采空區邊緣下方回撤通道護巷煤柱合理寬度研究

孫 強，馮國瑞，郭 軍，王朋飛，錢瑞鵬，李松玉，文曉澤

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原030024；2.山西省綠色礦山工程技術研究中心，山西 太原030024）

我國西北地區煤層多為淺埋煤層，煤層群儲量豐富，在高強度的開采下，大部分礦井進入下煤層開采[1-3]。在下煤層進行回撤過程中，由于上煤層停采線煤柱的存在，回撤通道因布置位置不同存在不同的應力環境。然而現有礦井在使用雙回撤通道時，護巷煤柱寬度選擇依然按照經驗進行選取，造成了選擇上的不合理性。

目前，國內外專家學者針對近距離煤層覆巖結構和護巷煤柱寬度進行了相關研究。孔德中[4]等對重復采動下覆巖裂隙和結構變化進行分析，找到了端面頂板失穩控制的主要因素。孔憲法[5]等對近距離下煤層工作面頂板進行分類，分析了綜采工作面支架與圍巖關系。余明高[6]等研究了重復采動下回采不同階段覆巖的孔隙率的發育規律、塑性區分布和覆巖垮落高度。許家林、朱衛兵[7-9]等以神東淺埋煤層開采為工程背景，對上煤層未開采和已采情況下關鍵層和層間關鍵層進行分類。馮軍發[10]等針對淺埋多煤層中間厚關鍵層破斷呈現的大小周期來壓現象，對厚關鍵層破斷特征及礦壓顯現規律進行了研究。王博楠、谷拴成和呂華文等[11-15]針對回撤通道及護巷煤柱的穩定性、末采階段應力轉移和讓壓開采等展開研究，建立了單一煤層開采時末采工作面剩余煤柱力學分析模型和載荷求解方法，確定了合理讓壓位置。羅吉安[16]等借助彈性力學對近距離煤層綜采工作面停采線煤柱進行了相關研究，確定了停采線位置。現有研究主要集中于單一煤層回撤通道護巷煤柱寬度留設，對于近距離煤層回撤通道護巷煤柱寬度鮮有研究。為此，以李家壕煤礦31109 工作面為工程背景，采用物理相似模擬對近距離煤層中下煤層回撤通道覆巖結構進行分析，揭示了近距離煤層中護巷煤柱與覆巖結構關系，利用數值模擬確定了護巷煤柱合理留設寬度。

1 工程背景

李家壕主采2-2中煤和3-1 煤層，2-2 中煤平均厚2.0 m，3-1 煤平均厚4.0 m，煤層間距35 m 左右，煤層傾角0°～3°，屬近水平煤層。根據上下煤層工作面及巷道布置的相對位置可知，3-1 煤31109 工作面輔回撤通道正好位于2-2 中煤109 工作面停采線正下方。31109 綜采工作面回撤通道在31109 綜采工作面開切眼時同步進行開挖，回撤通道設計高度4 m，寬度5 m，巷間煤柱寬度25 m，單個巷間煤柱長度60 m，聯絡巷寬度5 m。

2 覆巖結構相似模擬及力學模型

2.1 相似模擬

建立二維相似模擬模型，試驗臺尺寸為：長×寬×高為3 000 mm×200 mm×2 000 mm，采用平面應力模型。設幾何相似比為=100∶1，設密度比為=1.5∶1，限于篇幅，模型建立細節不在此贅述。2-2 中煤層開挖完畢如圖1。

圖1 2-2 中煤層開挖完畢Fig.1 2-2 middle coal seam excavation completed

由圖1 可知，隨著工作面推進，上位關鍵層出現周期性破斷，覆巖逐漸回轉壓實，在采空區中部形成壓實區，應力逐漸恢復到原巖應力狀態。在終采端，由于上煤層停采線煤柱的存在，終采端覆巖關鍵層未發生滑落失穩時，在煤柱下方沿采空區方向從煤柱應力集中區影響角[17]（一般30°～40°）到采空區一定范圍內形成卸壓區。在影響角影響范圍內到2-2中煤層未采的實體煤區形成應力集中區。上煤層停采線煤柱的存在，使得下煤層回撤通道布置于不同位置時出現不同的應力狀態。

在下煤層開采過程中，隨下煤層推進覆巖結構變化如圖2，覆巖逐步垮落，但是層間關鍵層和上位關鍵層仍起到主要控制作用，上煤層基本頂巖層形成的鉸接結構由于原本處于“活化”狀態，在層間關鍵層破斷時出現隨采隨垮，而上位關鍵層仍以砌體梁結構回轉下沉。當回撤通道布置于上煤層采空區壓實區時，回撤通道護巷煤柱所承載的載荷主要為煤柱上部一定范圍內巖層自重、層間關鍵層和上位關鍵層傳遞荷載。

圖2 隨下煤層推進覆巖結構變化Fig.2 Overburden structure changes with the advancing of the lower coal seam

當回撤通道布置于上煤層未采動的煤層下方時，護巷煤柱承載的覆巖載荷將是上覆巖層全部自重及層間關鍵層和上位關鍵層傳遞荷載。當回撤通道布置于上煤層終采端覆巖結構所形成的卸壓區時，回撤通道護巷煤柱上部只承載層間巖層和上部煤層對應范圍內垮落帶巖層自重以及層間關鍵層和上位關鍵層傳遞荷載，其中上位關鍵層傳遞荷載取決于上位關鍵層破斷距，如果上位關鍵層破斷距較大，此部分荷載將作用于層間關鍵層。由于上位關鍵層對覆巖的控制作用，此時護巷煤柱所承載的覆巖荷載最小，護巷煤柱的尺寸應較其他位置明顯減小。

2.2 力學模型

由于回撤通道護巷煤柱位于采空區邊緣下方時，其覆巖結構最為特殊。依據相似模擬建立的采空區邊緣下方回撤通道護巷煤柱力學模型如圖3。

圖3 采空區邊緣下方回撤通道護巷煤柱力學模型Fig.3 Mechanical model of coal pillars for roadway protection under gob edge

由圖3 可知，護巷煤柱上覆巖層荷載主要是層間巖層和上煤層垮落帶巖層自重和砌體梁關鍵塊B傳遞荷載，由于工況情況下回撤通道護巷煤柱雖然處于上位關鍵層形成的卸壓區內，但部分煤柱處于上煤層集中應力影響角范圍內（圖中陰影部分），所以煤柱上覆巖層荷載應增加集中應力傳遞的有效荷載。

3 煤柱寬度數值模擬

工況條件下，回撤通道護巷煤柱寬度為25 m 時是采用的開采經驗進行選取的，而根據護巷煤柱覆巖結構分析，選取該煤柱寬度依然參照其他位置，直接采用會造成煤炭資源浪費，而煤柱處于應力影響角范圍時，由于應力處于擴展狀態，傳遞的有效應力很難獲取，故建立數值模擬模型進行護巷煤柱寬度優化。

3.1 模擬模型

由于煤層在實際開采過程中，下煤層工作面位于上煤層采空區下方，為確定護巷煤柱在煤層開采中發生塑性破壞的最大位置，建立了三維立體模型，模型尺寸435 m×425 m×175 m（長×寬×高）。模型中，因巷間煤柱和回撤通道為重點觀測區，故從主輔回撤通道兩側各30 m 范圍內及整個采場沿推進方向均采用1 m 的網格劃分，其余部分均采用5 m 網格劃分。模型采用位移邊界約束，模型前后（y 方向）和左右（x 方向）速度為0，底部邊界在x，y 和z 方向速度均為0，上邊界為自由邊界，模擬中因沒有將模型完全建立到地表，上覆巖層按均布載荷施加于模型上表面，施加應力為2.44 MPa。

3.2 模擬參數

數值模擬的準確性除了取決于模型本身的建立，還決定于本構模型的選取和煤巖體力學參數等，為確保模擬的準確性，煤巖層的物理力學參數根據該工況已有的鉆孔取心參數，通過RocData 軟件得到各巖層的Hoek-Brown 參數，經Hoek-Brown 經驗強度準則參數換算出等價Mohr-Coulomb 內摩擦角和黏聚力及其相關力學參數[18-20]，煤巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

3.3 模擬方案及測線布置

模型建立后，因工況實際情況在護巷煤柱寬度為25 m 時，工作面末采貫通時回撤通道并未出現冒頂和片幫現象，所以，煤柱寬度為25 m 時認為是安全尺寸，以25 m 為起點，逐步縮減煤柱寬度，單次縮減1 m，共縮減到15 m 進行研究。

首先以護巷煤柱寬度為25 m 進行模擬開挖，確定垂直應力測線布置位置和塑性區界面的提取位置。根據應力云圖和塑性區隨著工作面剩余煤柱寬度減小的變化發現，采空區出現壓實區，垂直應力（塑性區范圍）最大位置在以第2 條聯絡巷為中心的第2 和第3 護巷煤柱上，所以，水平方向以靠近第2聯絡巷的第3 個護巷煤柱和垂直方向選擇煤柱中部作為垂直應力測線布置位置，塑性區界面提取以水平方向測線布置為準線進行垂直切割。

3.4 模擬結果分析

3.4.1 護巷煤柱上方垂直應力分布特征

31109 綜采工作面與主回撤通貫通后，回撤通道護巷煤柱、輔回撤通道側一定范圍內和主回撤通道側一定范圍內采空區的垂直應力分布隨著護巷煤柱留設寬度的不同而出現不同變化，護巷煤柱圍巖垂直應力分布圖如圖4。

圖4 護巷煤柱圍巖垂直應力分布圖Fig.4 Vertical stress distribution map of surrounding rock pillar

護巷煤柱作為主回撤通道和輔回撤通道之間的保護煤柱，在綜采工作面末采貫通過程中，由于末采端工作面隨著剩余煤柱寬度的減小，煤體的強度逐步衰減，原本由工作面前方煤體承載的超前支承壓力大幅向回撤通道間的護巷煤柱上方轉移。

在末采工作面與主回撤通道貫通后，主輔回撤通道上方的支承壓力主要由護巷煤柱支撐，由圖4可知，隨著護巷煤柱寬度減小，靠近輔回撤通道側護巷煤柱的垂直應力峰值由11.84 MPa 增加到16.06 MPa，增幅為4.22 MPa，護巷煤柱兩端峰值應力中部的低垂直應力由9.03 MPa 增加到15.08 MPa，增幅為6.05 MPa，靠近主回撤通側護巷煤柱的垂直應力峰值由16.74 MPa 增加19.17 MPa，增幅為2.43 MPa。隨著護巷煤柱寬度的減小，護巷煤柱的應力逐步增高，靠近主回撤通道側應力的峰值增長幅度較慢，而靠近輔回撤通道側的峰值應力和護巷煤柱兩端峰值應力中部的低垂直應力的增長速度卻較快，而且護巷煤柱兩端峰值應力中部的低垂直應力靠近輔回撤通道一側，由此說明，隨著護巷煤柱寬度減小，護巷煤柱的垂直應力主要向輔回撤通道側轉移。所以，回撤通道護巷煤柱寬度留設過小不僅會引起主回撤通道的變形破壞，還會因為應力大幅向輔回撤通道側轉移，從而導致輔回撤通道發生變形破壞，影響設備順利回撤。

3.4.2 垂直應力峰值及其分布位置特征

在末采工作面與主回撤通道貫通后，主回撤通道一側為采空區，一側為護巷煤柱，在護巷煤柱兩端形成2 個極限平衡區，極限平衡區的寬度和煤柱的彈性核區寬度決定了保護煤柱穩定性的最小寬度，彈性核區寬度一般按2 倍的煤層厚度選取[17]，而極限平衡區的位置和煤柱垂直應力的峰值應力位置有關。因此，根據護巷煤柱不同寬度情況下護巷煤柱的垂直應力分布，提取的護巷煤柱靠近主輔回撤通道峰值垂直應力與分布位置圖，護巷煤柱峰值垂直應力與分布位置圖如圖5。

圖5 護巷煤柱峰值垂直應力與分布位置圖Fig.5 Peak vertical stress and distribution location of coal pillar

由圖5（a）可知，當回撤通道保護煤柱的寬度不同時，靠近主回撤通道側峰值應力和距離主回撤通道的距離存在明顯差異，隨著保護煤柱寬度減小，靠近主回撤通道側的峰值應力分布位置距離主回撤通道的距離隨著峰值應力的增高而增大，峰值應力距離主回撤通道的距離隨著護巷煤柱寬度從25 m 變為15 m 的過程中，從距離主回撤通道4.08 m 增大到4.92 m，其增長速度接近線性增長。

靠近輔回撤通道側的峰值垂直應力與分布位置如圖5（b），護巷煤柱寬度為不同寬度情況下，靠近輔回撤通道側峰值垂直應力變化和距離輔回撤通道距離均出現了不同的差異，靠近輔回撤通道側的峰值垂直應力隨著護巷煤柱寬度的減小，峰值垂直應力不斷增大，峰值垂直應力的增長速度越來越快，但是在峰值垂直應力增長的過程中，峰值垂直應力距離輔回撤通道的距離并沒有隨應力增長趨勢發生同步增長。在護巷煤柱寬度為25、24、23 和22 m 時，護巷煤柱靠近輔回撤通道的峰值垂直應力距離輔回撤通道的距離維持在3.13 m，并沒有隨護巷煤柱寬度減小而發生變化，但是峰值垂直應力一直處于增長狀態。當護巷煤柱寬度為21、20 和19 m 時，峰值垂直應力距離輔回撤通道的距離增加到3.76 m，并在煤柱寬度為該3 種狀態下保持不變，在護巷煤柱寬度從21 m 減小到19 m 的過程中，峰值垂直應力的增長速度進一步加快。隨著護巷煤柱寬度的進一步減小，在護巷煤柱寬度為18、17、16 和15 m 時，峰值垂直應力距離輔回撤通道的距離從護巷煤柱塊度為18 m 時就增加到4.08 m，并在隨后的3 次寬度縮減中保持不變。

綜合護巷煤柱的2 個峰值應力和分布位置隨著護巷煤柱寬度減小而發生的變化，靠近主回撤通道側峰值應力在煤柱寬度為25 m 時就達到了4.08 m，并在隨著護巷煤柱寬度減小的過程中，其距離不斷增大，在護巷煤柱寬度為20 m 時，峰值應力距離主回撤通道的距離達到了4.50 m，并仍隨著護巷煤柱寬度的減小而增大，所以依靠峰值應力距離主輔回撤通道的距離確定護巷煤柱合理寬度將在決定于靠近輔回撤通道側峰值應力的變化。靠近輔回撤通道側的峰值應力的分布位置在護巷煤柱寬度從22 m減為21 m 和19 m 減為18 m 的過程中發生2 次增加，靠近輔回撤通道側的峰值應力距離輔回撤通道的距離從3.13 m 增加到3.76 m 增加到4.08 m，所以根據護巷煤柱寬度減小時對應的峰值應力分布位置，結合煤柱模擬工況的煤層厚度4 m，可知，2 倍的煤層厚度加2 個極限平衡區寬度得出煤柱保持穩定的最小寬度為17 m。

3.4.3 護巷煤柱塑性區分布特征

由于靠近輔回撤通道的峰值垂直應力的分布位置在護巷煤柱寬度減小的過程中存在分布位置不隨應力增長而發生明顯變化的原因，單純以峰值垂直應力的位置確定極限平衡區位置并不能完全確定煤柱的合理寬度，仍需結合模擬中護巷煤柱塑性區的發展綜合考慮，根據峰值應力確定的保持煤柱最小寬度的煤柱寬度尺寸，選擇護巷煤柱寬度分別為21、20、19、18、17、16 m 時綜采工作面與主回撤通道貫通后所形成的塑性區進行分析，護巷煤柱塑性區隨其寬度減小的分布圖如圖6。

圖6 護巷煤柱塑性區隨其寬度減小的分布圖Fig.6 Pillar protection roadway profile with its plastic zone of a reduced width

由圖6（a）～圖6（f）可以發現，隨著護巷煤柱寬度的減小，從輔回撤通道和主回撤通道向煤柱中部產生的塑性區存在明顯差異。從輔回撤通道向煤柱中部產生的塑性區隨著煤柱寬度的減小由4 m 增加到5 m，輔回撤通道向煤柱中部產生的塑性區隨煤柱寬度減小由4 m 增加到7 m。在煤柱高度4 m 確定的情況下，回撤通道護巷煤柱兩端塑性區的范圍將決定護巷煤柱保持穩定性的最小寬度。從圖6（c）可以發現，在護巷煤柱寬度為19 m 時，對應塑性區寬度之和是10 m，結合2 倍煤層采高，此時護巷煤柱寬度為18 m 即可。在護巷煤柱寬度為18 m 時，靠近輔回撤通道側塑性區寬度為4 m，靠近主回撤通道側塑性區寬度為6 m，結合煤柱2 倍的高度可以得知，此時煤柱寬度為18 m 時為最小寬度與留設寬度一致。在護巷煤柱寬度為17 m 時，靠近主輔回撤通道側的塑性區寬度之和達到11 m，結合煤柱高度的2 倍可知，此時的塑性區情況對應的煤柱最小穩定寬度為19 m，顯然17 m 寬的護巷煤柱并不是安全尺寸。

綜上所述，結合護巷煤柱的峰值垂直應力和模擬中塑性區的發展范圍，確定煤柱的最終合理留設寬度為18 m 即可。所以工況實際中憑借經驗選取的25 m 護巷煤柱寬度過大，可在后續的布置于類似位置的回撤通道適當縮減護巷煤柱寬度，從而增加煤炭資源回收。

4 結 論

1）近距離煤層中，回撤通道護巷煤柱寬度與上煤層停采線煤柱相對位置有關，上煤層覆巖關鍵層和層間關鍵層形成的結構決定了護巷煤柱所承受荷載的大小，從采空區壓實區到上煤層實體煤下的原巖應力區，護巷煤柱寬度應按先減小后增大的趨勢選取。

2）采空區邊緣下方回撤通道如果布置于停采線煤柱正下方，護巷煤柱承受的荷載除了層間巖層和上煤層對應范圍內垮落帶巖層自重及關鍵層傳遞荷載外，還有一部分是上煤層停采線煤柱產生的集中應力傳遞而來，上位關鍵層傳遞荷載形式與其破斷距緊密相關。

3）隨著煤柱寬度減小，護巷煤柱應力向輔回撤通道側轉移，護巷煤柱上的峰值應的位置均向煤柱中部轉移。經過峰值應力和塑性區變化規律確定工況條件下回撤通道護巷煤柱寬度可為18 m，原有煤柱寬度屬于安全寬度，但存在進一步優化的空間。