谷拴成 王博楠 李金華 蘇培莉 王建文 陳 菲

(1. 西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西省西安市，710054； 2. 陜煤集團神南檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719300)

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回撤通道保護煤柱應力分布及其影響因素分析

谷拴成1王博楠1李金華1蘇培莉1王建文2陳 菲2

(1. 西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西省西安市，710054； 2. 陜煤集團神南檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719300)

基于理論分析方法，針對綜采工作面末采階段老頂在回撤通道保護煤柱上方斷裂這一破壞形式建立力學分析模型，研究了保護煤柱在這一破壞形式下的應力分布規(guī)律，并分析相關參數(shù)對保護煤柱應力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，老頂在保護煤柱上方斷裂時，應力峰值偏向輔回撤通道一側(cè)，且老頂斷裂位置和留設寬度對煤柱的應力分布形式影響很大，其對末采階段保護煤柱和回撤通道的圍巖穩(wěn)定起關鍵作用，在進行回撤通道保護煤柱寬度設計時，應充分考慮上述因素對煤柱穩(wěn)定性的影響，對保護煤柱留設寬度進行合理優(yōu)化，保證工作面回撤過程中的圍巖穩(wěn)定性。

綜采工作面 回撤通道 斷裂位置 保護煤柱 應力分布

回撤通道是綜采工作面進行設備回撤和搬家時主要的使用巷道?；爻吠ǖ啦贾梅绞綄е缕鋺Νh(huán)境較為特殊，相對于其他回采巷道更容易發(fā)生嚴重的圍巖變形。在幾種回撤技術中，目前較多采用的是預掘雙回撤通道技術。相比于單回撤通道，雙回撤通道的布置方式增加了輔回撤通道專門進行設備的運輸，因此回撤效率和安全性都有很大的提高。但雙回撤通道由于其布置方式的特殊性，需要在兩條回撤通道之間留設保護煤柱以保證回撤通道的圍巖穩(wěn)定。當煤柱留設寬度較大時，雖然能夠保證巷道穩(wěn)定，但卻會造成資源的極大浪費，留設寬度過小又會使煤柱的支撐能力不足，易導致設備回撤過程中回撤通道圍巖持續(xù)發(fā)生大的變形，進而增加設備回撤的風險和降低設備搬家效率。

目前針對回撤通道的研究主要集中在圍巖變形破壞規(guī)律和礦壓觀測方面，而針對雙回撤通道工藝中存在的保護煤柱應力分布及穩(wěn)定性問題研究很少。本文在現(xiàn)有的回撤通道圍巖變形破壞研究的基礎上，針對不同破壞形式分別建立力學模型，通過研究頂板破壞形式對回撤通道保護煤柱幫部應力分布的影響，并結(jié)合回撤通道現(xiàn)場鉆孔應力實測數(shù)據(jù)，確定工作面和回撤通道貫通后頂板的斷裂位置，為回撤通道的圍巖控制提供一定的理論依據(jù)。

1 回撤通道老頂巖塊斷裂形式

當回采工作面距離回撤通道較遠時，老頂?shù)闹芷趤韷簩爻吠ǖ啦粫a(chǎn)生影響；在工作面進入末采階段直至與回撤通道貫通時，老頂周期來壓會對回撤通道產(chǎn)生劇烈的影響。當工作面與回撤通道貫通后，回撤通道靠工作面一側(cè)的煤體被采空，此時回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)問題類似于沿空留巷中的窄煤柱受力問題。現(xiàn)有的理論研究認為，工作面與回撤通道貫通后，老頂巖梁會存在3種不同的斷裂位置，即可能會在工作面掩護式支架后方、回撤通道上方和保護煤柱上方斷裂，而3種斷裂方式中，在保護煤柱上方斷裂顯然是對煤柱穩(wěn)定性影響最大的一種。老頂在保護煤柱上方斷裂的破壞形式如圖1所示。

圖1 回撤通道與工作面貫通后老頂斷裂位置

由圖1可以看出，當老頂在保護煤柱上方斷裂時，煤柱上方存在兩種結(jié)構(gòu)，即主回撤通道上方的垮落帶巖體和輔回撤通道上方的懸臂結(jié)構(gòu)巖體。當主回撤通道內(nèi)的支架撤出后，斷裂形成的垮落巖塊會進一步發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，而此時保護煤柱會承擔來自頂板的全部荷載。若煤柱留設寬度過小，其靠近主回撤通道的部分可能會由于垮落巖塊的壓力而發(fā)生失穩(wěn)，而當剩余部分煤柱無法支撐頂板懸臂部分時，老頂就會繼續(xù)在輔回撤通道或外側(cè)煤柱上方再次斷裂，形成的沖擊礦壓會直接影響輔回撤通道，對回撤通道的圍巖穩(wěn)定極為不利。

2 保護煤柱應力分析

由上述分析可知，當老頂在保護煤柱上方斷裂時對煤柱穩(wěn)定性影響較大，因此對保護煤柱的穩(wěn)定性進行研究，就需要對最不利情況下的煤柱應力進行計算分析。老頂在保護煤柱上方斷裂形式的力學分析模型如圖2所示。

圖2 力學模型

由圖2可知，當老頂在煤柱上方破斷時，影響保護煤柱應力大小的主要是其上部直接作用的覆巖壓力q(x)、垮落帶巖體壓力q以及來自輔回撤通道和工作面頂板重量在煤柱上方產(chǎn)生的彎矩影響。

根據(jù)覆巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，斷裂位置前方的頂板壓力q(x)為：

(1)

式中：q(x)——保護煤柱上部直接作用的覆巖壓力，kPa；

k——應力集中系數(shù)；

γ——上覆巖層容重，kN/m3；

H——覆巖埋深，m；

f——摩擦系數(shù)；

m——采高，m；

d——頂板斷裂位置，m。

保護煤柱上方直接作用覆巖均布荷載為：

(2)

式中：W1——輔回撤通道寬度，m。

在均布荷載q1作用下，根據(jù)彈性力學半平面體受均布力作用原理，可得到煤柱內(nèi)任意點的應力分量。以垂直應力分量為例，保護煤柱內(nèi)距頂板垂直距離為b，距主回撤通道邊緣水平距離為a的任意點的垂直應力分量為：

(3)

式中：σy1——均布荷載q1作用下在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的垂直應力分量，kPa；

B——保護煤柱寬度，m；

a——距主回撤通道邊緣水平距離，m；

b——距頂板垂直距離，m。

同理可得，垮落帶直接作用在保護煤柱上方的部分在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的垂直應力分量為：

(4)

式中：σy2——垮落帶直接作用下在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的垂直應力分量，kPa；

γ1——垮落帶巖體容重，kN/m3

Hm——垮落帶高度，m。

輔回撤通道上方頂板在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩為：

(5)

式中：M1——輔回撤通道上方頂板在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩，kN·m。

根據(jù)彈性力學中半平面受彎矩作用原理，可得到保護煤柱內(nèi)的垂直應力分量為：

(6)

式中：σy3——輔回撤通道上方頂板在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩作用到保護煤柱內(nèi)的垂直應力分量，kPa。

同理，在考慮回撤通道內(nèi)垛式支架和工作面掩護式支架的支撐作用下，工作面頂板垮落帶在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩為：

(7)

式中：M2——工作面頂板垮落帶在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩，kN·m；

l——垮落帶寬度，m；

f1——主回撤通道上覆巖體摩擦系數(shù)；

f2——工作面上覆巖體摩擦系數(shù)。

在保護煤柱內(nèi)的垂直應力分量為：

(8)

式中：σy4——工作面頂板垮落帶作用在保護煤柱上產(chǎn)生的彎矩作用到保護煤柱內(nèi)的垂直應力分量，kPa。

保護煤柱內(nèi)總應力大小由原巖應力與老頂斷裂產(chǎn)生的附加應力相疊加，由式(3)、(4)、(6)和(8)可得：

σy=σ0+σy1+σy2+σy3+σy4

(9)

式中：σy——保護煤柱內(nèi)承受的垂直應力分量，kPa；

σ0——原巖應力，σ0=γH，kPa。

由上述各式可以看出，當支護強度一定時，保護煤柱應力主要與老頂斷裂位置d、煤柱留設寬度B、覆巖荷載γH、垮落帶荷載γ1Hm、末采階段周期來壓步距l(xiāng)等因素有關。

3 保護煤柱應力分布及影響因素分析

以檸條塔煤礦N1206綜采工作面回撤通道為例對保護煤柱應力進行分析。N1206工作面采用雙通道工藝回撤，保護煤柱寬度為25 m，主回撤通道寬5.9 m，高4.45 m，輔回撤通道寬5.2 m，高4.05 m；回撤通道上方平均埋深約180 m，平均采高5.5 m；取上覆巖層平均重度γ=25 kN/m3，垮落帶巖體重度γ1=23 kN/m3，垮落帶高度按6～8倍采高確定，末采階段平均周期來壓步距17.9 m，取工作面頂板應力集中系數(shù)k=2。根據(jù)現(xiàn)場采用的支架參數(shù)，取垛式支架支護強度f1=1.32 MPa，工作面液壓支架支護強度f2=1.16 MPa，工作面支架控頂距為5.9 m。將以上參數(shù)帶入式(3)、(4)、(6)和(8)，取任意點距主回撤通道邊緣水平距離a(a<20 m)，距頂板垂直距離b取固定值2 m。根據(jù)不同參數(shù)采用單因素和多因素影響分析法得到參數(shù)變化時的煤柱應力變化規(guī)律。

3.1 老頂斷裂位置對煤柱應力影響規(guī)律分析

本文僅針對老頂在保護煤柱上方斷裂的情況進行討論。因此老頂斷裂位置d選取在保護煤柱上方由輔回撤通道側(cè)至主回撤通道側(cè)共3個值，得到老頂不同斷裂位置對煤柱應力影響的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同斷裂位置時的煤柱應力變化規(guī)律

對比分析3種不同斷裂位置下的煤柱應力，由圖3可知：

(1)當老頂在靠近主回撤通道一側(cè)斷裂時，保護煤柱應力峰值現(xiàn)象不顯著，煤柱應力最大值位于17 m處，偏向輔回撤通道一側(cè)，約為5.5 MPa，應力在靠近輔回撤通道側(cè)煤柱邊緣處應力降低至2.6 MPa。

(2)當斷裂位置在保護煤柱中部位置和靠近輔回撤通道時，煤柱應力呈單峰值分布形式，應力最大值分別位于21 m和24 m處，應力值達到約6.0 MPa和7.2 MPa，在輔回撤通道側(cè)煤柱邊緣處應力降低至4.5 MPa和6.8 MPa。

(3)煤柱應力峰值位置整體偏向輔回撤通道一側(cè)，并隨著斷裂位置向輔回撤通道靠近會進一步偏向輔回撤通道一側(cè)的煤柱邊緣，且偏向輔回撤通道一側(cè)煤柱整體應力水平不斷增高。

綜合上述分析可知，由于保護煤柱的應力峰值整體偏向輔回撤通道一側(cè)，因此當老頂斷裂位置靠近輔回撤通道時，會出現(xiàn)煤柱邊緣處的應力仍遠大于原巖應力的現(xiàn)象，因而導致輔回撤通道圍巖處于較高的應力水平下，將不利于保持輔回撤通道的圍巖穩(wěn)定。在綜采面的設備回撤階段，主回撤通道在設備撤出后將封閉不再使用，但輔回撤通道通常仍會作為礦井的輔助使用巷道，因此應避免老頂斷裂位置過于靠近輔回撤通道一側(cè)，即老頂斷裂位置越偏向主回撤通道，對輔回撤通道的影響就越小。

3.2 煤柱留設寬度與煤柱應力影響規(guī)律分析

當保護煤柱留設寬度不同時，應力的分布規(guī)律也會發(fā)生變化，以下對保護煤柱留設寬度B分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m時的應力進行分析，得到不同寬度的煤柱應力變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同寬度的煤柱應力變化規(guī)律

由圖4可知：

(1)當煤柱留設寬度小于10 m時，應力呈持續(xù)增大趨勢，在輔回撤通道側(cè)煤柱邊緣處應力達到最大值6.6 MPa；當煤柱留設寬度在10～20 m時，應力分布規(guī)律開始呈峰值分布形式，在煤柱邊緣處開始呈下降趨勢，但應力值仍處于較高水平；當煤柱留設寬度大于20 m后，在邊緣處應力降幅很大，且煤柱整體應力值有所降低。

(2)保護煤柱留設寬度超過20 m后，對末采階段保證輔回撤通道的穩(wěn)定性越有利，但留設寬度過大會同時也會造成資源的浪費。以N1206工作面為例，該工作面輔回撤通道的最大頂板下沉量未超過20 mm，說明其25 m保護煤柱留設寬度較為合理，并且存在一定的優(yōu)化空間。

3.3 覆巖賦存條件對煤柱應力影響規(guī)律分析

以埋深H為變量，保護煤柱寬度B取25 m，假設斷裂位置位于煤柱中部，取任意點至主回撤通道邊緣水平距離a分別為6 m、12 m和24 m，得到保護煤柱內(nèi)不同位置處應力隨埋深的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，保護煤柱各處應力隨巷道埋深的增加均呈線性增大趨勢，但偏向輔回撤通道側(cè)的煤柱應力增大速率較大。結(jié)合前文分析可知，產(chǎn)生這一規(guī)律的原因是由于保護煤柱的應力峰值位置位于中部偏向輔回撤通道一側(cè)。

圖5 煤柱應力隨巷道埋深變化規(guī)律

3.3 采場因素對煤柱應力影響規(guī)律分析

采場因素主要包括采高m、垮落帶高度Hm、周期來壓步距l(xiāng)。分別以采高、垮落帶高度和周期來壓步距為變量，對保護煤柱不同位置處的應力變化規(guī)律進行分析。由于老頂斷裂位置與周期來壓步距相關，因此針對周期來壓步距還應結(jié)合不同的斷裂位置進行分析。

采用單因素分析法得到的保護煤柱應力隨采高和垮落高度的變化規(guī)律分別如圖6和7所示。由圖6和圖7可知：

(1)隨著采高的增大，煤柱應力呈指數(shù)增大趨勢，但增幅較??；保護煤柱靠近輔回撤通道一側(cè)的應力增幅相對較大，但最大增幅也僅約為0.1 MPa，說明采高的增大對保護煤柱應力的影響較小。

(2)隨著垮落帶高度的增加，煤柱應力呈線性增大趨勢，與圖5的變化規(guī)律較為接近；同理，由于應力峰值位置偏向輔回撤通道，因此隨著垮落高度的增大輔回撤通道一側(cè)的應力增加速率更大。

采用多因素分析法得到的保護煤柱應力隨老頂斷裂位置和周期來壓步距的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，當斷裂位置靠近輔回撤通道且周期來壓步距較大時，煤柱應力整體呈增大趨勢，而在周期來壓步距較小時呈單峰值分布形式；當斷裂位置在煤柱中部或靠近主回撤通道時，周期來壓步距的改變對煤柱應力的大小影響相對較小，但整體上煤柱應力仍隨著周期來壓步距的增加呈增大趨勢。

圖6 煤柱應力隨工作面采高變化規(guī)律

圖7 煤柱應力隨垮落帶高度變化規(guī)律

圖8 不同斷裂位置和周期來壓步距的煤柱應力變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)根據(jù)綜采工作面在末采階段的3種老頂斷裂形式，以回撤通道保護煤柱為研究對象，分析老頂不同斷裂位置對煤柱的影響程度。通過分析發(fā)現(xiàn)，老頂在保護煤柱上方斷裂時對煤柱應力的影響最大，并基于彈性力學理論建立老頂在保護煤柱上方斷裂時的力學模型，求解得到保護煤柱的應力計算公式。

(2)保護煤柱應力主要與老頂斷裂位置、煤柱留設寬度、圍巖賦存條件、工作面采高、垮落高度及周期來壓步距等因素有關。通過分析發(fā)現(xiàn)，老頂在保護煤柱上方斷裂時應力峰值偏向輔回撤通道一側(cè)，且老頂斷裂位置和留設寬度對煤柱的應力分布形式影響很大，對末采階段保護煤柱和回撤通道的圍巖穩(wěn)定起關鍵作用。

(3)保護煤柱留設寬度超過20 m時，應力峰值位置會遠離輔回撤通道，同時靠近輔回撤通道一側(cè)的煤柱邊緣處應力值降低幅度增大，對輔回撤通道的影響也越小。在工程實踐中，應針對不同的工作面條件，對保護煤柱的留設寬度進行優(yōu)化。

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(責任編輯 陶 賽)

Research on stress distribution and impact parameters of protective coal pillar at retracement channel

Gu Shuancheng1, Wang Bonan1, Li Jinhua1, Su Peili1, Wang Jianwen2, Chen Fei2

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an, Shaanxi 710054, China； 2.Shennan Ningtiaota Mining Co., Ltd., Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719300, China)

According to the failure mode of main roof fracture position above protective coal pillar at retracement channel at the ending stage of fully mechanized face, established the mechanical model and studied the stress distribution law and analyzed the influence of relevant parameters on stress of protecrive pillar. The results showed that the peak stress was closer to the secondary retracement channel when the fracture position was above the protective coal pillar, and the fracture position and coal pillar width had great influence on the form of stress distribution. In the coal pillar width design process, the influence of those factors on coal pillar stability should be fully considered. By rational optimization can the width of protective coal pillar ensure the stability of the surrounding rock in retracement channel.

fully mechanized face, retracement channel, fracture position, protective coal pillar, stress distribution

國家自然科學基金項目(51508462)

谷拴成，王博楠，李金華等. 回撤通道保護煤柱應力分布及其影響因素分析 [J]. 中國煤炭，2017，43(3)：36-40，52.GuShuangcheng,WangBonan,LiJinhua,et.al.Researchonstressdistributionandimpactparametersofprotectivecoalpillaratretracementchannel[J].ChinaCoal，2017，43(3)：36-40，52.

TD

A

谷拴成(1963-)，男，陜西扶風人，教授，博士，博士生導師，現(xiàn)任西安科技大學建筑與土木工程學院院長，主要從事巖土工程、地下抗震及地下結(jié)構(gòu)可靠度等方面的教學與研究工作。