＊冯涛 景永嘉 彭亮

（1.山西汾西矿业集团正新煤焦有限责任公司 山西 046512 2.中国矿业大学 矿业工程学院 江苏 221116）

1.工程概况

山西汾西矿业集团和善煤矿正在开采9+10#煤，原设计为沿空留巷，即9102工作面回采后，9102回风顺槽作为9103运输顺槽，但受留巷工序复杂等生产因素影响，未留巷，造成9102工作面回采后采掘接替非常紧张。因此，在9102工作面回采过程中迎采掘进9103运输顺槽来缓解采掘接替紧张。9+10#煤层整体呈上山单斜构造，埋深约185.36m，上距6#煤约55m，地质构造相对简单，煤层倾角为4°～10°，工作面采高2.15m，大部分地段顶板为石灰岩，层位较稳定且坚硬，底板为泥岩，属于稳定类。

2.迎采巷道煤柱宽度理论计算

迎采巷道最容易发生失稳的是迎头后阶段，所以本节重点研究迎头后阶段的煤柱上覆岩层结构特征和力学作用，为确定迎采巷道合理煤柱宽度提供理论依据[1-2]。

(1)煤柱承载结构力学分析

结合现有的资料，和善煤矿9+10#煤顶板的硬度和厚度较大，工作面回采后，上覆岩层随之破断，煤柱上方发生悬顶，上覆岩层载荷需要通过冒落区岩块、煤柱等进行承载在空间上形成“F”型悬臂梁结构，煤柱及其上方顶板形成了“F”型覆岩空间结构。

(2)煤柱的变形分区范围

巷道围岩应力与煤柱宽度密切相关，影响着巷道的稳定性。煤柱一侧工作面回采过后，沿煤柱倾向形成的支承压力分布状态如图1所示。图中xF代表煤柱帮部支护阻力，MPa；M代表煤柱高度，m；yσ代表煤柱内垂直应力，MPa；xσ代表水平应力，MPa；τxy代表煤柱所受剪应力，MPa；x1代表巷道帮部到煤柱极限强度位置的距离。可以采用弹性力学的方法，计算侧向支承压力的峰值位置。假设煤岩体是连续均质的，煤体在发生剪切破坏时满足摩尔—库伦准则，煤柱受力关于中性面对称。求解侧向支承压力峰值位置过程如下：

图1 煤柱支承压力分布力学模型示意图

图2 巷道围岩变形量曲线

图3 运输顺槽支护示意图

根据和善煤矿9+10#煤工程条件，将参数带入上式可得：煤体内部垂直应力的峰值距离1x=8.7m。在侧向支承压力的作用下，煤柱变形分区为破裂区、塑性区、应力升高弹性区、应力平缓弹性区。

(3)合理煤柱宽度确定

合理的煤柱宽度是保证巷道稳定性的主要因素。煤柱一侧是采准巷道，一侧是回采空间，由于受到两侧悬露岩层转移到煤柱载荷和上覆岩层载荷的影响，煤柱两侧形成了2个塑性变形区，宽度分别为x0和1x，同时为了保证煤柱的稳定性，在煤柱中央应存在宽度不小于煤柱高度2倍的弹性核。为此，保持煤柱稳定的最小宽度：

式中，a为巷道半径；C为内聚力；ϕ为摩擦角。依据和善煤矿生产地质条件，9103运输顺槽宽度4.4m，则a=2.2m，可获得0x和1x分别为4.87m和8.63m。可得煤柱宽度B≥4.9+2×2.2+8.7=18m。

3.迎采巷道煤围岩分析

(1)巷道围岩变形分析

根据巷道围岩变形量，位移分布等值线，巷道围岩变形量相关数据可知，巷道煤柱帮变形量较大，9m宽度下巷道煤柱帮变形量为238.3mm，20m宽度下则为39.1mm；底板变形量较小，9m宽度下底板变形量为42.7mm，20m宽度下则为15.7mm；20m宽度较9m宽度下实体煤帮位移量降低了46.1%。随着煤柱宽度的增加，当煤柱宽度大于9m时，围岩变形量随着煤柱宽度的增加明显减小，围岩变形趋势逐渐降低。对于不同宽度的护巷煤柱，煤柱帮变形量最大，其次为实煤体帮侧变形量，变形量最小为底板。

(2)巷道围岩应力分析

当煤柱宽度从9m逐渐增大到20m时，煤柱内应力集中降低，应力分布由煤柱中心集中分布向两端分布，巷道实煤体帮内也存在应力集中现象。当煤柱宽度逐渐增大时，煤柱内应力集中从右侧逐渐向左侧集中。

在煤柱宽度为9～11m时，随着与采空区边缘距离的增加，煤柱内垂直应力总体呈现先增后减的变化趋势，存在一个峰值拐点，垂直应力由14.3MPa降低至12.5MPa；对于18～20m煤柱宽度，垂直应力呈现出不同的变化趋势，开始时先持续增加，在达到一定程度后应力峰值基本维持在10.8MPa，后缓慢降低。

当煤柱宽度为7m时，工作面回采后煤柱内几乎均为塑性区，仅存在较小区域的弹性区，顶板发生剪切破坏，应力集中现象较为严重，可视为煤柱已受到不同程度的损伤，承载能力较弱，因此不是合理的煤柱宽度。当煤柱宽度为11m时，煤柱内部开始存在弹性区，并随着煤柱宽度增加而逐渐扩大，最终与煤柱上方弹性区贯通，巷道顶底板均受到拉伸破坏，两帮受到剪切破坏。当煤柱宽度大于18m时，工作面回采后仅在巷道周围存在较小的弹性区，其余均未受到剪切破坏。

4.现场实例

(1)巷道支护方案及参数

结合和善煤矿9103运输顺槽情况，顶板锚杆采用Φ20×L2000mm MG500高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距为800mm×800mm。顶板锚索采用多丝（1×19股）高强度低松弛预应力钢绞线锚索，锚索规格为：Φ21.8mm×L4500mm，每2排锚杆加强支护2根锚索。帮部锚杆采用Φ20mm×L2000mm MG500高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮部锚杆间排距为800mm×800mm。顶、帮之间网片采用对接方式，顶板、帮部高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆屈服强度大于500MPa，承载能力不小于250kN，扭矩力不小于300N·m。

(2)应力监测结果与分析

采动应力在煤矿生产中非常重要，特别在煤矿作业中，其容易带来不同类型的动力灾害，包括冲击地压、煤与瓦斯突出等，严重威胁着煤矿作业的安全。因此必须重视对采动应力的监测与分析，当前在此领域的研究较多，已经出现了多种类型的监测技术和方法，本节结合9103运输顺槽监测的结果进行分析，明确20m煤柱宽度的留设效果。

针对9103运输顺槽进行应力监测，本次研究中主要设置两个监测站，分别表示为测站A、B，位置是在超前9012工作面150m处，其中前者的钻孔深度依次是2m、4m、6m、8m，依次对应着a、b、c、d应力监测计；后者的深度依次是3m、5m、7m、9m，依次对应着e、f、g、h应力监测计；所有的间距均为1m，选择振弦钻孔应力监测计，按操作说明连接软硬件进行应力监测。

由于监测过程中发现部分钻孔无法得到数据，这主要与应力计的故障等因素有关。针对上述问题，对现有的数据进行筛选和整理，得到了有完整监测周期的数据。得到的结果如图4所示。

图4 煤柱内应力监测曲线

由图4可知，实煤体侧、煤柱侧应力均受到9102工作面回采的影响而出现了变化，各个应力计的变化程度不一，其中d在前7日内保持了增长的趋势，最大应力达到了11MPa，而且增幅相对较大；但是此后则开始减小，特别是在7～15日内，已经降低到3.2MPa，降低幅度同样较大；后续继续增大，在15～27日时升高到9.2MPa，可以看到在这段时间内总体表现为波动变化的特征。g用于监测实煤体帮部应力，发现监测到的最大应力达到了5.3MPa，发现实煤体侧应力的波动性较小，整体比较稳定。另外，a、b、c主要对煤柱侧帮监测，总体保持了较高的稳定性，未出现显著的变化。可见，采用20m的煤柱内部应力总体稳定，避免了应力波动过大而产生不利的影响，保障了矿井的安全生产。

5.结语

结合矿井实际地质资料，运用理论分析、FLAC3D数值模拟、现场实测，对留设不同宽度煤柱时，巷道围岩应力、位移、塑性区进行分析，最终确定该矿9103运输顺槽迎9102工作面掘巷留设煤柱宽度为20m。