回撤通道保护煤柱应力分布及其影响因素分析

谷拴成 王博楠 李金华 苏培莉 王建文 陈 菲

(1. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西省西安市，710054； 2. 陕煤集团神南柠条塔矿业有限公司，陕西省榆林市，719300)



回撤通道保护煤柱应力分布及其影响因素分析

谷拴成1王博楠1李金华1苏培莉1王建文2陈 菲2

(1. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西省西安市，710054； 2. 陕煤集团神南柠条塔矿业有限公司，陕西省榆林市，719300)

基于理论分析方法，针对综采工作面末采阶段老顶在回撤通道保护煤柱上方断裂这一破坏形式建立力学分析模型，研究了保护煤柱在这一破坏形式下的应力分布规律，并分析相关参数对保护煤柱应力的影响规律。研究结果表明，老顶在保护煤柱上方断裂时，应力峰值偏向辅回撤通道一侧，且老顶断裂位置和留设宽度对煤柱的应力分布形式影响很大，其对末采阶段保护煤柱和回撤通道的围岩稳定起关键作用，在进行回撤通道保护煤柱宽度设计时，应充分考虑上述因素对煤柱稳定性的影响，对保护煤柱留设宽度进行合理优化，保证工作面回撤过程中的围岩稳定性。

综采工作面 回撤通道 断裂位置 保护煤柱 应力分布

回撤通道是综采工作面进行设备回撤和搬家时主要的使用巷道。回撤通道布置方式导致其应力环境较为特殊，相对于其他回采巷道更容易发生严重的围岩变形。在几种回撤技术中，目前较多采用的是预掘双回撤通道技术。相比于单回撤通道，双回撤通道的布置方式增加了辅回撤通道专门进行设备的运输，因此回撤效率和安全性都有很大的提高。但双回撤通道由于其布置方式的特殊性，需要在两条回撤通道之间留设保护煤柱以保证回撤通道的围岩稳定。当煤柱留设宽度较大时，虽然能够保证巷道稳定，但却会造成资源的极大浪费，留设宽度过小又会使煤柱的支撑能力不足，易导致设备回撤过程中回撤通道围岩持续发生大的变形，进而增加设备回撤的风险和降低设备搬家效率。

目前针对回撤通道的研究主要集中在围岩变形破坏规律和矿压观测方面，而针对双回撤通道工艺中存在的保护煤柱应力分布及稳定性问题研究很少。本文在现有的回撤通道围岩变形破坏研究的基础上，针对不同破坏形式分别建立力学模型，通过研究顶板破坏形式对回撤通道保护煤柱帮部应力分布的影响，并结合回撤通道现场钻孔应力实测数据，确定工作面和回撤通道贯通后顶板的断裂位置，为回撤通道的围岩控制提供一定的理论依据。

1 回撤通道老顶岩块断裂形式

当回采工作面距离回撤通道较远时，老顶的周期来压对回撤通道不会产生影响；在工作面进入末采阶段直至与回撤通道贯通时，老顶周期来压会对回撤通道产生剧烈的影响。当工作面与回撤通道贯通后，回撤通道靠工作面一侧的煤体被采空，此时回撤通道围岩结构问题类似于沿空留巷中的窄煤柱受力问题。现有的理论研究认为，工作面与回撤通道贯通后，老顶岩梁会存在3种不同的断裂位置，即可能会在工作面掩护式支架后方、回撤通道上方和保护煤柱上方断裂，而3种断裂方式中，在保护煤柱上方断裂显然是对煤柱稳定性影响最大的一种。老顶在保护煤柱上方断裂的破坏形式如图1所示。

图1 回撤通道与工作面贯通后老顶断裂位置

由图1可以看出，当老顶在保护煤柱上方断裂时，煤柱上方存在两种结构，即主回撤通道上方的垮落带岩体和辅回撤通道上方的悬臂结构岩体。当主回撤通道内的支架撤出后，断裂形成的垮落岩块会进一步发生回转下沉，而此时保护煤柱会承担来自顶板的全部荷载。若煤柱留设宽度过小，其靠近主回撤通道的部分可能会由于垮落岩块的压力而发生失稳，而当剩余部分煤柱无法支撑顶板悬臂部分时，老顶就会继续在辅回撤通道或外侧煤柱上方再次断裂，形成的冲击矿压会直接影响辅回撤通道，对回撤通道的围岩稳定极为不利。

2 保护煤柱应力分析

由上述分析可知，当老顶在保护煤柱上方断裂时对煤柱稳定性影响较大，因此对保护煤柱的稳定性进行研究，就需要对最不利情况下的煤柱应力进行计算分析。老顶在保护煤柱上方断裂形式的力学分析模型如图2所示。

图2 力学模型

由图2可知，当老顶在煤柱上方破断时，影响保护煤柱应力大小的主要是其上部直接作用的覆岩压力q(x)、垮落带岩体压力q以及来自辅回撤通道和工作面顶板重量在煤柱上方产生的弯矩影响。

根据覆岩矿压显现规律，断裂位置前方的顶板压力q(x)为：

(1)

式中：q(x)——保护煤柱上部直接作用的覆岩压力，kPa；

k——应力集中系数；

γ——上覆岩层容重，kN/m3；

H——覆岩埋深，m；

f——摩擦系数；

m——采高，m；

d——顶板断裂位置，m。

保护煤柱上方直接作用覆岩均布荷载为：

(2)

式中：W1——辅回撤通道宽度，m。

在均布荷载q1作用下，根据弹性力学半平面体受均布力作用原理，可得到煤柱内任意点的应力分量。以垂直应力分量为例，保护煤柱内距顶板垂直距离为b，距主回撤通道边缘水平距离为a的任意点的垂直应力分量为：

(3)

式中：σy1——均布荷载q1作用下在煤柱内产生的垂直应力分量，kPa；

B——保护煤柱宽度，m；

a——距主回撤通道边缘水平距离，m；

b——距顶板垂直距离，m。

同理可得，垮落带直接作用在保护煤柱上方的部分在煤柱内产生的垂直应力分量为：

(4)

式中：σy2——垮落带直接作用下在煤柱内产生的垂直应力分量，kPa；

γ1——垮落带岩体容重，kN/m3

Hm——垮落带高度，m。

辅回撤通道上方顶板在保护煤柱上产生的弯矩为：

(5)

式中：M1——辅回撤通道上方顶板在保护煤柱上产生的弯矩，kN·m。

根据弹性力学中半平面受弯矩作用原理，可得到保护煤柱内的垂直应力分量为：

(6)

式中：σy3——辅回撤通道上方顶板在保护煤柱上产生的弯矩作用到保护煤柱内的垂直应力分量，kPa。

同理，在考虑回撤通道内垛式支架和工作面掩护式支架的支撑作用下，工作面顶板垮落带在保护煤柱上产生的弯矩为：

(7)

式中：M2——工作面顶板垮落带在保护煤柱上产生的弯矩，kN·m；

l——垮落带宽度，m；

f1——主回撤通道上覆岩体摩擦系数；

f2——工作面上覆岩体摩擦系数。

在保护煤柱内的垂直应力分量为：

(8)

式中：σy4——工作面顶板垮落带作用在保护煤柱上产生的弯矩作用到保护煤柱内的垂直应力分量，kPa。

保护煤柱内总应力大小由原岩应力与老顶断裂产生的附加应力相叠加，由式(3)、(4)、(6)和(8)可得：

σy=σ0+σy1+σy2+σy3+σy4

(9)

式中：σy——保护煤柱内承受的垂直应力分量，kPa；

σ0——原岩应力，σ0=γH，kPa。

由上述各式可以看出，当支护强度一定时，保护煤柱应力主要与老顶断裂位置d、煤柱留设宽度B、覆岩荷载γH、垮落带荷载γ1Hm、末采阶段周期来压步距l等因素有关。

3 保护煤柱应力分布及影响因素分析

以柠条塔煤矿N1206综采工作面回撤通道为例对保护煤柱应力进行分析。N1206工作面采用双通道工艺回撤，保护煤柱宽度为25 m，主回撤通道宽5.9 m，高4.45 m，辅回撤通道宽5.2 m，高4.05 m；回撤通道上方平均埋深约180 m，平均采高5.5 m；取上覆岩层平均重度γ=25 kN/m3，垮落带岩体重度γ1=23 kN/m3，垮落带高度按6～8倍采高确定，末采阶段平均周期来压步距17.9 m，取工作面顶板应力集中系数k=2。根据现场采用的支架参数，取垛式支架支护强度f1=1.32 MPa，工作面液压支架支护强度f2=1.16 MPa，工作面支架控顶距为5.9 m。将以上参数带入式(3)、(4)、(6)和(8)，取任意点距主回撤通道边缘水平距离a(a<20 m)，距顶板垂直距离b取固定值2 m。根据不同参数采用单因素和多因素影响分析法得到参数变化时的煤柱应力变化规律。

3.1 老顶断裂位置对煤柱应力影响规律分析

本文仅针对老顶在保护煤柱上方断裂的情况进行讨论。因此老顶断裂位置d选取在保护煤柱上方由辅回撤通道侧至主回撤通道侧共3个值，得到老顶不同断裂位置对煤柱应力影响的变化曲线如图3所示。

图3 不同断裂位置时的煤柱应力变化规律

对比分析3种不同断裂位置下的煤柱应力，由图3可知：

(1)当老顶在靠近主回撤通道一侧断裂时，保护煤柱应力峰值现象不显著，煤柱应力最大值位于17 m处，偏向辅回撤通道一侧，约为5.5 MPa，应力在靠近辅回撤通道侧煤柱边缘处应力降低至2.6 MPa。

(2)当断裂位置在保护煤柱中部位置和靠近辅回撤通道时，煤柱应力呈单峰值分布形式，应力最大值分别位于21 m和24 m处，应力值达到约6.0 MPa和7.2 MPa，在辅回撤通道侧煤柱边缘处应力降低至4.5 MPa和6.8 MPa。

(3)煤柱应力峰值位置整体偏向辅回撤通道一侧，并随着断裂位置向辅回撤通道靠近会进一步偏向辅回撤通道一侧的煤柱边缘，且偏向辅回撤通道一侧煤柱整体应力水平不断增高。

综合上述分析可知，由于保护煤柱的应力峰值整体偏向辅回撤通道一侧，因此当老顶断裂位置靠近辅回撤通道时，会出现煤柱边缘处的应力仍远大于原岩应力的现象，因而导致辅回撤通道围岩处于较高的应力水平下，将不利于保持辅回撤通道的围岩稳定。在综采面的设备回撤阶段，主回撤通道在设备撤出后将封闭不再使用，但辅回撤通道通常仍会作为矿井的辅助使用巷道，因此应避免老顶断裂位置过于靠近辅回撤通道一侧，即老顶断裂位置越偏向主回撤通道，对辅回撤通道的影响就越小。

3.2 煤柱留设宽度与煤柱应力影响规律分析

当保护煤柱留设宽度不同时，应力的分布规律也会发生变化，以下对保护煤柱留设宽度B分别为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m时的应力进行分析，得到不同宽度的煤柱应力变化规律如图4所示。

图4 不同宽度的煤柱应力变化规律

由图4可知：

(1)当煤柱留设宽度小于10 m时，应力呈持续增大趋势，在辅回撤通道侧煤柱边缘处应力达到最大值6.6 MPa；当煤柱留设宽度在10～20 m时，应力分布规律开始呈峰值分布形式，在煤柱边缘处开始呈下降趋势，但应力值仍处于较高水平；当煤柱留设宽度大于20 m后，在边缘处应力降幅很大，且煤柱整体应力值有所降低。

(2)保护煤柱留设宽度超过20 m后，对末采阶段保证辅回撤通道的稳定性越有利，但留设宽度过大会同时也会造成资源的浪费。以N1206工作面为例，该工作面辅回撤通道的最大顶板下沉量未超过20 mm，说明其25 m保护煤柱留设宽度较为合理，并且存在一定的优化空间。

3.3 覆岩赋存条件对煤柱应力影响规律分析

以埋深H为变量，保护煤柱宽度B取25 m，假设断裂位置位于煤柱中部，取任意点至主回撤通道边缘水平距离a分别为6 m、12 m和24 m，得到保护煤柱内不同位置处应力随埋深的变化规律如图5所示。

由图5可知，保护煤柱各处应力随巷道埋深的增加均呈线性增大趋势，但偏向辅回撤通道侧的煤柱应力增大速率较大。结合前文分析可知，产生这一规律的原因是由于保护煤柱的应力峰值位置位于中部偏向辅回撤通道一侧。

图5 煤柱应力随巷道埋深变化规律

3.3 采场因素对煤柱应力影响规律分析

采场因素主要包括采高m、垮落带高度Hm、周期来压步距l。分别以采高、垮落带高度和周期来压步距为变量，对保护煤柱不同位置处的应力变化规律进行分析。由于老顶断裂位置与周期来压步距相关，因此针对周期来压步距还应结合不同的断裂位置进行分析。

采用单因素分析法得到的保护煤柱应力随采高和垮落高度的变化规律分别如图6和7所示。由图6和图7可知：

(1)随着采高的增大，煤柱应力呈指数增大趋势，但增幅较小；保护煤柱靠近辅回撤通道一侧的应力增幅相对较大，但最大增幅也仅约为0.1 MPa，说明采高的增大对保护煤柱应力的影响较小。

(2)随着垮落带高度的增加，煤柱应力呈线性增大趋势，与图5的变化规律较为接近；同理，由于应力峰值位置偏向辅回撤通道，因此随着垮落高度的增大辅回撤通道一侧的应力增加速率更大。

采用多因素分析法得到的保护煤柱应力随老顶断裂位置和周期来压步距的变化规律如图8所示。由图8可知，当断裂位置靠近辅回撤通道且周期来压步距较大时，煤柱应力整体呈增大趋势，而在周期来压步距较小时呈单峰值分布形式；当断裂位置在煤柱中部或靠近主回撤通道时，周期来压步距的改变对煤柱应力的大小影响相对较小，但整体上煤柱应力仍随着周期来压步距的增加呈增大趋势。

图6 煤柱应力随工作面采高变化规律

图7 煤柱应力随垮落带高度变化规律

图8 不同断裂位置和周期来压步距的煤柱应力变化规律

4 结论

(1)根据综采工作面在末采阶段的3种老顶断裂形式，以回撤通道保护煤柱为研究对象，分析老顶不同断裂位置对煤柱的影响程度。通过分析发现，老顶在保护煤柱上方断裂时对煤柱应力的影响最大，并基于弹性力学理论建立老顶在保护煤柱上方断裂时的力学模型，求解得到保护煤柱的应力计算公式。

(2)保护煤柱应力主要与老顶断裂位置、煤柱留设宽度、围岩赋存条件、工作面采高、垮落高度及周期来压步距等因素有关。通过分析发现，老顶在保护煤柱上方断裂时应力峰值偏向辅回撤通道一侧，且老顶断裂位置和留设宽度对煤柱的应力分布形式影响很大，对末采阶段保护煤柱和回撤通道的围岩稳定起关键作用。

(3)保护煤柱留设宽度超过20 m时，应力峰值位置会远离辅回撤通道，同时靠近辅回撤通道一侧的煤柱边缘处应力值降低幅度增大，对辅回撤通道的影响也越小。在工程实践中，应针对不同的工作面条件，对保护煤柱的留设宽度进行优化。

[1] 李杨. 极近距离煤层群回采巷道合理位置的柱宽效应研究 [J]. 中国煤炭，2016(2)

[2] 勾攀峰，康继春，王丹. 综采工作面预掘大断面回撤通道支护技术研究 [J]. 能源技术与管理，2012(1)

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[7] 万镇. 综采工作面设备回撤通道围岩控制研究 [D]. 山东科技大学，2009

[8] 徐芝伦.弹性力学 [M].北京：高等教育出版社，2006

(责任编辑 陶 赛)

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

国家自然科学基金项目(51508462)

谷拴成，王博楠，李金华等. 回撤通道保护煤柱应力分布及其影响因素分析 [J]. 中国煤炭，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，陕西扶风人，教授，博士，博士生导师，现任西安科技大学建筑与土木工程学院院长，主要从事岩土工程、地下抗震及地下结构可靠度等方面的教学与研究工作。