队，构建了标准化大巷煤柱安全论证技术服务流水线：

SOP 1：资料采集与地应力实测（钻孔柱状图/采掘平面图/层间岩性水文/原位水压致裂地应力测试）
  ↓
SOP 2：三维精细化数值建模（FLAC3D/3DEC 建立全空间三维采动与巷道掘进力学网格）
  ↓
SOP 3：多工况动力学与应力分析（无支护极限态/动压扰动叠加/工作面回撤通道动载反演）
  ↓
SOP 4：煤柱留设宽度优化与围岩控制方案（卸压爆破/深孔切顶注浆/高强预应力恒阻锚索支护）
  ↓
SOP 5：井下微震与应力原位监测系统设计（钻孔应力计/多点位移计/微震台网空间布设）
  ↓
SOP 6：专家评审会组织与权威报告交付（组织5位行业知名专家闭门评审，出具备案盖章报告）
井下大巷煤柱原位多点位移计与应力监测安装现场
图3：科研技术人员在井下大巷煤柱迎头安装孔隙应力计与多点位移监测基站

现场原位监测系统布设参数表

监测子系统 传感器类型 安装位置与测点间距 预警报警临界阈值 核心防范灾害
煤柱内部应力监测 矿用本安型振弦式钻孔应力计 大巷煤柱深部 5m、10m、15m 处，间距 50m 垂直应力增量 $\Delta \sigma > 6.5\text{ MPa}$ 或达到 $1.45 \gamma H$ 煤柱集中应力超载与深部冲击启动
巷道顶板离层监测 双级光栅顶板离层指示仪 大巷顶板中心浅部 3m、深部 8m，间距 30m 浅部离层 $>35\text{ mm}$，深部离层 $>50\text{ mm}$ 顶板离层切落与锚固区整体下沉
巷道围岩表面位移 十字交叉收敛激光测距站 大巷每 25m 设置一组测站（顶底板与两帮） 两帮移近速率 $>10\text{ mm/d}$，底鼓量 $>150\text{ mm}$ 塑性区大范围膨胀与巷道截面收缩
空间微震能量监测 宽频带三轴微震拾震传感器 大巷煤柱空间立体布置，传感器间距 120m 单次微震事件能量 $E > 10^5\text{ J}$，频次突增 岩体高能破断与冲击地压前兆识别

四、工程案例复盘与深度对账：神木四门沟 3-1/4-2 煤重大灾害评估项目

以下结合神木市四门沟矿业有限公司《3-1/4-2 煤煤与瓦斯突出危险性评估及大巷煤柱安全论证技术服务合同》（合同金额：82.5 万元）进行深度案例对账。

钻孔应力计与塑振弦读数仪等高精度检测设备
图4：钻孔应力计、高压水压接口与数显塑振弦式读数仪等实验室标定装备特写

1. 工程背景与关键技术难点

神木四门沟煤矿主采 3-1 煤与 4-2 煤，层间距仅为 28.5~33.2m：

  • 上部采空区空间复杂：3-1 煤 14211 综采工作面回撤通道、回风斜巷爬坡段以及 15~16 联巷临时水仓直接处于 4-2 煤集中运煤大巷的正上方；
  • 水-力复合隐患：15~16 联巷临时水仓长期积水（静水头压力约 0.35MPa），水体沿导水裂隙向底板软弱岩层渗透浸泡，使层间砂质泥岩单轴抗压强度从 38.5MPa 急剧折减至 14.2MPa；
  • 煤柱失稳风险：原设计 4-2 煤大巷保护煤柱留设宽度仅为 25m，数值模拟显示应力集中系数达到 $K_{stress} = 2.15$，存在极其严重的大巷挤压垮冒与突水隐患。

2. 论证方案实施与综合造价分解

神木四门沟重大灾害防治评估与大巷煤柱安全论证项目（合同总额：825,000 元）
  ├── 3-1 煤层瓦斯基础参数测定（100,000 元）
  ├── 3-1 煤层瓦斯压力现场钻孔测定（100,000 元）
  ├── 3-1 煤层自然发火与自燃倾向性鉴定（85,000 元）
  ├── 3-1 煤尘爆炸性与注水可注性鉴定（80,000 元）
  ├── 3-1 煤标志性气体与临界值测定（GB/T 44819-2024，170,000 元）
  ├── 3-1/4-2 煤煤与瓦斯突出危险性评估（150,000 元）
  └── 3-1 爬坡段/临时水仓/回撤通道对 4-2 煤大巷煤柱安全论证与专家评审（140,000 元）
专家组与总工程师大巷煤柱安全论证评审会
图5：中国矿业大学科研团队与煤矿总工程师围坐在会议室审查大巷煤柱论证蓝图

3. 技术优化成果与专家评审意见

  1. 煤柱空间错距与宽度重构：通过三维数值仿真与安全系数校核，将 4-2 煤大巷在空间上向采空区外侧平移 18m，避开上覆残留煤柱 1.5 倍支承压力集中峰值带；大巷保护煤柱由 25m 拓宽至 38m；
  2. 水仓疏干与底板裂隙注浆加固：对上部 15~16 联巷临时水仓实施超前疏放水，并采用高压化学注浆对层间裂隙带实施劈裂注浆固结，重构隔水基岩板；
  3. 专家评审决议：2026 年 8 月，组织 5 位国家级煤矿安全专家对论证报告进行现场论证，全票通过评审意见，为矿井安全通过安监局复产复工验收提供了法定技术保障。

五、矿长与总工迎检决策清单：煤柱论证资料审核关键点

在迎接国家矿山安监局及省级能源局巡查时，总工程师必须确保以下 6 项核心论证台账与原始资料完全齐备：

  • 地质力学测定报告：包含 3-1/4-2 煤层岩石力学测试（抗拉、抗压、剪切模量）及原位地应力测试报告原件。
  • 三维数值模拟计算书：包含 FLAC3D 或 3DEC 建立的多煤层采动全过程弹塑性应力云图、位移沉降矢量图及塑性屈服区分布图。
  • 煤柱应力集中系数校核：明确证明大巷开挖后围岩应力集中系数 $K_{stress} \le 1.45$，且弹性核区有效宽度 $B_{core} \ge 2M$。
  • 现场取样与影像台账：井下打钻测压、岩心取样、地质测绘等全流程高清视频录像（带防篡改时间与坐标水印）。
  • 检测单位资质全套文件：中国矿业大学安全生产检测检验中心及中矿天智检验检测机构资质认定证书（CMA/CNAS）复印件加盖红章。
  • 专家评审意见书与签字表：包含 5 位具备高级及以上职称专家亲笔签名的专家评审意见表与专家身份证明。

    • 六、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：为什么近距离煤层开采必须单独做大巷煤柱安全论证？

    答： 近距离煤层群（层间距 $<50\text{m}$）回采时，上层煤遗留的采空区边界、孤岛煤柱和回撤通道会向底板深部集中传递极高的应力峰值（可达原岩应力的 2~3 倍）。若下组煤大巷恰好布置在此应力集中区内，将导致巷道变形剧烈、锚杆锚索大面积拉断甚至突发冲击地压。依据国家监管规定，必须通过理论计算与数值论证避开高应力区。

    Q2：矿安〔2026〕81号文件对大巷煤柱论证有哪些核心硬指标？

    答： 核心指标包括：① 必须开展上覆采空区空间位置与积水探查；② 必须校核大巷煤柱应力集中系数（通常控制在 $K_{stress} \le 1.45$ 范围内）；③ 必须评估回撤通道与临时水仓的水-力耦合风险；④ 论证报告必须经 5 名以上专家评审并形成合规结论。

    Q3：大巷煤柱安全论证与瓦斯等级鉴定可以合并委托进行吗？

    答： 可以且强烈推荐合并实施。由于两项技术服务均需要井下地质调查、打钻取样、原位测压与实验室力学测试，合并委托不仅能避免重复打钻与协调入井，还能大幅缩减现场测定周期（从分别 45 天缩减至 30 天内），并节约 20%~30% 的项目综合差旅与专家评审开支。

    Q4：若数值模拟发现大巷煤柱应力超限，常见的工程治理措施有哪些？

    答： 常见治理措施包括：① 空间错位布置：将下层煤大巷向采空区外侧平移 15~30m，避开应力峰值区；② 大巷保护煤柱加宽：将煤柱由 20~25m 加宽至 35~45m；③ 水力压裂/爆破卸压：在上层煤硬厚顶板实施定向水力压裂，切断应力传递路径；④ 高强恒阻锚索支护：增强巷道围岩的主动支护阻力。

    Q5：专家评审会一般由哪些专家组成，需要多长时间完成？

    答： 专家组一般由 5~7 名来自中国矿业大学、煤炭科学研究总院、省级能源局专家库的采矿工程、岩石力学、防灭火与防治水领域资深教授/教授级高工组成。编制单位提交正式报告后，通常在 3~5 个工作日内完成现场勘查、闭门质询与意见书签署。

    参考依据与标准规范

    1. 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
    2. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
    3. GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
    4. GB/T 25217-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》
    5. AQ 1026-2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》
    6. KA/T 1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，内蒙古及山西矿区各大煤炭企业。

    技术方案设计与检验检测深度依托 中国矿业大学安全生产检测检验中心 及安全工程学院科研团队，拥有国家级 CMA、CNAS 资质。

    承接业务范围：

    • 近距离煤层重叠采动大巷保护煤柱稳定性论证与专家评审；
    • 矿井重大灾害评估报告（矿安〔2026〕81号全套合规编制）；
    • 瓦斯等级鉴定与一通三防全参数实验室测定；
    • 采空区充填注浆、高水材料漫灌与覆岩隔离注浆顶层方案设计。

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    声明：文中涉及工程案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井工程设计需结合煤层实际地质水文条件专项论证。