回撤通道保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及其影響因素分析

谷拴成 王博楠 李金華 蘇培莉 王建文 陳 菲

(1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西省西安市，710054； 2. 陜煤集團(tuán)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(hù)煤柱應(yīng)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(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西省西安市，710054； 2. 陜煤集團(tuán)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(duì)綜采工作面末采階段老頂在回撤通道保護(hù)煤柱上方斷裂這一破壞形式建立力學(xué)分析模型，研究了保護(hù)煤柱在這一破壞形式下的應(yīng)力分布規(guī)律，并分析相關(guān)參數(shù)對(duì)保護(hù)煤柱應(yīng)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂時(shí)，應(yīng)力峰值偏向輔回撤通道一側(cè)，且老頂斷裂位置和留設(shè)寬度對(duì)煤柱的應(yīng)力分布形式影響很大，其對(duì)末采階段保護(hù)煤柱和回撤通道的圍巖穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，在進(jìn)行回撤通道保護(hù)煤柱寬度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮上述因素對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響，對(duì)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行合理優(yōu)化，保證工作面回撤過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性。

綜采工作面 回撤通道 斷裂位置 保護(hù)煤柱 應(yīng)力分布

回撤通道是綜采工作面進(jìn)行設(shè)備回撤和搬家時(shí)主要的使用巷道?；爻吠ǖ啦贾梅绞綄?dǎo)致其應(yīng)力環(huán)境較為特殊，相對(duì)于其他回采巷道更容易發(fā)生嚴(yán)重的圍巖變形。在幾種回撤技術(shù)中，目前較多采用的是預(yù)掘雙回撤通道技術(shù)。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(jìn)行設(shè)備的運(yùn)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(shè)保護(hù)煤柱以保證回撤通道的圍巖穩(wěn)定。當(dāng)煤柱留設(shè)寬度較大時(shí)，雖然能夠保證巷道穩(wěn)定，但卻會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)，留設(shè)寬度過(guò)小又會(huì)使煤柱的支撐能力不足，易導(dǎo)致設(shè)備回撤過(guò)程中回撤通道圍巖持續(xù)發(fā)生大的變形，進(jìn)而增加設(shè)備回撤的風(fēng)險(xiǎn)和降低設(shè)備搬家效率。

目前針對(duì)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(cè)方面，而針對(duì)雙回撤通道工藝中存在的保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及穩(wěn)定性問(wèn)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(chǔ)上，針對(duì)不同破壞形式分別建立力學(xué)模型，通過(guò)研究頂板破壞形式對(duì)回撤通道保護(hù)煤柱幫部應(yīng)力分布的影響，并結(jié)合回撤通道現(xiàn)場(chǎng)鉆孔應(yīng)力實(shí)測(cè)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(dāng)回采工作面距離回撤通道較遠(yuǎn)時(shí)，老頂?shù)闹芷趤?lái)壓對(duì)回撤通道不會(huì)產(chǎn)生影響；在工作面進(jìn)入末采階段直至與回撤通道貫通時(shí)，老頂周期來(lái)壓會(huì)對(duì)回撤通道產(chǎn)生劇烈的影響。當(dāng)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(shí)回撤通道圍巖結(jié)構(gòu)問(wèn)題類似于沿空留巷中的窄煤柱受力問(wèn)題。現(xiàn)有的理論研究認(rèn)為，工作面與回撤通道貫通后，老頂巖梁會(huì)存在3種不同的斷裂位置，即可能會(huì)在工作面掩護(hù)式支架后方、回撤通道上方和保護(hù)煤柱上方斷裂，而3種斷裂方式中，在保護(hù)煤柱上方斷裂顯然是對(duì)煤柱穩(wěn)定性影響最大的一種。老頂在保護(hù)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(dāng)老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂時(shí)，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(dāng)主回撤通道內(nèi)的支架撤出后，斷裂形成的垮落巖塊會(huì)進(jìn)一步發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，而此時(shí)保護(hù)煤柱會(huì)承擔(dān)來(lái)自頂板的全部荷載。若煤柱留設(shè)寬度過(guò)小，其靠近主回撤通道的部分可能會(huì)由于垮落巖塊的壓力而發(fā)生失穩(wěn)，而當(dāng)剩余部分煤柱無(wú)法支撐頂板懸臂部分時(shí)，老頂就會(huì)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(huì)直接影響輔回撤通道，對(duì)回撤通道的圍巖穩(wěn)定極為不利。

2 保護(hù)煤柱應(yīng)力分析

由上述分析可知，當(dāng)老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂時(shí)對(duì)煤柱穩(wěn)定性影響較大，因此對(duì)保護(hù)煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，就需要對(duì)最不利情況下的煤柱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析。老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂形式的力學(xué)分析模型如圖2所示。

圖2 力學(xué)模型

由圖2可知，當(dāng)老頂在煤柱上方破斷時(shí)，影響保護(hù)煤柱應(yīng)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(lái)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(hù)煤柱上部直接作用的覆巖壓力，kPa；

k——應(yīng)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(hù)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(xué)半平面體受均布力作用原理，可得到煤柱內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力分量。以垂直應(yīng)力分量為例，保護(hù)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(diǎn)的垂直應(yīng)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(yīng)力分量，kPa；

B——保護(hù)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(hù)煤柱上方的部分在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的垂直應(yīng)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(yīng)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(hù)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(hù)煤柱上產(chǎn)生的彎矩，kN·m。

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

(6)

式中：σy3——輔回撤通道上方頂板在保護(hù)煤柱上產(chǎn)生的彎矩作用到保護(hù)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)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(hù)式支架的支撐作用下，工作面頂板垮落帶在保護(hù)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(hù)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(hù)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分量為：

(8)

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

保護(hù)煤柱內(nèi)總應(yīng)力大小由原巖應(yīng)力與老頂斷裂產(chǎn)生的附加應(yīng)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(hù)煤柱內(nèi)承受的垂直應(yīng)力分量，kPa；

σ0——原巖應(yīng)力，σ0=γH，kPa。

由上述各式可以看出，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度一定時(shí)，保護(hù)煤柱應(yīng)力主要與老頂斷裂位置d、煤柱留設(shè)寬度B、覆巖荷載γH、垮落帶荷載γ1Hm、末采階段周期來(lái)壓步距l(xiāng)等因素有關(guān)。

3 保護(hù)煤柱應(yīng)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(duì)保護(hù)煤柱應(yīng)力進(jìn)行分析。N1206工作面采用雙通道工藝回撤，保護(hù)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(lái)壓步距17.9 m，取工作面頂板應(yīng)力集中系數(shù)k=2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采用的支架參數(shù)，取垛式支架支護(hù)強(qiáng)度f(wàn)1=1.32 MPa，工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度f(wàn)2=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(diǎn)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(shí)的煤柱應(yīng)力變化規(guī)律。

3.1 老頂斷裂位置對(duì)煤柱應(yīng)力影響規(guī)律分析

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

圖3 不同斷裂位置時(shí)的煤柱應(yīng)力變化規(guī)律

對(duì)比分析3種不同斷裂位置下的煤柱應(yīng)力，由圖3可知：

(1)當(dāng)老頂在靠近主回撤通道一側(cè)斷裂時(shí)，保護(hù)煤柱應(yīng)力峰值現(xiàn)象不顯著，煤柱應(yīng)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(yīng)力在靠近輔回撤通道側(cè)煤柱邊緣處應(yīng)力降低至2.6 MPa。

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

(3)煤柱應(yīng)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(huì)進(jìn)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(yīng)力水平不斷增高。

綜合上述分析可知，由于保護(hù)煤柱的應(yīng)力峰值整體偏向輔回撤通道一側(cè)，因此當(dāng)老頂斷裂位置靠近輔回撤通道時(shí)，會(huì)出現(xiàn)煤柱邊緣處的應(yīng)力仍遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力的現(xiàn)象，因而導(dǎo)致輔回撤通道圍巖處于較高的應(yīng)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(shè)備回撤階段，主回撤通道在設(shè)備撤出后將封閉不再使用，但輔回撤通道通常仍會(huì)作為礦井的輔助使用巷道，因此應(yīng)避免老頂斷裂位置過(guò)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(duì)輔回撤通道的影響就越小。

3.2 煤柱留設(shè)寬度與煤柱應(yīng)力影響規(guī)律分析

當(dāng)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度不同時(shí)，應(yīng)力的分布規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化，以下對(duì)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度B分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到不同寬度的煤柱應(yīng)力變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同寬度的煤柱應(yīng)力變化規(guī)律

由圖4可知：

(1)當(dāng)煤柱留設(shè)寬度小于10 m時(shí)，應(yīng)力呈持續(xù)增大趨勢(shì)，在輔回撤通道側(cè)煤柱邊緣處應(yīng)力達(dá)到最大值6.6 MPa；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度在10～20 m時(shí)，應(yīng)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(shì)，但應(yīng)力值仍處于較高水平；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度大于20 m后，在邊緣處應(yīng)力降幅很大，且煤柱整體應(yīng)力值有所降低。

(2)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度超過(guò)20 m后，對(duì)末采階段保證輔回撤通道的穩(wěn)定性越有利，但留設(shè)寬度過(guò)大會(huì)同時(shí)也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。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(guò)20 mm，說(shuō)明其25 m保護(hù)煤柱留設(shè)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(duì)煤柱應(yīng)力影響規(guī)律分析

以埋深H為變量，保護(hù)煤柱寬度B取25 m，假設(shè)斷裂位置位于煤柱中部，取任意點(diǎn)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(hù)煤柱內(nèi)不同位置處應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，保護(hù)煤柱各處應(yīng)力隨巷道埋深的增加均呈線性增大趨勢(shì)，但偏向輔回撤通道側(cè)的煤柱應(yīng)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(hù)煤柱的應(yīng)力峰值位置位于中部偏向輔回撤通道一側(cè)。

圖5 煤柱應(yīng)力隨巷道埋深變化規(guī)律

3.3 采場(chǎng)因素對(duì)煤柱應(yīng)力影響規(guī)律分析

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

采用單因素分析法得到的保護(hù)煤柱應(yīng)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(yīng)力呈指數(shù)增大趨勢(shì)，但增幅較??；保護(hù)煤柱靠近輔回撤通道一側(cè)的應(yīng)力增幅相對(duì)較大，但最大增幅也僅約為0.1 MPa，說(shuō)明采高的增大對(duì)保護(hù)煤柱應(yīng)力的影響較小。

(2)隨著垮落帶高度的增加，煤柱應(yīng)力呈線性增大趨勢(shì)，與圖5的變化規(guī)律較為接近；同理，由于應(yīng)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(yīng)力增加速率更大。

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

圖6 煤柱應(yīng)力隨工作面采高變化規(guī)律

圖7 煤柱應(yīng)力隨垮落帶高度變化規(guī)律

圖8 不同斷裂位置和周期來(lái)壓步距的煤柱應(yīng)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(hù)煤柱為研究對(duì)象，分析老頂不同斷裂位置對(duì)煤柱的影響程度。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂時(shí)對(duì)煤柱應(yīng)力的影響最大，并基于彈性力學(xué)理論建立老頂在保護(hù)煤柱上方斷裂時(shí)的力學(xué)模型，求解得到保護(hù)煤柱的應(yīng)力計(jì)算公式。

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

(3)保護(hù)煤柱留設(shè)寬度超過(guò)20 m時(shí)，應(yīng)力峰值位置會(huì)遠(yuǎn)離輔回撤通道，同時(shí)靠近輔回撤通道一側(cè)的煤柱邊緣處應(yīng)力值降低幅度增大，對(duì)輔回撤通道的影響也越小。在工程實(shí)踐中，應(yīng)針對(duì)不同的工作面條件，對(duì)保護(hù)煤柱的留設(shè)寬度進(jìn)行優(yōu)化。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508462)

谷拴成，王博楠，李金華等. 回撤通道保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及其影響因素分析 [J]. 中國(guó)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(fēng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院院長(zhǎng)，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(xué)與研究工作。