摘 要 护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,将引起巷道围岩应力重新分布和岩层移动的差异 ,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.以谢桥煤矿 1151(3) 综放面地质技术条件为背景 ,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究 ,揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响. 研究表明,综放回采巷道护巷煤柱宽度的变化 ,不仅使煤柱内应力分布规律不同,而且使得相邻工作面煤体内应力分布规律也不同,二者应力分布随煤柱宽

第28卷第11期2006年11月北京科技大学学报

JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing

Vol.28No.11

Nov.2006

煤柱宽度对综放面围岩应力分布规律影响

谢广祥　杨　科　常聚才

安徽理工大学资源开发与管理工程系,淮南232001

摘　要　护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,的差异,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.(3)景,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究,化规律的影响.研究表明,,,,;巷道维,护巷煤柱的合理宽度应小于巷帮实体煤内.

;;围岩;回采巷道;煤柱宽度;应力分布分类号　TD325

　　煤柱护巷历来有窄煤柱护巷(或称无煤柱护

巷、沿空巷道)和宽煤柱护巷两种方法.窄煤柱护巷的基本理论依据是,在采空区边缘煤体存在卸压区,将巷道布置在低应力区,支护载荷较小.这是沿空巷道支护的基本力学特征[1-7],但是忽略了窄煤柱护巷在低应力下巷道围岩峰后变形特性的影响.宽煤柱护巷强调煤柱的稳定性,即在煤柱中间有一定宽度的弹性区,能使煤柱不完全塑性破坏从而有较高的支承能力[8-13],对巷道有保护作用,但是忽略了相邻工作面与煤柱变化之间应力分布特征关系.不论宽煤柱还是窄煤柱护巷,回采巷道都位于采场三维应力场范围附近,煤柱宽度的改变不仅使其内应力状态发生变化,而且使得与之相邻工作面煤体内应力场也发生变化,这势必影响巷道围岩的稳定性.因此,本文以谢桥煤矿1151(3)综放面地质技术条件为背景,针对煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布规律的影响进行了全面分析研究.

厚平均为514m,煤层倾角平均为13°,采放比为(1～1108).煤层的底板情况:老顶为粉、1∶细砂岩,厚度约为612m;直接顶为泥岩或砂质泥岩和13-2煤,厚度约为3126m;直接底为泥岩,厚度约为115m;老底为粉砂岩,厚度约为218m.该面回风顺槽布置在上区段采空区(1141(3))侧,护巷煤柱宽5m,巷道采用锚网索支护.

2　现场实测

在煤柱和巷帮工作面煤体内布置多个KSE-Ⅱ-1型钻孔应力计对煤体应力在工作面回采过程中的变化进行观测,测点布置如图1所示,观测分析结果如下.

211　煤柱内应力变化规律

煤柱内应力沿走向和倾向在回采期间的变化如图2所示.煤柱应力的变化沿走向可分为应力稳定区(A区)、应力缓慢升高区(B区)、应力明显升高区(C区)、应力降低区(D区)四个区(图2(a)及表1),应力特征参数见表2.由图2(b)可见,侧向煤柱沿倾向基本上都存在应力峰值,最大应力位于巷道靠采空区侧,距巷道上帮3～4m范围内.距工作面不同位置处倾向应力峰值基本无变化,靠巷道侧及采空区侧的煤柱应力均降低,且巷道侧煤柱应力降低幅度较大.212　工作面内煤体应力分布规律

巷帮工作面内煤体应力沿走向变化如图3所示,应力变化特征见表3.巷帮实体煤应力在工作

1　工作面地质条件

谢桥矿1151(3)综放面走向长1674m,倾向长23118m,地面标高为+2014～+2518m,工作面标高-588～-662m.该面煤层结构稳定,煤

收稿日期:20051128　修回日期:200603基金项目:科技部“973计划”子课题(No.2005cb221503);国家自然科学基金资助项目(No.50674003)

),男,教授,博士作者简介:谢广祥(1958—

摘 要 护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,将引起巷道围岩应力重新分布和岩层移动的差异 ,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.以谢桥煤矿 1151(3) 综放面地质技术条件为背景 ,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究 ,揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响. 研究表明,综放回采巷道护巷煤柱宽度的变化 ,不仅使煤柱内应力分布规律不同,而且使得相邻工作面煤体内应力分布规律也不同,二者应力分布随煤柱宽

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北　京　科　技　大　学　学　报2006年第11期

图1　测点布置示意图

Fig.1　Sketchmapofsurvey

stations

图2　煤柱内煤体应力变化曲线.(a)沿走向;(b)沿倾向

Fig.2　Stressvariationcurvesofcoalpillar:(a)onthestrike;(b)onthedip

表1　煤柱应力沿走向分区

Table1　Stressdomainsofcoalpillaronthestrike

面回采过程中逐渐升高,在距工作面煤壁35m的

范围内,煤体应力上升较快直到峰值,峰值位置距工作面煤壁约17m,随后应力急剧下降.

表3　巷帮实体煤应力变化特征

Table3　Stresscharacteristicsofcoalbesideroadwayonthestrike

分区应力稳定区(A区)应力缓慢升高区(B区)

范围/m

>9191～3817

应力范围/MPa

4140～5136

k值范围

110～112

5126～71441118～1163

应力明显升高区(C区)3817～10186109～81491142～1186应力降低区(D区)

<1018

4167～81491186～1106

测点

11m

初始应力/MPa

5146611261345197

最大应力/MPa

1111312101019211135

峰值的位置/m

16151220121711

最大

k值

1190119611721186

　　注:k为应力计测试值与其初始值之比.

表2　煤柱应力沿走向变化特征

Table2　Stresscharacteristicsofcoalpillaronthestrike

14m17m

平均值

测点

3m5m

初始应力/MPa

415641404148

最大应力/MPa

814971097179

峰值位置/m

91012161018

最大

k值

1186116111

75

3　数值模拟

311　模拟模型的建立

数值模拟(FLAC3D)采用莫尔-库仑屈服准则

综合

判断岩体的破坏,应变软化模型反映煤体破坏后随变形发展而残余强度逐步降低的性质.模型走向长500m,倾斜宽600m,高为314117m,共有95332个三维单元,112739个结点.模型侧面限制水平移动,模型底面限制垂直移动,模型上部施加垂直载荷模拟上覆岩层的重量.依据工作面地质条件,分别模拟煤柱宽度为3,5,7,10,15和20m时围岩应力分布情况.

图3　巷帮实体煤应力沿走向变化曲线

Fig.3　Stressvariationcurvesofcoalbesideroadwayonthestrike

312　不同煤柱宽度下综放面围岩垂直应力沿走

向变化规律

图4为不同煤柱宽度下煤柱和巷帮实体煤垂

摘 要 护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,将引起巷道围岩应力重新分布和岩层移动的差异 ,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.以谢桥煤矿 1151(3) 综放面地质技术条件为背景 ,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究 ,揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响. 研究表明,综放回采巷道护巷煤柱宽度的变化 ,不仅使煤柱内应力分布规律不同,而且使得相邻工作面煤体内应力分布规律也不同,二者应力分布随煤柱宽

Vol.28No.11谢广祥等:煤柱宽度对综放面围岩应力分布规律影响

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直应力沿走向变化曲线.由图可知,不同煤柱宽度下综放面围岩垂直应力沿走向的变化规律:(1)随煤柱宽度增加,煤柱内应力逐渐增加,而巷帮实体煤应力逐渐降低;(2)随工作面临近煤柱内应力逐渐升高,沿走向在工作面前方出现应力峰值(除

极窄小煤柱,如3m),而巷帮实体煤应力逐渐升高直至峰值;(3)工作面附近在一定范围内煤柱及巷帮实体煤处于应力降低区,工作面后方随离工作面距离的增大而煤柱应力逐渐升高直至稳定,采空区均处于低应力状态

.

4.(a)煤柱;(b)实体煤

4　Verticalstresscurvesofcoalswithdifferentpillarsonthestrike:(a)coalpillar;(b)coalentity

313　不同煤柱宽度下综放面围岩垂直应力沿倾

向变化规律

距工作面不同距离处,沿倾向不同煤柱宽度

下煤柱和巷帮实体煤垂直应力变化曲线如图5所示.由图可知:(1)巷帮实体煤应力峰值有随煤柱宽度增加而减小的趋势,而煤柱内应力峰值有随煤柱宽度增加而增大的趋势.(2)煤柱宽度(3,5,7,10m)较小时,煤柱内的垂直应力峰值小于巷帮实体煤内的应力峰值;而当煤柱宽度(15,20m)较大时,煤柱内的垂直应力峰值大于巷帮实体煤内

的应力峰值.这说明煤柱宽度较小时,载荷主要由巷帮实体煤承担;煤柱宽度较大时,应力逐渐向煤柱上方转移,煤柱承载作用增大.(3)随着煤柱宽度的增大,煤柱内应力峰值的位置距巷道上帮煤壁的距离有逐渐增大的趋势,而巷帮实体煤内垂直应力峰值的位置变化不大.(4)除宽度20m的煤柱内垂直应力曲线形态仅在工作面前方一定距离远为双峰形外,其他煤柱宽度时应力曲线均为单峰形,而巷帮实体煤内应力曲线则都呈单峰形态

.

图5　沿倾向不同煤柱宽度煤柱和巷帮实体煤垂直应力变化曲线.(a)21125m;(b)11125m

Fig.5　Verticalstressofcoalpillarandcoalentityatdifferentpillarwidths:(a)21125m;(b)11125m

　　综上所述,随煤柱宽度的增加,煤柱内垂直应

力峰值逐渐增大,而巷帮实体煤内的垂直应力峰值则逐渐减小.因而随煤柱宽度的增加,煤柱承载能力逐渐提高,巷帮实体煤内的应力有逐渐向煤柱转移的趋势.当煤柱宽度达到一定值时(如15m),煤柱内和巷帮实体煤内的应力峰值大体相等,这时煤柱和巷帮实体煤同时承受着较大的应力峰值;煤柱宽度进一步增大后(如20m),煤柱内的应力峰值大大超过巷帮实体煤内的应力峰

值,煤柱起主要承载作用.314　不同煤柱宽度垂直应力峰值特征变化规律

综合分析可得综放面垂直应力峰值特征随护巷煤柱宽度变化的分布规律(图6和图7):(1)煤柱和巷帮实体煤内沿走向的垂直应力峰值位置到工作面煤壁距离均随煤柱宽度增大而减小.(2)煤柱内沿倾向的垂直应力峰值位置到巷道上帮煤壁的距离随煤柱宽度的增大而逐渐增大,巷帮实体煤沿倾向的垂直应力峰值位置到巷道下帮煤壁

摘 要 护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,将引起巷道围岩应力重新分布和岩层移动的差异 ,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.以谢桥煤矿 1151(3) 综放面地质技术条件为背景 ,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究 ,揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响. 研究表明,综放回采巷道护巷煤柱宽度的变化 ,不仅使煤柱内应力分布规律不同,而且使得相邻工作面煤体内应力分布规律也不同,二者应力分布随煤柱宽

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北　京　科　技　大　学　学　报2006年第11期

的距离随煤柱宽度变化不明显.(3)不同煤柱宽

度时,煤柱内和巷帮实体煤内应力大小随煤柱宽度的不同而转移;煤柱由较小宽度变到中等宽度时,煤体内垂直应力在某一临界宽度处由巷帮实体煤内转移到煤柱内,使中等宽度时煤柱承受较大的压应力

.

　　(2)不同宽度煤柱下煤柱内应力分布规律有很大差异,巷帮实体煤内煤体垂直应力随煤柱宽度的增加呈下降趋势,而煤柱内垂直应力则逐渐上升,当煤柱宽度增大到一定值时其内应力值趋于稳定.

(3)从技术经济角度考虑,综放开采的护巷煤柱宽度应小于巷帮实体煤内应力向煤柱内转移的临界宽度,同时护巷煤柱宽度应大于保证煤柱.

　[1],.矿山压力与岩层控制.徐州:中国矿业大

学出版社,2003

[2]　QuQD.Studyondestressingtechnologyforaroadwaydriven

图6Fig.6　Changeofverticalstresspeakvaluestationwithpillarwidth

alonggoafinafullymechanizedtopcoalcavingface.JCoalSciEng,2003,9(1):33

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[8]　贾光胜,康立军.综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究.

图7　垂直应力峰值随煤柱宽度变化曲线

Fig.7　Changeofverticalstresspeakvaluewithpillarwidth

煤炭学报,2002,27(1):7

[9]　MedhurstTP,BrownET.Astudyofthemechanicalbehav2

iorofcoalforpillardesign.IntJRockMechMinSci,1998,35(8):1087

[10]　张永灿,杨玉生,王和平,等.综放工作面巷道布置的合理

综上所述,数值模拟与现场实测所得应力变

化规律基本一致.值得注意的是,现场实测数值是相对应力,而数值模拟结果是绝对应力,两者是有一定的差别.

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croseismicityinthe3000Orebody,MountIsa.GeotechGeolEng,1997(15):221

[12]　姚爱军,黄福昌,张宗社.宽厚煤柱煤岩体流变应力特性

4　结论

(1)随着护巷煤柱宽度的变化,不仅煤柱内

应力场特征不同,而且相邻工作面煤体内应力场

分布规律亦不同,二者应力场分布随煤柱宽度变化而转移,巷道支护状态是两者应力场特征共同作用的结果.

实验研究.中国矿业,2003,12(2):52

[13]　张耀荣,高慧,高进,等.影响护巷煤柱宽度的因素分析.

煤,2001,10(1):11　

(下转第1013页)

摘 要 护巷煤柱宽度及巷道相对工作面位置的不同,将引起巷道围岩应力重新分布和岩层移动的差异 ,对回采巷道稳定性及其维护有重要影响.以谢桥煤矿 1151(3) 综放面地质技术条件为背景 ,采用计算机数值模拟并结合现场实测研究 ,揭示了煤柱宽度变化对综放面围岩应力分布及变化规律的影响. 研究表明,综放回采巷道护巷煤柱宽度的变化 ,不仅使煤柱内应力分布规律不同,而且使得相邻工作面煤体内应力分布规律也不同,二者应力分布随煤柱宽

Vol.28No.11冯雅丽等:利用微生物电池研究微生物在矿物表面电子传递过程

1013

Studyontheelectrontransportprocessofmicrobeonthemineralsurfaceusingthemicrobefuelcell

FENGYali

1)

,LIHaoran

2)

,LIANJing

1)

,ZHOULiang

2)

1)CivilandEnvironmentalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China

2)StateKeyLaboratoryofBiochemicalEngineering,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China

ABSTRACT　Theelectrontransferprocessofmicrobeonthemineralsurfacewasstudiedbytheuseofamicrobefuelcell.TheresultsindicatethatdirectcontactaninofreducingFe(OH)3withGeobactemetallireducens,andthebio2filmthekeyfactor.Bio2filmformationneedsarelativelongtime.It2filmbycell2ab2sorptiononthesolidsurface.rateeffectivelyattheearlystage,but2absorption.Sothemicrobecatalysismineraloxi2dation2bio2film.Acceleratingthefilmformationonthemineralsurfaceandkeepingareveryimportantforthemicrobeleachingrate.

KEYWORDS　mineralsurface;microbe;electrontransport;bio2film;mediator;microbefuelcell

(上接第1008页)

Effectofcoalpillarwidthonthestressdistributionlawofsurroundingrocksinfullymechanizedtop2coalcavingminingface

XIEGuangxiang,YANGKe,CHANGJucai

DepartmentofResourceExplorationandManagementEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China

ABSTRACT　Coalpillarwidthandgatewaylocationtofaceresultinthedifferencesofstressredistributionandrockseammovementandimportantlyinfluencegatewaystabilityandmaintenance.AccordingtothegeologicalandminingtechnicalconditionsoftheNo.1151(3)fullymechanizedtop2coalcaving(FMTC)miningfaceinXieqiaoMineandbasedontheanalysisofnumericalsimulationandin2situobservation,thestressdistributionandit’svariationlawswereinvestigatedatdifferentcoalpillarwidths.Theresultsshowthatnotonlycoalpillars’stressdistributionlawsbutalsocoalentities’stressdistributionlawsaredifferentwithcoalpillarwidth,andbothstressdistributionsaredisplaced.Themaintenancesituationofgatewaywasdeterminedonthestressdistributionsofcoalentityandcoalpillar,andtheappropriatewidthofcoalpillarislessthanthecriticaldisplacingstress2width.

KEYWORDS　coalmining;fullymechanizedtop2coalcavingminingface;surroundingrocks;gateway;coalpillarwidth;stressdistribution