张经纬
(汾西矿业集团公司水峪煤业，山西 孝义 032300)
1 工作面基本概况4203采面在4煤层～2煤层，井下标高为+790 m～+874 m，在4202采面以东，其中，4202工作面已回采完毕形成冒落采空区。依据勘查相关地质参数整理获得，4202工作面煤层活动趋于稳定，埋藏煤炭厚度较大，在7.2 m～8.1 m，均厚7.82 m，且煤层赋存不均，倾角范围0°～4°，1层～5层存在矸石，厚度1.15 m左右。
根据4203工作面上、下顺槽勘查及探煤厚资料得知，工作面煤层运动变化较小，煤厚7.20 m～8.46 m，均厚7.83 m。煤层近水平，倾角在2°～4°，平均在3°左右。在1层～5层出现矸石区段，厚度0.20 m～2.10 m，均厚1.15 m，煤层结构为：0.80(0.20)0.50(0.30)0.80(0.70)1.90(0.30)5.60，通过42盘区3条大巷及工作面两顺槽巷道的实际揭露，工作面地质构造简单，未发现大的构造存在，预估在采面回撤中无大的地质断裂带发育。煤层的顶板岩体参数以灰色长石石英中粒砂岩为主，次为玄色、灰色粉砂岩与中砂岩混合；底板下部是杂玄色炭质泥岩为主、少许灰白色泥质粉岩。
41盘区的水文地质条件简单，临近采场回采工作完成，采空区内岩层变形活动逐渐减弱，有利于矿压回避对支护的影响，煤层的完整性较好，有利于煤柱体的稳定，开挖断面较宽不规则断面结构稳定性较小，围岩体变形较晚。
2 模型建立为了比较差别范围内的区段煤柱体与沿空掘巷围岩断裂的联系，结合综采结构下区段煤柱两侧应力的探究[1-2]，以及得出的预留煤柱体合理范围宽度的推算数值，以4203综放面掘巷为建模背景，分别选取预留煤柱体宽度范围为5、10、15、20 m 4组数值模拟计算，研究沿空掘巷预留区段煤柱范围和掘巷后的顶底板、两帮壁应力值分布特征[3-5]，通过比较实验计算得出的综放下特厚煤层沿空掘巷巷道围岩收敛情况，得到研究参数结果。
1) 模型尺寸的确定
4203输送巷采用圆角矩形断面设计，工作面煤层埋深500 m，输送巷宽度为5.8 m，高度为3.5 m，采用锚杆加锚索支护形式预留小区段煤柱进行沿空掘巷。依据圣维南原理，开挖引起的围岩影响范围大概为巷道断面的5倍左右，区段煤柱位于上区段工作面采空区边缘位置，根据现场实际工况和模拟计算的要求，建立120 m×100 m×60 m(宽度×长度×高度)的三维模型。
2) 模型边界条件及围岩力学参数
模型底部沿垂直方向固定边界，其他各面均沿水平方向固定，水平、垂直和竖向位移均为零，即，几何模型上部边界载荷按500 m埋深均匀推算等效岩体自重压力，岩石体平均容重25 kN/m3，并将自重应力沿重力方向转化为均布压力以单元面压力加载与模型顶部。
3 模拟结果分析沿采空区方向预留5 m区段煤柱，每次向下一个工作区间扩展5 m，对区段煤柱内部的围岩应力变化情况进行分析研究；比较采空区侧预留煤柱边缘应力数值分析，对不同范围的煤柱体，即，5、10、15、20 m 4种情况下的区段煤柱体两侧塑性区变化进行研究；沿采空区掘进巷道，利用锚网索对巷道进行支护加固，分析区段煤柱和巷道的位移及围岩应力变化，就以上数值模拟分析结果进行综合对比，保证区段煤柱核心承载力，成功实施特厚煤层下的沿空掘巷，维护巷道围岩的稳定。
3.1 区段煤柱一侧边缘应力分析沿采空区一侧距离下一个工作面运输巷道5 m位置处进行第一次计算机数值模拟，通过增加采空区到未掘进运输巷的距离来进行多次试验，每次扩展增加5 m得到区段煤柱边缘不同宽度下同一截面，区段煤柱内位移如图1所示。
取采空区中部位置到未开挖巷道需掘进的顶板位置，将每个区段距离进行10等分，对采空区一侧边缘围岩体的位移变化进行分析。
图1 不同采空区距未掘进巷道距离区段煤柱内位移变化曲线
由以上变化曲线图可以看出：
1) 5 m时水平和垂直位移变化较均匀，距采空区3 m处时变化在4 mm左右，垂直位移和水平位移在3.5 m处重合；
2) 10 m和15 m处垂直位移不断增大，距离采空区边缘位置4.5 m～5.0 m内增加速率不断减小，由于采空区垮落岩体的垂直变形，导致采空区碎涨岩块不断压实，采空区内的位移变化量在不断减小，顶板和未垮落煤段由于悬臂梁作用的断裂产生回转下沉，但由于采空区变形的不断稳定，对顶板的下沉有向上的支撑力，在10 m时的5 m位置和15 m的4.5 m位置以后垂直位移变化逐渐趋于稳定；
3) 20 m的水平和垂直位移变化范围较大，在19 mm左右，最大值和最小值也是其他3个区段的2倍左右，说明煤柱体宽度范围过长会造成应力数值的叠加和聚集，区段煤柱里面出现裂隙，应力分布不均匀，产生拱形叠加效应；
4) 在5、10、15 m三个区段的x方向位移变化相对均匀，20 m处的变化在14 mm，产生波浪段的不均匀增加和减小，端头5 m左右范围内变化在1 mm～4 mm，水平位移影响在一段距离内变化起伏不大，说明区段煤柱主要是受到上覆岩体垮落产生的回转下沉，在垂直方向上的围岩位移变化，水平作用下由于采空区冒落岩体堆积压实，产生的侧向挤压作用，相对于垂直方向导致的下沉破坏对区段煤柱围岩作用较小。接下来应该着重对采空区边缘区段煤柱内部垂直应力进行更深入的研究。
取煤柱中部到预掘进巷道直接顶板位置区段，对此距离内的垂直应力分布进行研究，绘制出冒落区边沿位置距预掘进巷道处不同范围的垂直压应力分布变化图，如图2所示。
图2 采空区距未掘进巷道区段煤柱垂直应力变化曲线
对比上面的图2可知：
1) 20 m处和其他三个区段对比，垂直应力突然增大，应力值从3 MPa增加到12 MPa，5 m时端头3 m处应力值和10 m及15 m处变化接近，10 m处垂直应力值变化范围为0.5 MPa，比15 m处应力值变化范围1.9 MPa要小，但是2 m处5 m处的垂直应力突然增大为2倍左右，说明对于不同区段煤柱应力存在增高区和降低区，长度可以有效地卸载压力，10 m是4种方案内应力值变化最小的。
2) 从图2可以看出，5 m和20 m处的围岩垂直应力范围较大，10 m和15 m变化范围较小，当沿采空区向掘进区巷不断逼近时，应力值的变化是先增大，然后降低，趋于稳定再突然增大，说明区段煤柱核心承载力是有一定范围的，超出这个范围，煤柱便会破坏，承载力将会大大降低，围岩周边应力会重新分布变化。
3) 通过图2对比可以看出，围岩的竖向应力在10 m～15 m时变化相对均匀，变化范围是2.5 MPa～3.5 MPa，平均竖向应力在3 MPa左右，5 m时距离采空区边缘2 m内垂直应力值稳定在3 MPa，在20 m处垂直应力变化增大到2倍以上，可能由于采空区侧顶板回转下沉，其应力在区段煤柱内部转移集中，符合沿空掘巷围岩活动变化特点。
3.2 沿空掘巷围岩模拟分析上区段开采完毕，采空区冒落稳定后，由于下区段巷道的挖掘又会导致围岩应力的重置，对于区段煤柱的应力分布造成影响，导致煤柱两侧塑性区产生变化。
取采空区边缘中部位置到掘进巷道顶板位置，沿输送巷道掘进方向预留煤柱内部10 m范围内，对此区段影响内的煤柱体围岩位移量进行比较，绘制区段煤柱不同宽度下围岩位移变化值表，如表1所示。
表1 区段煤柱不同宽度下围岩位移
由表1可知，区段煤柱体范围从5 m增至10 m，围岩主要位移区间减小，位移最大值减小13 mm，最小值基本保持不变，在20 mm左右；从10 m增加到15 m时，围岩主要位移区间增大，但是无论是主要位移区间变化，还是最大值和最小值都保持在3 mm范围内；从15 m增加到20 m时，位移突然减小，两帮和顶板下沉量急剧减小，内部破碎两侧宽度冗长。说明在5 m～15 m宽度内区段煤柱进入塑性区，但未发生破坏，核心承载区稳定性得到控制，在10 m处的范围变化和位移值是最小的，应该是合理的区段煤柱宽度，20 m处由于区段煤柱宽度过长，可能导致一部分煤柱破坏，变形加剧，区段煤柱的承载性大大降低。
对于沿空掘巷成功与否关键在于区段煤柱核心承载区的稳定性，开挖巷道后采用怎样的支护形式和支护参数才能更好地控制巷道周边围岩的变形，不同的地质参数具体到实际工程，巷道的收敛和应力变化也是衡量沿空掘巷成功与否的标准。针对差别范围内开挖阶段巷道顶板的下沉量和应力分析，如图3所示。
图3 区段煤柱不同宽度下巷道顶板下沉量变化曲线
对比变化曲线分析：
1) 20 m宽度的煤柱顶板下沉量远大于其他宽度处，最大变形量达到1 325 mm，几乎是其他煤柱宽度最大值的2倍，此时，根据变形特点可以推断出，由于区段煤柱宽度过长导致顶板以上岩梁臂发生断裂，回转产生的弯矩无法得到卸载，未垮落煤层由于压力的集中导致破断，向下个工作面滑动下沉，增加了下个工作面掘进巷道顶板的下沉。
2) 从以上变化曲线可以看出，巷道两端部位的相对变形量大于中间部分，围岩变形导致的应力重新分布，对于区段煤柱核心承载区的影响，在宽度为5 m～10 m，顶板变形量在400 mm～600 mm，在10 m处为最小变形量，为347 mm，相比较而言，10 m和15 m宽度下，由于区段煤柱核心区较好地承载了两侧断裂挤压变形带来的变化，煤岩体进入塑性区但是未发生破坏，巷道边缘支撑压力处于降低区，较好地达到了泄压的目的，也极大地节约了煤炭资源。
4 结论根据4203工作面地质参数，对特厚煤层下综采沿空掘巷预留煤柱进行数学建模，并运用MIDAS/GTS软件对不同宽度的煤柱的围岩变形和应力变化采取数值模拟，得出合理的区段煤柱宽度，对区段煤柱一侧的边缘应力进行了模拟分析，得出区段煤柱一侧压力变化范围和不同宽度导致应力分布情况。
1) 通过模拟分析对比结果，得出区段煤柱一侧边缘应力存在升高和降低区，5 m时侧向压力在逐步升高，导致围岩变形和应力重叠，10 m时压力变化和位移均降低，变化区间也是最小，15 m时压力增加，位移变化减小，20 m处应力与位移变化又突然加剧。10 m处围岩位移的最大值与最小值以及竖向应力是4种方案中变形最为稳定的，10 m处的竖向应力变化范围接近15 m处。
2) 对比了区段煤柱两侧开挖导致的塑性区变化，区段煤柱围岩的位移变化和围岩的竖向应力分布，得出区段合理煤柱跨度为10 m左右，当区段煤柱变形量至2倍以上时，区段煤柱核心承载区的完整度将大大减小，煤柱的极值大小逐渐增大。
3) 距离顶板5 m～15 m范围内，合理的煤柱宽度对巷道的顶板下沉和应力分布有影响，合理的区段煤柱宽度能够有效地避免上覆岩层的破坏变形导致的滑落失稳，顶板压力和围岩变形速率是先增加后降低，10 m的煤柱宽度可以较好地控制巷道的稳定性。
