程 蓬，马晨晶，何 杰，李育鹏

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.阳泉煤业(集团)有限责任公司 新景矿，山西 阳泉 045000)

沿空掘巷是在上区段工作面回采过后，沿着采空区边缘留设一定煤柱尺寸后掘进下一工作面的回采巷道，相对于沿空留巷和二次复用巷道，沿空掘巷巷道支护和维护难度相对容易，因此我国很多矿区主要采用沿空掘巷的开采方法。但是，随着沿空掘巷技术的推广和应用，仍然存在大量巷道变形严重，支护难度高的问题，为此国内外针对沿空留巷围岩应力状态、煤柱尺寸留设和巷道围岩控制等方面进行了诸多研究。康红普院士团队[1]分析了沿空掘巷煤柱宽度与巷道围岩变形的关系，提出了小煤柱合理宽度设计方法，并在潞安、阳泉、邢台等地进行大量现场试验；柏建彪等[2]研究了综采沿空掘巷围岩应力场演化规律，对巷道掘进前后煤柱应力状态进行了对比分析；王卫军等[3]采用砌体梁力学理论，研究了综放沿空巷道顶煤力学模型，分析了顶煤下沉量与支护强度、煤体弹模、巷道宽度的关系；赵国贞等[4]建立沿空掘巷围岩结构力学模型，分析了巷道稳定性各影响因素间的相互关系；王永等[5]提出煤柱稳定核区，认为稳定核区的范围要在煤柱宽度的一半以上，从而保证煤柱的稳定性。另外，还有很多专家学者开展了大量的研究[6-8]。

本文在总结前人研究成果基础上，针对阳泉矿区沿空掘巷埋藏深度大，地质条件复杂多变，巷道支护难度高的问题，通过在回采工作面回风巷两侧布置煤体应力在线监测系统，分析工作面回采全过程煤体应力分布和变化规律，为后续煤柱尺寸选取和巷道支护优化提供数据，为类似条件下巷道布置和支护参数优化提供参考。

1 工程概况

1.1 矿井基本概况

新景煤矿设计能力4.5Mt/a，位于沁水煤田东北部，煤层贮藏稳定，含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组，主采煤层3号、8号、9号、15号，属于多煤层联合开采。15028工作面井下位于新景矿15号煤一采区东南部，如图1所示，工作面东部为三矿矿界，南部为15029工作面(未掘)，西为15029工作面(未采)，北部为80212工作面(2014年12月回采结束)，工作面煤柱净尺寸为20m。

图1 新景矿15028工作面巷道布置平面

1.2 巷道围岩条件

经过现场勘探，结合钻孔资料，确定新景矿15号煤层顶底板围岩条件如下：

(1)主采煤层：15号煤层，俗称“丈八煤”，赋存较稳定，结构复杂，厚度在5.57～7.81m范围内，平均厚度6.66m，含两层夹矸，上部煤层强度偏低，下部强度相对较高。

(2)顶板：15号煤层顶板主要是由泥岩和石灰岩交替组成，泥岩强度低，易破碎，厚度大约在1.0m，石灰岩强度相对较高，围岩稳定性好。

(3)底板：15号煤层直接底砂质泥岩，平均厚度4.9m，强度低，遇水易软化膨胀。

1.3 煤岩体地质力学测试

为掌握15028工作面煤岩体地质力学参数，2016年新景矿采用煤炭科学研究总院研发的井下原位地质力学参数测试技术对巷道围岩结构、强度和地应力进行了测试，图2为15028工作面煤顶板围岩结构观测，图3为15028工作面顶板围岩强度测试曲线，通过围岩结构和强度测试结果对比分析，测试位置顶煤厚度2.8m，煤体裂隙发育，强度17.01MPa，上部为1m泥岩和煤层互层，完整性差，之上为2.7m的石灰岩，完整性好，存在方解石岩脉，强度111.91MPa，上部为1.5m的泥岩，强度34.89MPa，再上部为厚度超过1.2m的石灰岩，强度110.86MPa。对15号煤层15028工作面巷道围岩地应力、围岩强度和围岩结构进行全方位测试。地应力测试显示，测试区域深度600.1m，垂直主应力15.03MPa，最大水平主应力16.95MPa，最小水平主应力8.69MPa，最大水平主应力方向为北偏东80.8°。

图2 顶板围岩结构观测

图3 顶板围岩强度测试曲线

2 煤柱应力数值模拟分析

2.1数值模型

根据15028综放工作面地质条件和巷道围岩地质力学参数测试数据，采用三维有限差分软件FLCD3D建立数值计算模型，模型参数采用1.3中煤岩体地质力学测试数据，模型长×宽×高=300m×70m×50m，四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。建立3种不同计算模型，将临近回采工作面和15028工作面煤柱尺寸分别设定为10m，20m和30m，首先开挖临近工作面形成采空区后，对沿空留巷巷道进行开挖，对比分析全过程不同煤柱条件下沿空掘巷巷道围岩应力及变形对比特征。

2.2 计算结果及分析

图4为在10m，20m和30m煤柱尺寸条件下，15028回风巷围岩及煤柱内部应力分布情况。受临近80212采空区回采动压影响，15028回风巷及工作面附近煤岩体应力和应力状态均发生很大的变化，且随着煤柱尺寸的不同围岩应力差异显著。

对比不同煤柱尺寸沿空掘巷巷道垂直应力和顶板下沉量数据，如图5所示，当煤柱尺寸为10m，20m和30m时，煤柱峰值应力分别为41.7MPa，37.2MPa和37.3MPa，煤柱应力分别降低10.8%和10.5%。与此同时，当煤柱尺寸为10m，20m和30m时，对应沿空留巷巷道顶板下沉量分别为330.0mm，171.8mm和114mm，巷道顶板下沉量分别降低47.9%和33.6%。随着煤柱尺寸的增加，煤柱应力和巷道变形量均有所降低，说明沿空掘巷巷道受临近工作面回采动压影响程度进一步降低，当煤柱尺寸增加到一定程度后，煤柱峰值应力降低不明显，但是由于煤柱尺寸的增加，沿空掘巷距离峰值应力距离的加大，巷道变形量进一步降低。

图4 不同煤柱尺寸条件下煤柱应力分布状态

图5 不同煤柱尺寸15028回风巷垂直应力和顶板下沉量对比

3 煤柱应力状态实测

3.1 监测方案

在15028回风巷布置煤柱应力监测测站，如图6所示，测站位置距离开切眼100m，采用ZYJ-25型钻孔应力计，配合在线监测系统进行数据收集。工作面侧帮和煤柱帮各布置6个测点，测点深度分别为2m，4m，6m，8m，10m和12m，煤柱应力计安装时距离地面高度1.3m。安装流程包括：打孔，钻孔应力计推送至指定深度，打压，接线，初读数等环节。

图6 煤柱应力监测

3.2 测试结果及分析

15028回风巷工作面侧帮垂直应力变化如图7所示。随15028工作面回采，工作面侧帮垂直应力随深度呈现显著变化规律，2m和4m测点煤体垂直应力呈现持续降低趋势，其中2m测点降幅5.9MPa，4m测点降幅3.1MPa，说明巷道煤壁浅部煤体破坏更加严重，随着深度增加，破坏程度逐渐降低。6m和8m测点煤柱垂直应力呈现先增后减再增的变化特征，其中6m测点增幅0.8MPa，8m测点增幅3.1MPa，此时8m测点处煤体较为完整。深部10m和12m测点煤柱垂直应力呈现持续增加的趋势，其中10m测点增幅3.5MPa，12m测点增幅10.6MPa，煤柱应力增幅十分显著，此时煤柱进入弹性区。综合分析，随着测点深度的增大，15028回风巷工作面侧帮煤柱逐渐从塑性破坏区转移至弹性区，煤体完整性逐渐变好，此时增加煤柱尺寸有利于巷帮煤帮保持完整，对于巷帮维护较为有利。

图7 15028回风巷工作面侧帮垂直应力实测曲线

15028回风巷煤柱侧帮垂直应力变化如图8所示。随15028工作面回采，煤柱侧帮垂直应力随深度呈现较大差异特征。2m测点煤柱垂直应力变化稳定，基本保持不变。4m测点煤柱垂直应力逐步降低，降幅2.1MPa。6m测点煤柱垂直应力呈现先降后增的变化规律。8m测点前期波动不明显，当距离工作面50m后，受力波动变化大，在距离工作面7m时达到峰值15.3MPa，后持续降低。10m测点前期受力稳定，在距离工作面37m时由于管路漏油，导致数据缺失。12m测点煤柱垂直应力平稳，在距离工作面42m后开始呈现波动增加，在距离工作面14m位置达到峰值34.2MPa，后续降低。分析可见，煤柱侧帮煤柱应力受力波动明显，这主要是由于煤柱受本工作面回采和临近采空区双重因素影响。

图8 15028回风巷煤柱侧帮垂直应力实测曲线

4 结 论

(1)随煤柱尺寸增加，沿空留巷巷道煤柱应力和巷道变形量持续降低，当煤柱尺寸增加到一定程度后，围岩应力降低不明显，此时增加煤柱尺寸，巷道围岩应力降幅不大，但巷道变形量继续显著降低。

(2)沿空掘巷巷道工作面侧帮垂直应力受临近采空区影响相对较小，受本工作面回采影响显著，不同深度煤层应力变化规律明显，当深度超过8m后从塑性区开始进入弹性区，垂直应力持续增大。

(3)沿空掘巷巷道采煤柱侧帮受本工作面回采和临近采空区影响显著，煤柱应力状态复杂，垂直应力峰值高，应力波动显著，易导致煤柱帮变形大，需针对性地加强煤柱帮支护强度。