赵文涛

(北京龙软科技股份有限公司，北京 海淀 100190)

山西马军峪煤矿井田位于长治市沁源县聪子峪乡三义村。90109综放工作面地质条件和地质构造相对简单，大体走向为由西向东、由高到低，煤层整体倾斜角度为5～13°。90109综放工作面内部不存在褶曲和断层之类的特殊地质条件。马军峪煤矿90109综放工作面所要开采的9+10号煤层的平均煤厚为6.2 m。巷道的宽、高分别为6 m、3.6 m，沿着底板岩层布置。直接顶为石灰岩，平均厚度为7.03 m，上覆岩层基本顶是平均厚度为16.42 m的砂岩，下部岩层的直接底板为均厚2.52 m的泥岩，老底为均厚5.44 m的细粒砂岩。

90109工作面运输巷受临近工作面采动动压的影响，巷道顶底板及两帮岩层出现一定程度的损坏，原有的巷道应力场遭到破坏。上一区段90108综放工作面回采的过程中，留设25 m宽的煤柱，巷道支护效果并没有改善，浪费了许多矿产资源。因此，90109综放工作面留设的煤柱宽度亟需进一步优化。

1 煤柱宽度理论计算

弹性核理论是指要判断煤柱宽度是否合理，应该使上一区段工作面侧和下一区段巷道掘进侧的煤柱在产生塑性变形之后，留设的煤柱中心位置处存在一定宽度尺寸的弹性应力区以维护煤柱的平衡，这一弹性区的煤柱宽度应该不小于煤层开采高度的二倍，即合理煤柱宽度由式(1)计算得到：

L1=x0+2m+x1

(1)

式中：L1为弹性核理论下一区段煤柱的合理宽度，m；x0为煤柱在上一区段工作面回采的过程中形成的塑性区域的宽度，m；x1为煤柱在下区段回采巷道掘进时形成的塑性区宽度，m；m为该煤层的采高，取4.8 m。

由极限平衡理论可以得出x0的计算公式(2)以及x1的计算公式(3)。

(2)

(3)

式中：px为煤柱帮的支护阻力，取0.2 MPa；α、β为Mises准则系数，分别取0.26、0.82。计算得到x1=2.41 m。通过以上计算可以得到弹性核理论中90109合理区段煤柱宽度L1为19.39 m，为了工程实践中记录简便，区段煤柱宽度取近似值20 m。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型相关参数

以马军峪煤矿90109工作面为工程背景，建立长×宽×高=195 m×120 m×80 m的数值模型，为了提高模型模拟结果的准确度，将模型中开挖的巷道和保护煤柱两边的网格加密，之后给模型赋值的过程中运用到的实际岩层力学相关参数见表1。根据实际煤层埋深400 m、煤层以上岩层的平均容重25 kN/m3可以计算得到煤层的初始应力值。分别模拟15.0 m、20.0 m、25.0 m时三种不同的煤柱宽度。当煤柱宽度为15.0 m时，煤柱内部的垂直应力最大值约为30 MPa；当区段煤柱宽度增加为20.0 m时，90109工作面运输巷道一侧应力最大值减小至10 MPa；当留设的煤柱宽度整体增加为25 m时，90109工作面运输巷道一侧应力峰值增大为19 MPa。

表1 90109综放工作面顶底板岩层物理力学参数

2.2 不同宽度煤柱巷道表面位移量分析

通过模拟90109综放工作面不同宽度煤柱，得到回采期间巷道表面位移如表2所示。

表2 回采期间巷道表面位移量 mm

由表2可知，巷道留设的煤柱宽度为15 m时，两帮位移量总和为728.37 mm，巷道中位于煤柱这一侧的巷帮位移量明显大于巷道中位于实体煤这一侧的移近量，巷道上覆岩层中直接顶板和直接底板之间的相对移近量总和为400.5 mm，此时巷道顶板和底板不稳定。留设煤柱宽度为20 m时，两帮的移近量的总和为694.15 mm，巷道左帮和右帮的移近量总和略有缩小，巷道上覆岩层中直接顶板和直接底板之间的相对移近量为304 mm，巷道顶底板移近量比起15 m的煤柱宽度明显变小,此时巷道留设的煤柱宽度能有效控制围岩的破碎情况，巷道顶底板及两帮的整体效果较好，煤柱起到了应有的支护效果。巷道上覆岩层中直接顶板和直接底板之间相对移近量的总和在煤柱宽度为25 m时增加明显，其数值为484.52 mm，此时巷道左帮和右帮位移总和为1 000.63 mm，巷道围岩移近量和煤柱宽度为15 m时的数值相比增加不明显，但比留设煤柱宽度为20 m时明显增大。

3 巷道围岩支护设计

巷道顶板采用锚杆锚索共同支护，90109综放工作面回风巷上覆岩层所布设的锚杆的型号为MSGLW—335，锚杆的直径为22 mm、长为2 400 mm，间距为1 200 mm，排距为900 mm，顶板布设两根角锚杆，角锚杆距离两帮的距离为1 150 mm，倾角为20°。顶板每排布设3根锚索，锚索的间距为2 000 mm，排距为900 mm，巷道左侧巷帮所布设锚杆的间距为900 mm，排距也为900 mm。巷道左帮角锚杆呈倾斜布置，与巷道左帮的倾角为20°，巷道左帮位于顶部位置的角锚杆距离巷道顶板300 mm，巷道左帮位于底部位置的角锚杆距离巷道下覆岩层底板600 mm，巷道具体支护参数如图1所示。

图1 巷道支护断面(mm)

4 区段煤柱应用效果分析

90109综放工作面和90108综放工作面之间留设20 m的区段煤柱，等上覆岩层的应力稳定之后，在90109工作面的运输巷内留设的煤柱这一侧布置9个钻孔应力计测点，从2 m到18 m，每间隔2 m安设1个钻孔应力计。图3为90109综放工作面推进到距离测点分别为16 m和6 m时，煤柱内部所需支承上覆岩层压力的分布曲线。

由图2可知，90109综放工作面回采至距测点16 m和6 m位置处时，煤柱内部承受支承压力的最大值分别为17.5 MPa和48 MPa，表明煤柱受到附近工作面的采动影响随着靠近90109综放工作面而变得更加明显，煤柱承受的压力也愈发增大；但是煤柱内部所受到的应力集中的位置随着工作面的不断向前推进基本保持不变。图2中运输巷一侧的煤柱距离工作面位置的距离分别为15 m和5 m时煤柱内部存在的弹性核宽度大于2倍的煤层实际开采高度值，其对应的弹性核宽度分别为10.8 m和10 m，因此留设20 m宽的煤柱可以保证90109综放工作面的安全回采。

图2 90109综放工作面回采过程中20 m煤柱内部支承压力分布曲线

5 结 语

以马军峪煤矿90109工作面留设的保护煤柱的宽度及巷道支护采取的相应方案为背景，依据马军峪煤矿的地质条件，通过理论计算、数值模拟验证了留设20 m宽的区段保护煤柱比较合理。90109综放工作面回采过程中，对留设的煤柱进行钻孔应力监测，通过对现场监测数据的分析，得出20 m宽的区段保护煤柱可以有效控制巷道变形、维护巷道自身的稳定，以保证90109综放工作面安全有序回采。