刘少沛 王宁博

（1.平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南 平顶山 467000；2.中国矿业大学（北京），北京 100083）

阳煤集团新元煤矿由于厚层泥岩顶板，内部节理、裂隙发育，强度低，自稳性差，巷道断面跨度大，顶部拉应力集中等原因，在工作面回采过程中，受剧烈采动的作用，引起巷道顶板冒顶以及离层情况的发生，引起严重臌帮或者垮帮，巷道的支护系统出现大范围损毁，威胁矿井的安全高效生产。本文通过对新元煤矿动压煤巷区段保护煤柱矿压进行实测和数值模拟研究，对煤巷的矿压分布规律进行了研究以及总结，针对煤巷在剧烈采动时采取科学的支护策略。

1 工程概况

东四正巷位于中央进风立井井筒以东，全长1846m，为310103工作面、310104工作面回采巷道，其主要作用是310103工作面回采的进风顺槽和辅助运输顺槽，同时作为310104工作面回采的进风和胶带运输顺槽。工作面巷道布置如图1所示。

图1 310103工作面巷道布置图

在中间巷和正副巷范围内的煤柱宽度基本保持在22m左右。在这个范围内均采用联络横贯，处于中间巷和正巷范围内的横贯互相间隔100m，处于中间巷和副巷范围内的横贯互相间隔50m。310103工作面主采3#煤层，平均厚度2.6m。直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.53m；基本顶为软弱砂岩和砂质泥岩互层，平均厚度2.38m，其上覆岩层为3.2m的砂质泥岩。直接底为砂质泥岩，平均厚度1.96m，其下为粉砂岩，平均厚度为1.2m。

2 动压影响巷道煤柱矿压特征分析

动压影响巷道煤柱矿压特征主要是在巷道开掘过程中，处于煤柱侧及实体煤壁侧大部分围岩一直保持相对静压，矿压变化幅值较小，巷道的形变幅度较小。如果相邻或者该工作面的开采作用于围岩时，会破坏最初的静压状态，围岩应力值就急剧升高，造成煤柱大面积片帮，垮帮，甚至整体内移等，进而导致巷道两帮移近量显著增大，断面急剧缩小，威胁矿井安全生产。对新元煤矿东四正巷煤柱矿压进行分析，如图2所示。

图2 东四正巷煤柱矿压分析示意图

根据东四正巷煤柱矿压显现的实际观测情况，可对新元煤矿动压影响煤巷保护煤柱矿压显现基本特征规律做如下分析总结：

（1）东四正巷服务时间长，煤柱先后受到综采面采动超前支承压力和采后支承压力剧烈影响，需经历顺槽掘进期、切眼掘进期、回采设备安装期、采面衔接期、采动剧烈影响期等，变形破坏时间长。

（2）在第一次采动剧烈影响期内，由于回采引起围岩应力重新分布。采空区面积大，导致岩层运动规模大，煤柱显现非常强烈，同时此阶段也是研究观测的重点，之后煤柱矿压会进入相对稳定阶段。

（3）二次采动影响的时间和空间规律与一次采动影响类似，但由于此时煤柱受到下区段工作面超前支承压力和中间巷侧剩下支撑压力的附加影响，所以二次采动时，造成的影响会更剧烈，作用的范围也相对扩大。

3 正巷煤柱矿压实测

3.1 观测方法

采用ZCDY-IIA型钻孔应力传感器对东四正巷煤柱支承压力进行观测，该力学测量设备整合了液压技术和力钢弦振动机理，而压力枕的结构设计使用了充液膨胀的方法。该设备主要测量煤岩体内的相对应力大小。观测数据的读取采用煤矿用压力信号分析系统在地面PC机上进行。

3.2 测点布置

对剧烈采动影响的东四正巷进行煤柱矿压的监测时，考虑将测点布置在东四正巷与东四中间巷之间煤柱体内。把3个压力测试分站安装在煤柱体内，4个钻孔应力传感器负责一个分站，设置各自的钻孔深度是2m、8m、14m以及20m，并排打孔在巷帮中部区域，孔距5m，孔径50mm，和底板之间的距离是1.5m，合计设置12个测试点。每两个分站之间的距离为50m。测站的布置图如3所示。

图3 东四正巷煤柱矿压监测测站布置图

3.3 结果分析

东四正巷的测站布置完成后，对煤柱矿压分布进行监测分析。由于东四正巷煤柱受到310103回采工作面的采动影响，因此对矿压的观测应根据工作面的推进距离进行测定，直至工作面推过测站。

当开采工作面推过待测测站之后，设备就能收集到相关数据，校核该数据，去除掉被测量设备破坏的测点数据和离散很大的测点数据。当工作面推过测站，校核观测数据，剔除钻孔应力计破坏的测点以及数据离散性较大的测点，对测量设备所记录数据进行处理分析，结果如图4和表1所示。

图4 离巷帮不同距离处煤柱矿压分布图

表1 东四正巷煤柱矿压分布特征表

根据上述图、表可以看出：

（1）各深度的矿压分布具有相同的规律，都经历了平稳区—升高区—降低区—平稳区的变化过程。

（2）在距离工作面前方55m左右处，各深度钻孔应力计的读数变化都很小，可认为此前的煤体处于原岩应力区，垂直方向上原岩应力均值为13.75MPa。

（3）随着工作面的推进，在距离工作面前方52m左右处，钻孔应力计的读数开始增大；在距离巷帮14m处煤柱各测点压力达到峰值61.5MPa；此后各测点的压力值迅速降低，接近原岩应力值。

（4）在采动剧烈影响条件下，东四正巷煤柱所受310103工作面超前支承压力的影响范围为52m，在回采工作面前方15m处达到支承压力峰值，峰值为44MPa，应力集中系数为3.2。

4 正巷支承压力数值模拟分析

4.1 模型建立及参数设定

为了能够反映在工作面推进过程中，东四正巷煤柱前方及侧向煤柱支承压力的分布特征及其变化规律，本文采用FLAC3D大型三维岩土工程软件，依据310103工作面的地质资料建立数值模型。模型尺寸为长×宽×高=316.5m×160m×45m，共划分82720个单元，89712个结点。模型的四个侧面为位移边界，约束水平位移，底部为固定边界，约束水平位移和垂直位移。上覆岩层的重力按均布荷载施加在模型的上部边界，东四正巷顺槽平均埋深560m，施加荷载q=γh=2500×9.8×560=13.72MPa。

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 煤柱侧向水平应力结果分析

如图5（a、b、c、d）分别给出了310103工作面回采过程中，距工作面前方不同距离处煤柱的侧向水平应力分布云图。

图5 距工作面前方不同距离处正巷煤柱水平应力分布

从图中可以看出，至巷帮煤柱0～6m为侧向水平应力降低区，距离工作面越近，水平应力影响范围越大；煤柱中存在着6～12m的水平应力升高区，该区域的影响范围与工作面距离密切相关，当距离工作面越近时，煤柱中该区域距两帮集中水平应力区趋于更近，甚至可以串接在一起，从而大范围、更为强烈地影响巷道顶板的支护，对多次动压作用下东四正巷而言，加大顶板支护强度可以起到明显的支护效果；当距离工作面越远时，如图5（d），不仅水平应力值较小，而且影响范围也非常有限。

4.2.2 煤柱剪切应力结果分析

如图6（a、b、c、d），分别给出工作面回采过程中距工作面前方不同距离处煤柱的剪切应力分布云图。

图6 距工作面不同距离处正巷煤柱剪切应力分布

从图中可以看出，煤柱体受到的剪切应力破坏影响范围不大，主要分布于距离巷帮7m以内的煤柱体内。随着工作面的推进，煤柱体内的剪切应力虽然有所增加，但整体应力值不大，最大应力值为5.5MPa，在对巷道的支护设计中应考虑加强对顶底角的控制。

5 结论

（1）分析总结了东四正巷煤柱需经历顺槽掘进期、切眼掘进期、回采设备安装期、采面衔接期、采动剧烈影响期等五个不同时期的影响，变形破坏时间长。

（2）通过实测，在剧烈采动影响下，东四正巷煤柱所受超前支承压力的影响范围为52m，在回采工作面前方15m处达到支承压力峰值为44MPa，应力集中系数为3.2。

（3）数值模拟结果表明，东四正巷煤柱至巷帮0～6m为侧向水平应力降低区；剪切应力破坏范围要分布于距离巷帮7m以内的煤柱体内，最大应力值为5.5MPa。