采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱合理宽度研究

孙 强，冯国瑞，郭 军，王朋飞，钱瑞鹏，李松玉，文晓泽

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原030024；2.山西省绿色矿山工程技术研究中心，山西 太原030024）

我国西北地区煤层多为浅埋煤层，煤层群储量丰富，在高强度的开采下，大部分矿井进入下煤层开采[1-3]。在下煤层进行回撤过程中，由于上煤层停采线煤柱的存在，回撤通道因布置位置不同存在不同的应力环境。然而现有矿井在使用双回撤通道时，护巷煤柱宽度选择依然按照经验进行选取，造成了选择上的不合理性。

目前，国内外专家学者针对近距离煤层覆岩结构和护巷煤柱宽度进行了相关研究。孔德中[4]等对重复采动下覆岩裂隙和结构变化进行分析，找到了端面顶板失稳控制的主要因素。孔宪法[5]等对近距离下煤层工作面顶板进行分类，分析了综采工作面支架与围岩关系。余明高[6]等研究了重复采动下回采不同阶段覆岩的孔隙率的发育规律、塑性区分布和覆岩垮落高度。许家林、朱卫兵[7-9]等以神东浅埋煤层开采为工程背景，对上煤层未开采和已采情况下关键层和层间关键层进行分类。冯军发[10]等针对浅埋多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象，对厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。王博楠、谷拴成和吕华文等[11-15]针对回撤通道及护巷煤柱的稳定性、末采阶段应力转移和让压开采等展开研究，建立了单一煤层开采时末采工作面剩余煤柱力学分析模型和载荷求解方法，确定了合理让压位置。罗吉安[16]等借助弹性力学对近距离煤层综采工作面停采线煤柱进行了相关研究，确定了停采线位置。现有研究主要集中于单一煤层回撤通道护巷煤柱宽度留设，对于近距离煤层回撤通道护巷煤柱宽度鲜有研究。为此，以李家壕煤矿31109 工作面为工程背景，采用物理相似模拟对近距离煤层中下煤层回撤通道覆岩结构进行分析，揭示了近距离煤层中护巷煤柱与覆岩结构关系，利用数值模拟确定了护巷煤柱合理留设宽度。

1 工程背景

李家壕主采2-2中煤和3-1 煤层，2-2 中煤平均厚2.0 m，3-1 煤平均厚4.0 m，煤层间距35 m 左右，煤层倾角0°～3°，属近水平煤层。根据上下煤层工作面及巷道布置的相对位置可知，3-1 煤31109 工作面辅回撤通道正好位于2-2 中煤109 工作面停采线正下方。31109 综采工作面回撤通道在31109 综采工作面开切眼时同步进行开挖，回撤通道设计高度4 m，宽度5 m，巷间煤柱宽度25 m，单个巷间煤柱长度60 m，联络巷宽度5 m。

2 覆岩结构相似模拟及力学模型

2.1 相似模拟

建立二维相似模拟模型，试验台尺寸为：长×宽×高为3 000 mm×200 mm×2 000 mm，采用平面应力模型。设几何相似比为=100∶1，设密度比为=1.5∶1，限于篇幅，模型建立细节不在此赘述。2-2 中煤层开挖完毕如图1。

图1 2-2 中煤层开挖完毕Fig.1 2-2 middle coal seam excavation completed

由图1 可知，随着工作面推进，上位关键层出现周期性破断，覆岩逐渐回转压实，在采空区中部形成压实区，应力逐渐恢复到原岩应力状态。在终采端，由于上煤层停采线煤柱的存在，终采端覆岩关键层未发生滑落失稳时，在煤柱下方沿采空区方向从煤柱应力集中区影响角[17]（一般30°～40°）到采空区一定范围内形成卸压区。在影响角影响范围内到2-2中煤层未采的实体煤区形成应力集中区。上煤层停采线煤柱的存在，使得下煤层回撤通道布置于不同位置时出现不同的应力状态。

在下煤层开采过程中，随下煤层推进覆岩结构变化如图2，覆岩逐步垮落，但是层间关键层和上位关键层仍起到主要控制作用，上煤层基本顶岩层形成的铰接结构由于原本处于“活化”状态，在层间关键层破断时出现随采随垮，而上位关键层仍以砌体梁结构回转下沉。当回撤通道布置于上煤层采空区压实区时，回撤通道护巷煤柱所承载的载荷主要为煤柱上部一定范围内岩层自重、层间关键层和上位关键层传递荷载。

图2 随下煤层推进覆岩结构变化Fig.2 Overburden structure changes with the advancing of the lower coal seam

当回撤通道布置于上煤层未采动的煤层下方时，护巷煤柱承载的覆岩载荷将是上覆岩层全部自重及层间关键层和上位关键层传递荷载。当回撤通道布置于上煤层终采端覆岩结构所形成的卸压区时，回撤通道护巷煤柱上部只承载层间岩层和上部煤层对应范围内垮落带岩层自重以及层间关键层和上位关键层传递荷载，其中上位关键层传递荷载取决于上位关键层破断距，如果上位关键层破断距较大，此部分荷载将作用于层间关键层。由于上位关键层对覆岩的控制作用，此时护巷煤柱所承载的覆岩荷载最小，护巷煤柱的尺寸应较其他位置明显减小。

2.2 力学模型

由于回撤通道护巷煤柱位于采空区边缘下方时，其覆岩结构最为特殊。依据相似模拟建立的采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱力学模型如图3。

图3 采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱力学模型Fig.3 Mechanical model of coal pillars for roadway protection under gob edge

由图3 可知，护巷煤柱上覆岩层荷载主要是层间岩层和上煤层垮落带岩层自重和砌体梁关键块B传递荷载，由于工况情况下回撤通道护巷煤柱虽然处于上位关键层形成的卸压区内，但部分煤柱处于上煤层集中应力影响角范围内（图中阴影部分），所以煤柱上覆岩层荷载应增加集中应力传递的有效荷载。

3 煤柱宽度数值模拟

工况条件下，回撤通道护巷煤柱宽度为25 m 时是采用的开采经验进行选取的，而根据护巷煤柱覆岩结构分析，选取该煤柱宽度依然参照其他位置，直接采用会造成煤炭资源浪费，而煤柱处于应力影响角范围时，由于应力处于扩展状态，传递的有效应力很难获取，故建立数值模拟模型进行护巷煤柱宽度优化。

3.1 模拟模型

由于煤层在实际开采过程中，下煤层工作面位于上煤层采空区下方，为确定护巷煤柱在煤层开采中发生塑性破坏的最大位置，建立了三维立体模型，模型尺寸435 m×425 m×175 m（长×宽×高）。模型中，因巷间煤柱和回撤通道为重点观测区，故从主辅回撤通道两侧各30 m 范围内及整个采场沿推进方向均采用1 m 的网格划分，其余部分均采用5 m 网格划分。模型采用位移边界约束，模型前后（y 方向）和左右（x 方向）速度为0，底部边界在x，y 和z 方向速度均为0，上边界为自由边界，模拟中因没有将模型完全建立到地表，上覆岩层按均布载荷施加于模型上表面，施加应力为2.44 MPa。

3.2 模拟参数

数值模拟的准确性除了取决于模型本身的建立，还决定于本构模型的选取和煤岩体力学参数等，为确保模拟的准确性，煤岩层的物理力学参数根据该工况已有的钻孔取心参数，通过RocData 软件得到各岩层的Hoek-Brown 参数，经Hoek-Brown 经验强度准则参数换算出等价Mohr-Coulomb 内摩擦角和黏聚力及其相关力学参数[18-20]，煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

3.3 模拟方案及测线布置

模型建立后，因工况实际情况在护巷煤柱宽度为25 m 时，工作面末采贯通时回撤通道并未出现冒顶和片帮现象，所以，煤柱宽度为25 m 时认为是安全尺寸，以25 m 为起点，逐步缩减煤柱宽度，单次缩减1 m，共缩减到15 m 进行研究。

首先以护巷煤柱宽度为25 m 进行模拟开挖，确定垂直应力测线布置位置和塑性区界面的提取位置。根据应力云图和塑性区随着工作面剩余煤柱宽度减小的变化发现，采空区出现压实区，垂直应力（塑性区范围）最大位置在以第2 条联络巷为中心的第2 和第3 护巷煤柱上，所以，水平方向以靠近第2联络巷的第3 个护巷煤柱和垂直方向选择煤柱中部作为垂直应力测线布置位置，塑性区界面提取以水平方向测线布置为准线进行垂直切割。

3.4 模拟结果分析

3.4.1 护巷煤柱上方垂直应力分布特征

31109 综采工作面与主回撤通贯通后，回撤通道护巷煤柱、辅回撤通道侧一定范围内和主回撤通道侧一定范围内采空区的垂直应力分布随着护巷煤柱留设宽度的不同而出现不同变化，护巷煤柱围岩垂直应力分布图如图4。

图4 护巷煤柱围岩垂直应力分布图Fig.4 Vertical stress distribution map of surrounding rock pillar

护巷煤柱作为主回撤通道和辅回撤通道之间的保护煤柱，在综采工作面末采贯通过程中，由于末采端工作面随着剩余煤柱宽度的减小，煤体的强度逐步衰减，原本由工作面前方煤体承载的超前支承压力大幅向回撤通道间的护巷煤柱上方转移。

在末采工作面与主回撤通道贯通后，主辅回撤通道上方的支承压力主要由护巷煤柱支撑，由图4可知，随着护巷煤柱宽度减小，靠近辅回撤通道侧护巷煤柱的垂直应力峰值由11.84 MPa 增加到16.06 MPa，增幅为4.22 MPa，护巷煤柱两端峰值应力中部的低垂直应力由9.03 MPa 增加到15.08 MPa，增幅为6.05 MPa，靠近主回撤通侧护巷煤柱的垂直应力峰值由16.74 MPa 增加19.17 MPa，增幅为2.43 MPa。随着护巷煤柱宽度的减小，护巷煤柱的应力逐步增高，靠近主回撤通道侧应力的峰值增长幅度较慢，而靠近辅回撤通道侧的峰值应力和护巷煤柱两端峰值应力中部的低垂直应力的增长速度却较快，而且护巷煤柱两端峰值应力中部的低垂直应力靠近辅回撤通道一侧，由此说明，随着护巷煤柱宽度减小，护巷煤柱的垂直应力主要向辅回撤通道侧转移。所以，回撤通道护巷煤柱宽度留设过小不仅会引起主回撤通道的变形破坏，还会因为应力大幅向辅回撤通道侧转移，从而导致辅回撤通道发生变形破坏，影响设备顺利回撤。

3.4.2 垂直应力峰值及其分布位置特征

在末采工作面与主回撤通道贯通后，主回撤通道一侧为采空区，一侧为护巷煤柱，在护巷煤柱两端形成2 个极限平衡区，极限平衡区的宽度和煤柱的弹性核区宽度决定了保护煤柱稳定性的最小宽度，弹性核区宽度一般按2 倍的煤层厚度选取[17]，而极限平衡区的位置和煤柱垂直应力的峰值应力位置有关。因此，根据护巷煤柱不同宽度情况下护巷煤柱的垂直应力分布，提取的护巷煤柱靠近主辅回撤通道峰值垂直应力与分布位置图，护巷煤柱峰值垂直应力与分布位置图如图5。

图5 护巷煤柱峰值垂直应力与分布位置图Fig.5 Peak vertical stress and distribution location of coal pillar

由图5（a）可知，当回撤通道保护煤柱的宽度不同时，靠近主回撤通道侧峰值应力和距离主回撤通道的距离存在明显差异，随着保护煤柱宽度减小，靠近主回撤通道侧的峰值应力分布位置距离主回撤通道的距离随着峰值应力的增高而增大，峰值应力距离主回撤通道的距离随着护巷煤柱宽度从25 m 变为15 m 的过程中，从距离主回撤通道4.08 m 增大到4.92 m，其增长速度接近线性增长。

靠近辅回撤通道侧的峰值垂直应力与分布位置如图5（b），护巷煤柱宽度为不同宽度情况下，靠近辅回撤通道侧峰值垂直应力变化和距离辅回撤通道距离均出现了不同的差异，靠近辅回撤通道侧的峰值垂直应力随着护巷煤柱宽度的减小，峰值垂直应力不断增大，峰值垂直应力的增长速度越来越快，但是在峰值垂直应力增长的过程中，峰值垂直应力距离辅回撤通道的距离并没有随应力增长趋势发生同步增长。在护巷煤柱宽度为25、24、23 和22 m 时，护巷煤柱靠近辅回撤通道的峰值垂直应力距离辅回撤通道的距离维持在3.13 m，并没有随护巷煤柱宽度减小而发生变化，但是峰值垂直应力一直处于增长状态。当护巷煤柱宽度为21、20 和19 m 时，峰值垂直应力距离辅回撤通道的距离增加到3.76 m，并在煤柱宽度为该3 种状态下保持不变，在护巷煤柱宽度从21 m 减小到19 m 的过程中，峰值垂直应力的增长速度进一步加快。随着护巷煤柱宽度的进一步减小，在护巷煤柱宽度为18、17、16 和15 m 时，峰值垂直应力距离辅回撤通道的距离从护巷煤柱块度为18 m 时就增加到4.08 m，并在随后的3 次宽度缩减中保持不变。

综合护巷煤柱的2 个峰值应力和分布位置随着护巷煤柱宽度减小而发生的变化，靠近主回撤通道侧峰值应力在煤柱宽度为25 m 时就达到了4.08 m，并在随着护巷煤柱宽度减小的过程中，其距离不断增大，在护巷煤柱宽度为20 m 时，峰值应力距离主回撤通道的距离达到了4.50 m，并仍随着护巷煤柱宽度的减小而增大，所以依靠峰值应力距离主辅回撤通道的距离确定护巷煤柱合理宽度将在决定于靠近辅回撤通道侧峰值应力的变化。靠近辅回撤通道侧的峰值应力的分布位置在护巷煤柱宽度从22 m减为21 m 和19 m 减为18 m 的过程中发生2 次增加，靠近辅回撤通道侧的峰值应力距离辅回撤通道的距离从3.13 m 增加到3.76 m 增加到4.08 m，所以根据护巷煤柱宽度减小时对应的峰值应力分布位置，结合煤柱模拟工况的煤层厚度4 m，可知，2 倍的煤层厚度加2 个极限平衡区宽度得出煤柱保持稳定的最小宽度为17 m。

3.4.3 护巷煤柱塑性区分布特征

由于靠近辅回撤通道的峰值垂直应力的分布位置在护巷煤柱宽度减小的过程中存在分布位置不随应力增长而发生明显变化的原因，单纯以峰值垂直应力的位置确定极限平衡区位置并不能完全确定煤柱的合理宽度，仍需结合模拟中护巷煤柱塑性区的发展综合考虑，根据峰值应力确定的保持煤柱最小宽度的煤柱宽度尺寸，选择护巷煤柱宽度分别为21、20、19、18、17、16 m 时综采工作面与主回撤通道贯通后所形成的塑性区进行分析，护巷煤柱塑性区随其宽度减小的分布图如图6。

图6 护巷煤柱塑性区随其宽度减小的分布图Fig.6 Pillar protection roadway profile with its plastic zone of a reduced width

由图6（a）～图6（f）可以发现，随着护巷煤柱宽度的减小，从辅回撤通道和主回撤通道向煤柱中部产生的塑性区存在明显差异。从辅回撤通道向煤柱中部产生的塑性区随着煤柱宽度的减小由4 m 增加到5 m，辅回撤通道向煤柱中部产生的塑性区随煤柱宽度减小由4 m 增加到7 m。在煤柱高度4 m 确定的情况下，回撤通道护巷煤柱两端塑性区的范围将决定护巷煤柱保持稳定性的最小宽度。从图6（c）可以发现，在护巷煤柱宽度为19 m 时，对应塑性区宽度之和是10 m，结合2 倍煤层采高，此时护巷煤柱宽度为18 m 即可。在护巷煤柱宽度为18 m 时，靠近辅回撤通道侧塑性区宽度为4 m，靠近主回撤通道侧塑性区宽度为6 m，结合煤柱2 倍的高度可以得知，此时煤柱宽度为18 m 时为最小宽度与留设宽度一致。在护巷煤柱宽度为17 m 时，靠近主辅回撤通道侧的塑性区宽度之和达到11 m，结合煤柱高度的2 倍可知，此时的塑性区情况对应的煤柱最小稳定宽度为19 m，显然17 m 宽的护巷煤柱并不是安全尺寸。

综上所述，结合护巷煤柱的峰值垂直应力和模拟中塑性区的发展范围，确定煤柱的最终合理留设宽度为18 m 即可。所以工况实际中凭借经验选取的25 m 护巷煤柱宽度过大，可在后续的布置于类似位置的回撤通道适当缩减护巷煤柱宽度，从而增加煤炭资源回收。

4 结 论

1）近距离煤层中，回撤通道护巷煤柱宽度与上煤层停采线煤柱相对位置有关，上煤层覆岩关键层和层间关键层形成的结构决定了护巷煤柱所承受荷载的大小，从采空区压实区到上煤层实体煤下的原岩应力区，护巷煤柱宽度应按先减小后增大的趋势选取。

2）采空区边缘下方回撤通道如果布置于停采线煤柱正下方，护巷煤柱承受的荷载除了层间岩层和上煤层对应范围内垮落带岩层自重及关键层传递荷载外，还有一部分是上煤层停采线煤柱产生的集中应力传递而来，上位关键层传递荷载形式与其破断距紧密相关。

3）随着煤柱宽度减小，护巷煤柱应力向辅回撤通道侧转移，护巷煤柱上的峰值应的位置均向煤柱中部转移。经过峰值应力和塑性区变化规律确定工况条件下回撤通道护巷煤柱宽度可为18 m，原有煤柱宽度属于安全宽度，但存在进一步优化的空间。