王国举1,2
（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；
2.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000）
随着技术的不断改进，综放开采技术广泛应用于厚煤层开采，是煤矿实现高产高效的有效途径。在综放技术广泛应用的过程中也不断出现新的问题，如采出率低、含矸率高、区段煤柱留设及采场周围巷道布置不合理等[1]。区段保护煤柱的留设在很大程度上直接影响着采出率，煤柱尺寸留设过大采出率较低，留设过小可能无法控制巷道变形。针对煤柱尺寸优化问题，相关学者进行了理论分析与数值试验，初步设计煤柱尺寸，并通过工业性试验进行了验证[2-3]。近些年，为充分提高煤炭采出率，小煤柱沿空掘巷技术得到大力发展，并取得一定成果[4]。
东庞矿北井具有煤层埋藏浅、厚度大的特点，留设小煤柱沿空掘巷综放开采得到了广泛的推广应用。本文以东庞矿北井9205 工作面轨道巷为背景，采用理论分析，建立沿空掘巷上覆结构力学模型并确定保护煤柱的宽度，应用高精度微震监测系统对现场进行了监测，分析9205 轨道巷在工作面回采过程中围岩微震事件特征，圈定9205 轨道巷的破坏范围，研究9205 工作面回采过程中轨道巷的变形破坏机制，并验证煤柱宽度留设的合理性，同时对矿区类似条件下，推广留设小煤柱护巷积累基础数据。
9205 试采工作面北邻已回采的9203 工作面，南至F3 断层保护煤柱附近，西至工业广场保护煤柱附近。9205 试采工作面煤层结构复杂，沉积稳定，一般含多层夹矸，煤层及夹矸厚度有一定变化。92 煤厚度为2.5～2.8 m，平均厚度为2.65 m；
93 煤厚度为2.9 m，平均厚度为2.9 m，92 煤与93煤夹矸为碳质泥岩，厚度为0.7 m，平均厚度为0.7 m，煤层总厚度5.8～7.6 m，平均为6.25 m。煤层倾角为11°～14°，平均倾角为12.2°。走向长度762.6 m，倾斜长度83.5 m。9205 工作面平面布置如图1 所示。
图1 9205 工作面平面布置示意Fig.1 Plane layout of No.9205 Face
2.1 沿空巷道上覆覆岩结构
沿空巷道围岩的整体稳定性比实体煤巷更容易遭受到破坏，当巷道布置在应力降低区时，能够更好的维持巷道围岩的稳定性。根据采矿学中的砌体梁理论，沿空巷道砌体梁断裂结构如图2 所示。该砌体梁铰接结构的一个支点位于本区段老顶岩层内，另一个支点位于上区段采空区的冒落直接顶碎石上。当上区段回采过后，上覆岩层运动稳定之后，沿空巷道位于块体B 的下方，块体B 两端铰接的状态对工作面下的沿空巷道形成一种承载“保护”结构。沿空巷道在这种结构下受力较小容易支护。因此块体B 对沿空巷道上覆岩层大结构的稳定性起着重要作用。
图2 沿空巷道上覆岩层断裂结构模式Fig.2 Fracture structure of overlying strata in gob-side entry
在工作面回采过程中，受超前支承压力的影响，掘巷形成的稳定结构再次被打破，煤柱顶板的下沉让顶部破断铰接结构得到新的变形空间，岩块发生进一步回转，产生二次变形动压，实体煤帮和煤柱上支承压力增大，加速了巷道表面的位移。控制煤柱的变形不仅可以保证巷道服务期间的断面使用要求，而且可以稳定支撑顶板结构，优化围岩应力环境，使巷道围岩避免承受二次动载影响，因此提高小煤柱的稳定是控制沿空巷道围岩的关键。
2.2 煤柱的宽度
沿空巷道应布置在应力降低区内，留设的煤柱尺寸应满足隔离上工作面采空区、阻止老空水倒流进沿空巷道；
尽量提高采出率，减少煤炭资源的损失。煤柱宽度的留设大于极限平衡稳定宽度，才能形成巷道的稳定支护。
东庞矿北井9205 工作面轨道巷煤柱两侧9201工作面采空区和9205 轨道巷，依据巷道围岩极限平衡理论可得煤柱最小宽度计算公式，计算示意如图3 所示。
图3 9205 轨道巷留设煤柱示意Fig.3 Setting coal pillar of No.9205 track roadway
式中：Z1为9201 工作面回采后形成的塑性区宽度；
Z2为锚杆的有效长度，取1.8 m，增加15%的富裕系数；
Z3为煤柱的安全系数，按0.15 ～0.35（Z1+Z2） 计算。
由式2 可以发现，Z1的大小与煤厚有关，煤层越厚煤柱内的应力极限平衡区越大，其大小与自身强度参数粘结力C、摩擦角φ有关。代入东庞矿北井的煤体参数，得到9201 工作面回采后形成的塑形区煤柱平衡区宽度为2.1 m，锚杆的有效长度为1.8 m，则Z2=1.8×1.15=2.07 m，Z3=0.62 ～1.46 m，所以9205 轨道巷合理煤柱宽度为B=Z1+Z2+Z3=2.1 m+2.07 m+0.62 ～1.46 m，计算求得煤柱宽度为B=4.79 ～5.63 m，因此9205 轨道巷护巷煤柱合理宽度取6 m。
对待沿空巷道应先确定合适的上覆覆岩结构，将巷道布置在应力降低区内，是确保沿空巷道稳定的前提；
继而选择合理的保护煤柱厚度，在保证安全生产的前提下，提高采出率，减少煤炭资源的损失；
对煤柱进行必要的支护，选择合适的支护形式和支护强度，提高煤柱的承载能力，限制煤柱的初期变形；
在采动过程中对超前段进行支护，使回采工作顺利进行。
微震监测技术是通过监测系统对矿井煤岩破裂或其它物体在震动过程中的微震活动信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的监测方法，分析监测结果对监测对象的破坏状况、安全状况等做出评价，从而为预报和控制灾害提供依据的成套设备和技术[5-6]。微震监测可以确定微震事件的坐标位置，从而得到煤岩体破坏位置；
微震事件时间的密集型能够直观反映煤炭开采时间变化。对微震事件活动的特征研究有利于对采动应力、覆岩运动与破坏规律的进一步研究。
对东庞矿北井9205 工作面开采期间微震监测数据进行统计分析，统计时间为2021 年2 月7 日～2021 年3 月28 日，总计50 d，工作面回采轨道巷推进95 m，皮带巷推进84 m。自2021 年2 月7日开始回采，以10 d 为单位对工作面的微震事件进行统计，从而研究在工作面采动过程中上覆岩层结构对9205 轨道巷微震特征变化。把工作面一定范围内的微震事件以10 d 为一个统计周期表示在图上，如图4（a） ～4（e），图中竖线条表示为采线，分别为2.16 日、2.26 日、3.8 日、3.18 日、3.28 日；
图中线框内表示的9205 轨道巷附近的区域；
图中黑色点代表微震事件。
图4 微震事件分布图Fig.4 Microseismic events distribution
分析微震事件分布结果，得到以下结论：
（1） 正常回采过程中，微震事件总量多，轨道巷附近的数量也相应增多，说明微震事件的多少受采动影响决定。
（2） 工作面开采初期，轨道巷附近微震事件分布较分散，当轨道巷推进到34 m 时，微震事件开始增多，说明轨道巷在开采初期巷道稳定性良好，便于维护；
推过34 m 后，轨道巷微震事件在采线前方密集分布，分析为受超前支承压力的影响产生应力集中，围岩应力和能量聚集增大，围岩变形破裂增多，从而产生大量微震事件，现场表现为巷道片帮、底鼓。
（3） 随工作面的不断推进，当工作面初次见方的时候，9205 工作面推进距离与工作面长度在平面上投影为正方形。围岩应力和能量聚集增大，围岩变形破裂增多，从而产生大量微震事件。在此过程中，轨道巷出现片帮、底鼓，通过维护，回采工作正常运行。
（1） 通过对沿空巷道上覆巷道结构进行分析，巷道应布置在应力降低区内，得到了合理巷道布置的位置；
依据围岩极限平衡理论，9205 轨道巷护巷煤柱合理宽度取6 m。
（2） 轨道巷在采动过程中，初期巷道稳定性良好；
在推进34 m 后，微震事件开始增多；
推进到见方阶段时，微震事件显著增多。微震事件的发生与9205 轨道巷道围岩变化情况基本一致。
（3） 依据微震监测结果，圈定9205 轨道巷破坏范围，验证护巷煤柱宽度留设合理性，同时对矿区类似条件下推广留设小煤柱护巷积累基础数据。
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