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第 2 5 卷第 3 期 2 0 0 6年 3月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o fR o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g V_O 1 ． 2 5 N0 ． 3 Ma r c h， 2 0 0 6 综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究 谢广祥 ，杨科 ，刘全明 J ．安徽理工大学，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 2 ． 煤炭科学研究总院 北京丌采所 ，北京 1 0 0 0 1 3 搞蔓i在较薄厚煤层综放面倾向煤柱支承压力现场实测的基础上，应用弹靼性极限平衡理论，考虑煤层厚度及倾 角的影响，分析得出综放而倾向煤柱支承压力峰值位置的计算式及分布规律。该研究为综放回采巷道的合理 置 及护巷煤柱参数的合理确定提供了依据，有利于改善巷道维护状态和提高煤炭资源采 出率，并为类似条件下的综 放J f 采提供有益借鉴。 关t词采矿工程较薄厚煤层；综放面支承压力极限平衡理论倾向煤柱 中田分类号T D 3 2 文I - t 标识码A 文章编号l 1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 6 0 3 0 5 4 5 0 5 S TUDY ON DI S TRI BUTI ON LAWS OF S TRES S I N I NCLI NED COAL PI LLAR FOR FULLY M ECHANI ZED TOP． COAL CA VI NG F ACE XI E G u a n g x i a n g ，Y ANG K e ，L I U Q u a n mi n g 1 ． A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Hu a i n a n ，A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． B e O i n gMi n i n gR e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l R e s e a rch I n s t i t u t e ，B e r i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n i n - - s i t u o b s e r v a t i o n a b o u t s t r e s s i n i n c l i n e d c o a l p i l l a r f o r f u l l y - me c h a n i z e d t o p - -c o a l c a v i n g f a c e o f t h i n n e r c o a l s e a m a n d t h e e l a s t o p l a s t i c l i mi t e q u i l i b r i u m t h e o r y， t a k i n g t h e t h i c k n e s s a n d a n g l e o f c o a l s e a m i n t o a c c o u n t ，t h e r e s u l t s a n d r e l a t i o n s a r e ana l y z e d s y s t e ma t i c a l l y a n d c o mp l e t e l y ；a n d t h e f o r mu l a a n d t h e d i s t r i b u t i o n l a ws o f s t r e s s p e a k v a l u e a r e o b t a i n e d ． T h e s t u d y wi l l p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s t o t h e r e a s o n a b l e d e s i g n f o r g a t e wa y a n d t h e d e t e r mi n a t i o n o f p a r a me t e r s f o r c o a l p i l l a r p r e s e r v a t i o n i n t h e c o n d i t i o n o f g o b s i d e d r i v i n g i n f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g f a c e ， a n d t o i mp r o v e t h e ma i n t e n a n c e o f g a t e wa y a n d i n c r e a s e t h e r e c o v e ry r a t i o ． An d i t wi l l p r o v i d e s o me a v a i l a b l e r e f e r e n c e s f o r o t h e r s i mi l a r mi n i n g are a s ． Ke y wo r d s mi n i n g e n g i n e e r i n g ． t h i n n e r c o a l s e a m； f u l l y - me c h a n i z e d t o p -- c o a l c a v i n g f a c e a b u t me n t p r e s s u r e l i mi t e q u i l i b r i u m t h e o r y i n c l i n e d c o a l p i l l a r 1 引 言 众所周知，综采放顶煤采煤法是实现高产高 效 、既经济又实用 的有 效途径 1 ，但 对于较薄厚 煤层 5 m左右 的综放开采，其采场周围支承压力分 布与其他采煤方法开采时不尽相 引 ，而支承压力 的峰值位置及大小是决定同采巷道布置和护巷煤 柱参数的主要因素，对这方面的研究虽已取得一 些成果 [ 3 】 ，但力学模型的建立及所考虑的因素欠 妥。综放回采巷道的布置与传统的理论不尽相符， 也与厚煤层的综放开采有一定的区别。为了更好地 确定回采巷道的位置及护巷煤柱参数，提高煤炭资 源采出率 ，改善巷道维护状态 ，有必要对煤柱的支 收稿日期I 2 0 0 41 01 0 修回日期l 2 0 0 5 0 4 2 8 ‘盒珥目安徽省重点科研项目 040 2 3 0 6 1 作者筒介I谢广祥 1 9 5 8 一 ，男。博士，1 9 8 2 年毕业于淮南 矿业学院。现任教授、博士生导师，主要从事采矿丁程方面的教学与研究 l 作。E m a i l k e y a n g a u s t ， e d u ，c n 。 维普资讯 5 4 6 岩石力学与工 学报 2 0 0 6缸 承压力分布情况进行进一步的研究。本文在现场实 测分析的基础之上 ，考虑开采煤层厚度及倾角 ，应 用弹塑性极限平衡理论对较薄厚煤层综放面倾 向煤 柱的支承压力分布进行研究。 2 煤柱支承压力现场实测 谢桥矿 1 1 5 1 3 综放面位于 1 1 4 1 3 综放面采 区的下方，其风巷布置在上区段采空区 1 1 4 1 3 综放 面 侧，并留设 5 ～6 m左右的煤柱护巷；所采 l 3 1 煤半均煤厚 5 ． 4 m， 煤层倾角 1 2 。 ～l 5 。 ，平均为 1 3 。 。 为观测煤 柱应 力在 工 作面 回 采过 程 中 的变 化规 律，在煤柱内埋设了 K S E I I 一1型钻孔应力计， 其初始应力值为 4 ． 5 MP a ， 测结果如图 J ， 2所示。 距工作面距离， m 图 1 煤柱应力沿走向的变化曲线 F i g ． 1 S t r e s s v a r i a t i o n c u r v e s o f c o a l p i l l a r a l o n g s t r i k e 距巷道上帮距离， m 罔 2 煤柱应力沿倾向的变化 线 F i g ． 2 S t r e s s v ari a t i o n c u r v e s o f c o a l p i l l ar a l o n g d i p 观测结果表明，煤柱应力随工作面的推进呈现 出一个l 陕到慢、逐渐 E 升的过程。 在这一过程中， 煤杜的应力状态越来越不稳定 ，且位于多元应力状 态，这一状态主要受上一工作而开采后残余侧支承 压力和本工作面回采时的前支承压力的双重影响， 而前支承压力是动态非线性的。在工作面前方约 1 O _ 8 m 处，煤柱 内出现了应力峰值 ，相对应力值为 8 ． 4 9 MP a ，此时的支承压力相对系数 k为 1 ． 8 6 。从 图中可见，沿煤柱倾斜方向的支承压力在工作面不 断推进的过程中， 其分布规律曲线从平缓的“ 驼峰” 向陡峭的 “ 驼峰 ”变化。巷道上侧帮浅部煤体应力 随着工作面的不断推进f 逐渐降低，而深部煤体应 力则逐渐升高。从图 2可 以看 出，对于 5 ～6 m 宽 的护 巷 煤 柱 ，其 支承压 力 峰值 位 于距 巷道 上 帮 2． 5 ～ 3． 5 m 。 3 力学分析 与其他丌采方法不全相 同㈣ ，加之巷道开挖 的影 撕 XXl O y ⋯ I COS O“ x ㈣ 、_1 c o s I l一 _ 图3 煤柱力学模型 F i g ． 3 M e c h a n i c a l mo d e l o f c o a l p i l l ar B d R 维普资讯 第2 5卷第3期 谢广祥等．综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究 5 4 7 为巷道支护对煤壁沿 方 向的约束力 MP a ， ， 为煤层与项底板界面处的剪切应力 MP a ，M 为开 采煤层厚度 m ； 五为采空侧至煤柱极限强度发生处 的距离 m 。 3 ．2 模型的求解 由图 3可知，求解屈服区界面应力的平衡方程为 孥 x 0 方 向 a v ～ y _ 0 y 方向 a v ’⋯ 一 c 0 O y t a n 2 式中x和 y分别为极限平衡区内煤体在 和 Y方 向的体积J J MP a ，c 。 为煤层与顶底板界面处的黏 聚力 MP a ， 为煤层与顶底板界面处的摩擦角 。 。 联立式 2 得 f x g y A 将式 4 代入式 3 并整理得 t a n ， ” g 取整个屈服区为分离体， 由极限平衡1 内 方 向的合力为 0的特征可得 Mp a 一2 T x v d x 一 Y o X tM s i n 0 9 方程两边是关于 。 的平衡方程 ，对 。 求 导得 三 L 一 2 f 一 M n 。 c。 式中 为煤体平均体J 3 MP a 。 求解式0o 得 3 可得 方程两侧分别只是 或 Y的函数，故可令方程 两侧等于同一常数日 掣 ta n 。 B f x ～ y 日 g Y 求解式 6 可得 1 _， B le “ l g ， B 2 e ‘ m J 联立式 2 ， 5 ， 7 可得 Bo e 一 e “ ‰ A 一Bo e 8 _ r y e t x 0 A ]tan 。 c。] 式中A，B 。 均为待定常数，B o B 。 B 。 。 6 8 XXl Ce m 一 ⋯ 令式 8 中 却 y M ，并与式 1 1 进行比较 d 一 2 c 0 一MY o s i n o ，1 一一 一 2t a n J B 2t a n 2 a o M／ 3 f B Y M 2 t a n 一 Y Mfl C e 一 Bo e 卢 联立式 1 ， 9 ， 1 0 ， 1 2 可得 叱 。 c e 2 tan2 o0 一 M fl O y 一． 2 出 一 一Y o X l m s i n 0 Jox％ dx - -c 1_ e 1] 由式 1 3 和 1 4 可得 c c 7 o x s i n a 将 Y7／ o c o s o 和式 1 5 代入式 1 2 可得 B。[ c sin 1 2 03 1 4 1 5 0 I I y n 没 维普资讯 5 4 8 岩石力学与工程学报 2 0 0 6年 丝 ] e 1 6 2 t a n ‰ l } c l ] e 十 十 【 一 2 a n ‰ _J I 一 [[fl P 7oXl sintz ]_ 『 e 一2t a n o on a n2 o o M／ J ⋯ 吼c nl l p 2 l tAn ，n r l l j J 将 y _M ， ， I ， O “yI C O S 代 入 上 式 ， 可以求得巷帮距煤柱极限强度发生处的距离为 生ln l 盟 二 『 2 t a n l fl 2 c 0 一 s i n 2 2 t a n O o I 1 8 如果不考虑煤层倾角的影响，即 0时，确 定上侧煤柱和下侧煤柱 _ 卜 侧煤柱是指采卒 煤柱 位于巷道的上侧方，下侧煤柱是指采空区煤卡 卡 位于 巷道 的下侧方 的支承 力峰值位置 的计算式是相 同的，对于倾斜煤层则应考虑煤层倾角。式 1 8 给 出的是上侧煤柱 的计算式，而对十下侧煤柱内支承 压力峰值发生处至采空侧煤壁距离的计算式则为 l nl fl a y c o s a t a n o o 2 c o M y o s in a l 2 t an I ／ 2 C o s in 2 t an C O o f 1 9 由式 1 8 ， 1 9 可见，支承压力的峰值位置与煤 层倾角相关，当煤层倾角较小时，这 影响并不 明 显，但随着煤层倾角的增大，上、下侧煤柱支承压 力峰值何置差异增大。 煤柱极限强度实质上是指煤柱长期受垂直荷载 作用下峰值应力点所能达到的极限应力 ，它不仪与 实验室煤岩试样 的单轴抗压强度有关 ， 且 与煤 壁所获得的沿水平方向的约束力有关。考虑谢桥 矿 1 3 一 煤层的赋存特点， 本文采用下式I 来计算煤 柱的极限强度 I 却 2 ． 7 2 9 r ／ o 2 0 式中7 7 为煤岩流变系数 ， 为煤岩试块的单轴抗 压强度 MP a 。 3 ．3 力学分析的应用 对于 1 l 5 l 3 综放面所采 l 3 l 煤， 7 7 取 0 ． 4 5 ， 、 取 1 3 MP a ，将其带入式 2 0 计算得煤柱的极限强度 13 “ 为 9 ． 8 9 1 MP a ，这与现场实测煤柱的支承压 力峰 值 8 ．4 9 MP a 基本吻合。 对于谢桥矿 1 1 4 l 3 综放面所采 l 3 一 l 煤 ，取 M 5． 4 m ， 1 3 。 ， V0． 3 2 ， 0． 47 ， 028 。 ， 2 MP a ， 0 ． 0 1 4 MP a ， 0 ． 2 5 ， 对于 1 1 5 1 3 综放面 ，所 留护巷煤柱为上侧煤柱，故把参数带入 式 1 8 汁算得 X ． 1 ． 6 5 7 m。 考虑到实际牛产中由于开采扰动，将不可避免 地使煤柱侧帮产生松动破坏，导致煤朴应力向深部 转移。结合现场实洲数据的分析及考虑采深的影响， 开聚引起的扰动系数取支承压 力相对系数 k，故该 条件 F 支承乐力峰值距采空侧的距离为 。 3 ．0 8 2 m，即支承压力峰值距巷道上帮 2 ．9 1 8 m。该 值与现场 实测支承压力峰值位置距巷 帮距 离相 吻 合，这说明力学模型及计算方法是正确可行 的。 4 主要结论 1 在现场实测分析的基础上，综合分析得山 了综放面倾 向煤柱支承压力峰值位置的计算式。 2 在较薄厚煤层的综放开采 中，煤柱支承压 力峰值位置距巷帮距离与开采煤层厚度成非线性正 比关系。 3 煤层倾角对支承 力峰值有一定的影响， 倾角越大，上、下侧煤柱支承压力峰值位置差异就 越人。 4 为减少 留设煤柱不 当对煤柱及巷道稳定性 和采出率的影响，最小煤柱尺寸应综合考虑煤柱支 承压 力峰值位置距巷帮的距离。 本研究为综放 采巷道的合理布置及护巷煤柱 参数 的合理确定提供 了依据，有利于改善巷道维护 状态和提高煤炭资源采 率 ，并为类似条件下的综 放开采提供厂有益借鉴。 维普资讯 第 2 5卷第3期 谢广祥等．综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究 5 4 9 参考文献 R e f e r e n c e s ⋯ 吴健．我国综放技术 1 5年回顾[ J J ．中国煤炭，1 9 9 9 ，2 5 1 ／ 2 91 6 ． Wu J i a n ． A r e v i e w o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g wi t h s u b - l e v e l c a v i n g i n t h e p a s t 1 5 y e a r s [ J ] ． C h i n a C o a l ， 1 9 9 9 ，2 5 1 ／ 2 91 6 ． i n Ch i n e s e 【 2 ] 盂宪锐．李建民．现代放顶煤开采理论与实用技术[ M】 ．徐州中 囤矿、 『k 大学出版社， 2 0 0 1 ． Me n g X i a n rni ， L i ．1 i a n m i n ． T h e o r e t i c a l a n d T e c h n o lo g y o f L o n g w a l l T o p - c o a l C a v i n g [ M] ．Xu z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y P r e s s 2 0 0 1 ． i n C h i n e s e [ 3 】 吴立新．王金庄 ，郭增长． 煤柱设训’ 与监测基础[ M] ． 徐州中国 矿业火学出版社， 2 0 0 0 ． Wu L i x i n ， Wa n g J i n z h u a n g ， Gu o Z e n g z h a n g ． F o u n d a t i o n f o r C o a l P i l l a r De s i g n a n d Mo n i t o ri n g [ M] ． Xu z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y P r e s s 2 0 0 0 ． i n C h i n e s e [ 4 】 侯朝炯 ，郭励生，勾攀峰．煤巷锚杆支护【 M] ．徐州中国矿业大 学出版社，1 9 9 9 ． H o u C h a o j i o n g 。Gu o L i s h e n g ，G o u P a n f e n g ． B o l t S u p p o a i n g o f C o a l R o a d w a y [ M] ．Xu z h o u C h i n a U n i v e r s i ty o f Mi mn g a n d T e c h n o lo g y P r e s s ， 1 9 9 9 ． i n C h i n e s e 【 5 】 高 玮．倾斜煤柱稳定性的弹塑性分析[ J 】 _ 力学与实践．2 0 0 1 ， 2 3 2 2 3 2 6 ． Ga o We i Th e e l a s t o - p l a s t i c a n aly s i s o f s t a b i l i t y o f i n c l in e d c o al p i l l a r [ J ] ． Me c h a n i c s i n E n g i n e e ri n g ，2 0 0 1 ，2 3 2 2 3 2 6 ． i n Ch i n e s e 【 6 】 谢和平，段法兵．周宏伟，等．条带煤柱稳定性理论与分析方法研 究进展[J ] ．中国矿业． 1 9 9 8 ， 7 5 ； 3 7～ 4 1 ． Xi e H e p i n g - Du a n F a h i n g ， Zh o u Ho n g we i ， e t a 1 ．Re c e n t d e v e l o p me n t s o f t h e o r y a n d a n a l y s i s me t h o d s o f s tr i p p i l l a r s t a b i l i t y [ J ] ． C h i n a Mi n i n g Ma g a z i n e 1 9 9 8 7 5 ；3 741 ． i n Ch i n e s e [ 7 】 贾光胜．康立军．综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究[ J l 1 煤炭 学报 。 2 0 0 2 ， 2 7 1 ； 61 0 ． J i a Gu a n g s h e n g ． K a n g L ij u n ． S t u d y o n t h e c h a i n p i l l ar s t a b i l i t y o f t h e d e v e l o p i n g e n t ry i n l o n gwa i l to p 。 c o a l m i n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o al S o c i e t y 2 0 0 2 ，2 7 1 61 0 ． i n Ch i n e s e 李东升，李德海，宋常胜．条带煤柱设计中极限平衡理论的修正应 用[ J 】 ． 辽宁T程技术大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 7 9 ． L i Do n g s h e n g，Li De h a i S o n g Ch a n g s h e n g ． Ame n d e d l i mi t e q u i l i b r i u m t h e o r y i n s t ri p c o a l p i l l ar d e s i g n [ J ] ． J o u rna l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e 2 0 0 3 2 2 1 7 9 ． i n C h i n e s e [ 9 】 刘爱国，苗 田。王云方 ，等．综放工作面回采巷道煤柱应力分析 与参数优化[ J J ． 煤炭科学技术，2 0 0 2 ，3 O 1 5 2 5 4 ． L i u A i g u o ． M i a o T i a n， W a n g Y u n f a n g， e t a 1 ．S t r e s s a n a l y s i s a n d p ara me t e r o p t i mi z a t i o n o f c o a l p i l l ar i n g a t e wa y o f f u l l y me c h a n i z e d c a v i n g f a c e [ ,1 ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 2-3 O 1 5 25 4 ． i n C h i n e s e [ 1 O 】陈炎光，钱鸣高．中国煤矿采场 围岩控制[ M】 ． 徐州中国矿业火 学 出版社，1 9 9 4 ． C h e n Y a n g u a n g ，Qi a n Mi n g g a o ．S t r a t a C o n t r o l ar o u n d C o a l F a c e i n C h i n a [ M] ． X u z h o u C h i n a Un iv e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y P r e s s ． 1 9 9 4 ． i n C h i n e s e 维普资讯