倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究 门建光１ꎬ２ꎬ王 硕３ꎬ袁瑞甫２ꎬ李小军２ꎬ焦振华２ꎬ彭帅鹏４ １􀆱 郑州煤炭工业集团有限责任公司ꎬ河南 郑州 ４５０００７ꎻ２􀆱 河南理工大学 能源科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４０００ꎻ ３􀆱 煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司ꎬ河南 郑州 ４５０００７ꎻ４􀆱 河南省许昌新龙矿业有限责任公司ꎬ河南 禹州 ４６１６７０ 摘 要为研究倾斜煤层煤柱覆岩结构及应力分布规律ꎬ采用理论分析、数值模拟、现场实测的方法ꎬ 分析了倾斜煤层采场倾向岩体运移特征及煤层倾角与煤柱应力之间的关系ꎮ 结果表明倾斜煤层煤 柱边缘直接顶岩层几乎不冒落ꎬ破断后有序排列形成小结构模型ꎬ其稳定性差ꎬ且失稳破坏为基本顶 运动提供了空间ꎬ促使基本顶大结构模型的形成ꎬ大结构模型形成滞后于小结构模型ꎬ且与小结构模 型存在空间上的差异ꎻ区段煤柱垂直应力集中程度随煤层倾角的增大而减小ꎬ水平应力集中程度则随 煤层倾角的增大而增大ꎻ应力峰值与煤壁距离以及支承压力影响范围均随着煤层倾角的增大而减小ꎮ 关键词倾斜煤层ꎻ区段煤柱ꎻ覆岩运动特征ꎻ支承压力 中图分类号ＴＤ３２３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００２１－０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ Ｓｔｒａｔａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｌａｗ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐｉｌｌａｒ ｉｎ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ Ｓｅａｍ ＭＥＮ Ｊｉａｎ￣ｇｕａｎｇ１ꎬ２ＷＡＮＧ Ｓｈｕｏ３ꎬＹＵＡＮ Ｒｕｉ￣ｆｕ２ꎬＬＩ Ｘｉａｏ￣ｊｕｎ２ꎬＪＩＡＯ Ｚｈｅｎ￣ｈｕａ２ꎬＰＥＮＧ Ｓｈｕａｉ￣ｐｅｎｇ４ １.Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＬｉｍｉｔｅｄꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｆ Ｃｏａｌ ＩｎｄｕｓｔｒｙꎬＺｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００７ꎬＣｈｉｎａꎻ４.Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｘｕｃｈａｎｇ ＸｉｎＬｏｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｕｚｈｏｕ ４６１６７０ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｓｔｒａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｉｎ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｅａｍꎬａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙ￣ ｓｉｓꎬｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｉｎ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｅａｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｓｔｒｅｓｓ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｍｅｄｉａｔｅ ｒｏｏｆ ｓｔｒａｔａ ａｔ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｅａｍ ｐｉｌｌａｒ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｆａｌｌｉｎｇ ａｌｌ ｍｏｓｔｌｙ.Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｓｔｒａｔａ ｂｒｏｋｅｎꎬｓｍａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ａ ｓｅｒｉｅｓ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔꎬｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｐｏｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｌｏｓｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｗｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｓｐａｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｏｏｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ.Ｔｈｕｓ ｌａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｏｏｆ ｗａｓ ｆｏｒｍｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｌａｇｇｉｎｇ ｂｅｈｉｎｄ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ. Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ.Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ａ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｐｅａｋ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｅａｍꎻｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒꎻｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓꎻｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ 收稿日期２０１４－０１－１０ꎻ责任编辑杨正凯 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.００６ 基金项目国家自然科学基金资助项目４１２０４０３５ꎬ５１０７４０６５ꎬ５１００４０４３ꎻ河南省重点科技攻关计划资助项目１２２１０２３１００３６ 作者简介门建光１９８６ꎬ男ꎬ河南商丘人ꎬ硕士ꎮ Ｔｅｌ１５８３９１０６２７９ꎬＥ－ｍａｉｌ３０８７４３１０５＠ ｑｑ.ｃｏｍ 引用格式门建光ꎬ王 硕ꎬ袁瑞甫ꎬ等.倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５２１－２４. ＭＥＮ Ｊｉａｎ￣ｇｕａｎｇꎬＹＵＡＮ Ｒｕｉ￣ｆｕꎬＬＩ Ｘｉａｏ￣ｊｕｎꎬｅｔ ａｌ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ Ｓｔｒａｔａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｌａｗ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐｉｌｌａｒ ｉｎ Ｉｎ￣ ｃｌｉｎｅｄ Ｓｅａｍ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５２１－２４. ０ 引 言 合理的区段煤柱留设对于矿井优化设计、巷道 围岩控制、提高矿井回采率、消除因煤柱引起的灾害 和不利影响具有重要意义ꎮ 我国学者利用数学归 纳、理论分析等方法对区段煤柱留设宽度做了大量 的研究ꎬ总结出了大量合理的区段煤柱宽度计算公 式[１－４]ꎬ但理论分析与现场情况差别很大ꎬ对现场煤 柱宽度留设意义不大ꎮ 大量数值模拟软件的开发ꎬ 为岩土工程的研究开辟了新的思路ꎬ韩成强等[５]利 用 ＦＬＡＣ３Ｄ与现场实测相结合的方法研究了煤柱宽 度与巷道围岩变形量之间的关系ꎻ柏建彪 [６]利用 １２ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 ＵＤＥＣ 软件模拟沿空掘巷围岩变形量ꎬ揭示沿空巷 道围岩控制机理ꎻ张开智等[７]通过钻孔煤粉量变化 规律确定合理的区段煤柱参数ꎻ王同旭等[８]对孤岛 煤柱侧向支承压力分布的数值模拟与雷达探测进行 了研究ꎻ侯朝炯等[９]提出了综放沿空掘巷围岩大、 小结构的稳定性原理ꎮ 但以上研究均针对近水平煤 层ꎬ不适用于倾斜煤层ꎮ 许多学者也对倾斜煤层的 煤柱稳定性及合理参数进行研究ꎬ李永明等[１０]揭示 了急斜煤层煤柱稳定性与采高、煤体强度之间的关 系ꎻ王建鹏等[１１]利用现场实测分析了大倾角煤层合 理区段煤柱宽度ꎻ文献[１２－１３]利用光学窥视仪直 观显现了急斜煤层覆岩裂隙分布特征ꎬ指出急斜煤 层围岩破裂具有分区分布的特点ꎻ戴华阳等[１４]根据 急斜煤层不同深度覆岩结构特征不同ꎬ揭示了该条 件下地表移动机理ꎻ梁翠云等[１５]分析了急斜煤层深 部开采动力失稳的原因ꎮ 但是ꎬ这些文献并未对倾 斜煤层煤柱覆岩结构特征与应力分布之间的关系进 行研究ꎮ 基于此ꎬ笔者以平煤集团十三矿己二采区 为研究对象ꎬ从覆岩运移规律的角度分析了不同倾 角煤层区段煤柱矿压显现规律ꎬ以期为矿井合理留 设区段煤柱提供理论依据ꎮ １ 倾斜煤层煤柱覆岩及应力分布理论分析 图 １ 倾斜煤层直接顶和基本顶结构模型 １􀆱 １ 倾斜煤层煤柱覆岩运动特征 文献[１６－１８]对倾斜煤层采场覆岩运动特征研 究表明ꎬ倾斜煤层采场中部冒落的矸石在自身重力 作用下ꎬ沿着底板向下端头滑移ꎬ使其端头的覆岩结 构特征不同于水平煤层ꎮ 倾斜煤层采场冒落的矸石 在工作面下端头堆砌形成充填区ꎬ及时支撑直接顶 岩层ꎬ端头直接顶岩层几乎不冒落ꎬ断裂的岩块相互 铰接ꎬ有序排列形成砌体梁的小结构模型ꎮ 倾斜煤 层直接顶小结构模型如图 １ａ 所示ꎬ端头破断导致直 接顶岩块一端深入煤壁与 Ａ 岩块铰接ꎬ另一端与采 空区岩块 Ｃ 铰接ꎬＢ 岩块在 Ａ、Ｃ 岩块水平推力作用 下维持整个结构的稳定[９]ꎮ 小结构形成于顶板活 动初期ꎬ并且 Ｂ 岩块直接作用于三角区煤体ꎬ随着 冒落矸石被压实及煤柱边缘煤体塑性流变ꎬＢ 岩块 旋转下沉ꎬ小结构失稳破坏ꎮ 因此ꎬＢ 岩块旋转下沉 是无法控制的ꎬ弧形三角块构成的小结构也是不稳 定的ꎮ 小结构的失稳必然引起端头覆岩的运动ꎬ造 成煤柱内应力重新分布ꎬ这个时期进行下区段巷道 掘进会加剧小结构失稳破坏ꎬ引起上覆岩层剧烈运 动ꎬ对巷道维护不利ꎮ 随着工作面持续推进及冒落的矸石被压实ꎬ基 本顶运动空间越来越大ꎬ逐渐发生离层、破断形成砌 体梁的大结构模型ꎮ 倾斜煤层基本顶大结构模型如 图 １ｂ 所示ꎬ倾斜煤层采场冒落的矸石在工作面下端 头堆砌形成充填区ꎬ避免了直接顶岩层与基本顶离 层ꎬ遏制了基本顶弯曲断裂ꎮ 因此ꎬ大结构形成滞后 于小结构ꎬ并且小结构的失稳破坏为基本顶的破断 提供了运动空间ꎬ加速了大结构的形成ꎮ 基本顶破 断沿着倾向成倒台阶形式分布ꎬ大结构的铰接点位 于采空区侧ꎬ其形成于顶板剧烈活动后ꎬ稳定性较 好ꎬ煤柱处于其保护之下ꎬ围岩变形量小ꎬ对下区段 巷道掘进较为有利ꎮ １􀆱 ２ 倾斜煤层煤柱应力分布特征 倾斜煤层端头大、小结构复杂的时空关系构成 了煤柱外部力学环境ꎬ端头矸石的充填作用及时支 撑直接顶岩层ꎬ使稳定的大结构模型形成于基本顶 下位岩层ꎬ限制了煤柱覆岩的运动空间ꎬ缓解了煤柱 应力集中程度ꎻ倾斜煤岩层应力可分解为沿煤层倾 向和垂直于煤层倾向ꎬ煤层倾角越大煤柱水平应力 越小ꎬ而垂直应力越大ꎬ砌体梁结构模型就越稳定ꎬ 煤柱应力集中就越不明显ꎮ ２ 不同倾角煤层煤柱应力分布规律 ２􀆱 １ 数值模型的建立 平煤集团十三矿 １２０２０ 工作面主采二１煤层ꎬ该 工作面位于己二采区西翼上段ꎬ工作面走向长 ６０４ ｍꎬ倾斜长 １３６ ｍꎬ设计采高 ３􀆱 ３ ｍꎬ煤层倾角变化较 大ꎬ平均 ２５ꎬ局部超过 ３０ꎮ 埋深 ２３０３８０ ｍꎬ平均 埋深 ２６０ ｍꎮ 基本顶为 １１􀆱 ６０ ｍ 厚的细中粒砂岩ꎬ 灰白色具条带层理ꎬ层面含大量云母片ꎮ 直接顶为 ０２􀆱 ２２ ｍ 厚的黑色砂质泥岩ꎬ直接底为 ０􀆱 ４９ ｍ 厚 的灰黑色鳞片状泥岩ꎬ基本底为 ７􀆱 １０ ｍ 厚的砂泥岩 互层ꎬ条带状具有波状层里ꎮ 以 １２０２０ 工作面为研究对象ꎬ采用 ＦＬＡＣ３Ｄ数值 模拟软件对不同煤层倾角的煤柱进行模拟分析ꎬ模 ２２ 门建光等倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究２０１４ 年第 ５ 期 型共模拟煤层上方 ６０ ｍ 范围岩层ꎬ各个岩层力学参 数见表 １ꎮ 模型长宽高为 ３００ ｍ３００ ｍ２５０ ｍꎬ划 分为 ８２ ８００ 个单元格ꎬ９０ ３３４ 个节点ꎮ 表 １ 数值模拟中的岩层力学参数 岩性 体积模 量/ ＧＰａ 剪切模 量/ ＧＰａ 黏聚力/ ＭＰａ 内摩擦角/ 密度/ ｋｇ􀅱ｍ －３ 砂质泥岩２８􀆱 ３０１３􀆱 ８０２３􀆱 ００３１􀆱 ０２ ５００ 砂岩３８􀆱 ２０１９􀆱 ７０２２􀆱 ６０３６􀆱 ０２ ５００ 泥岩２５􀆱 ６０２３􀆱 ００２３􀆱 ００２７􀆱 ３２ ５００ 煤层７􀆱 ９０１􀆱 ２０７􀆱 ３０１４􀆱 ８１ ４００ 煤０􀆱 ５６１􀆱 ６３１􀆱 ８１２４􀆱 ８１４ ３６０ 数值模拟分别建立 ３ 个方案ꎬ３ 个方案煤厚、采 高、工作面倾斜长均与 １２０２０ 工作面相同ꎬ推进距离 均为 １５０ ｍꎬ而煤层倾角分别为 ０、２５、３０ꎬ模拟分 析不同倾角煤层开采后工作面运输巷实体煤侧的应 力分布规律即煤柱内应力分布规律ꎮ ２􀆱 ２ 模拟结果分析 不同倾角煤柱内垂直应力和水平应力集中系数 如图 ２ 所示ꎬ由图 ２ａ 可知ꎬ水平煤层最大应力集中 系数为 ２􀆱 １ꎬ峰值距离煤壁边缘 ７ ｍꎬ应力影响范围 达到 ４０ ｍꎻ倾角 ２５时应力集中系数最大值为 ２􀆱 ０ꎬ 峰值距离煤壁边缘 ４ ｍꎬ应力影响范围 ２０ ｍꎻ当煤层 倾角煤层为 ３０时ꎬ应力峰值集中系数变为 １􀆱 ９ꎬ应 力集中影响范围为 ２３ ｍꎮ 结果显示ꎬ垂直应力在运 输巷实体煤内集中程度随着煤层倾角增大而减小ꎬ 并且煤层倾角越大ꎬ支承压力峰值距离煤壁的距离 越小ꎬ支承压力在煤体内的影响范围也在越小ꎮ 图 ２ 不同倾角煤柱内垂直应力和水平应力集中系数 由图 ２ｂ 可知ꎬ煤层倾角为 ０时最大应力集中 系数为 １􀆱 ３ꎬ峰值距离煤壁边缘 ９ ｍꎬ应力集中影响 范围达到 ３７ ｍꎻ煤层倾角 ２５时应力集中峰值达到 １􀆱 ４ꎬ峰值距离煤壁边缘 ４ ｍꎬ应力集中影响范围 ２７ ｍꎻ当煤层倾角变为 ３０时ꎬ应力集中峰值大于 １􀆱 ４ꎬ 峰值距离煤壁边缘 ３ ｍꎬ应力集中影响范围为 ２６ ｍꎮ 结果显示ꎬ水平应力在运输巷实体内应力集中程度 随煤层倾角的增大而增大ꎬ峰值距离煤壁距离以及 应力集中影响范围均随着煤层倾角的增大而减小ꎮ 煤柱覆岩大结构模型形成后ꎬ其应力峰值为 １１􀆱 ２ ＭＰａꎬ距离煤壁边缘 ６ ｍꎬ因此ꎬ１２０２０ 区段合理煤柱 宽度应大于 ６ ｍꎮ ３ 倾斜煤层区段煤柱宽度实测 ３􀆱 １ 实测方案布置 在 １２０２０ 运输巷实体煤测煤柱宽 ２０ ｍ布置 ＧＭＣ２０ 钻孔应力计ꎬ钻孔应力计超前工作面 １００ ｍ 布置ꎬ避开工作面超前支承压力影响ꎮ 数据采集站 布置在终采线以外ꎬ监测工作面开采结束后煤柱应 力变化特征ꎮ 通过布置不同深度的钻孔应力计ꎬ监 测不同深度煤体不同宽度煤柱应力变化情况ꎬ １３ 号钻孔深度分别为 １５、１０、５ ｍꎬ为了避开钻孔 之间的相互影响ꎬ相邻钻孔间距为 １０ ｍꎮ ３􀆱 ２ 实测结果分析 钻孔应力计记录了下区段不同深度煤体应力随 时间推移变化特征ꎬ反映了煤柱应力受上区段采动 影响的变化特征ꎬ不同宽度煤柱应力与开采时间之 间的关系如图 ３ 所示ꎮ 图 ３ 不同宽度煤柱应力与开采时间的关系 １工作面推进 ２３ ｄ 内ꎬ１ 号钻孔应力为 ０ꎬ２３ ｄ 后 １ 号钻孔应力开始增加ꎬ始终维持在５ ＭＰａ 左右ꎮ 说明随着直接顶小结构失稳破坏以及边缘煤体流变 变形ꎬ塑性区不断在扩大ꎬ支承压力向煤体深部 转移ꎮ ２２ 号和３ 号钻孔应力在工作面推进３０ ｄ 内波 动比较大ꎬ说明此时期顶板活动较剧烈ꎬ直接顶岩层 形成的小结构模型逐渐失稳破坏ꎬ小结构模型经历 ３２ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 了从稳定到破坏到再稳定再破坏的过程ꎬ结构的每 一次破坏都是应力重新分配的过程ꎬ因而会不断出 现峰值ꎮ ３工作面推进 ５０ ｄ 后ꎬ３ 个钻孔应力基本趋于 稳定ꎬ峰值波动趋于缓和ꎬ说明小结构已经失稳破 坏ꎬ其破坏为上覆基本顶提供了运动空间ꎬ促使大结 构形成ꎬ覆岩活动基本趋于稳定ꎬ下区段巷道在此时 掘进较为有利ꎮ ４工作面推进 ７０ ｄ 后ꎬ煤柱覆岩结构趋于稳 定ꎬ１３ 号钻孔最终应力分别为 ６、８、１２ ＭＰａꎬ根据 以往现场经验ꎬ煤柱应力沿煤壁方向呈先增大后减 小二次抛物线的趋势ꎬ合理区段煤柱宽度要求巷 道布置在应力降低区ꎬ应力峰值位置为 ５１０ ｍꎬ与 数值模拟结果一致ꎬ因此ꎬ合理区段煤柱宽度至少为 １０ ｍꎮ ４ 结 语 工作面回采 ２ 个月内倾斜煤层区段煤柱覆岩经 历了从小结构失稳到大结构稳定的演化过程ꎬ下区 段巷道在大结构模型形成后掘进能够有效控制煤柱 稳变形ꎬ不同倾角煤层区段煤体垂直应力集中程度 随着煤层倾角的增大而减小ꎬ水平应力随着煤层倾 角增大而增大ꎬ应力峰值距离煤壁距离及支承压力 影响范围随着倾角的增大而减小ꎮ 参考文献 [１] 王旭春ꎬ黄福昌ꎬ张怀新ꎬ等.Ａ.Ｈ.威尔逊煤柱设计公式探讨及 改进[Ｊ].煤炭学报ꎬ２００２ꎬ２７６６０４－６０８. 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