沿空掘巷应力动态变化规律研究
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－
地层 柱状 序 层厚 累厚 单位(1:500) 号 /m /m
岩石 名称
岩性描述
灰白色，以石英砂岩为主，泥质胶 1 12.49 12.49 中砂岩 结，分选磨圆度较差，层理不明显
2 11.49 23.98 3 下 二 叠 统 山 西 组
砂质 泥岩
灰黑色，砂泥质结构，块状构造， 含植物化石，局部具滑面、炭纹 灰～灰白色，成分以石英、长石为 层理
r 2 2 R2 P （ 1） 2 0 (1 ) r02 R 2 1 02 R K 1 E
1
2
#
开采地质条件
张双楼煤矿 74101 工作面埋深超过千米，位于
7 煤层，煤层厚约 3 m，倾角平均为 25°，具有强 冲击倾向性。顶板岩性较不规则，有部分砂岩段， 工作面布置图和综合柱状图如图 1、2 所示。74101 材料巷采用沿空掘巷技术，护巷窄煤柱宽 5 m。巷 道上区段为 3 个工作面采空区， 相邻 7123 工作面采 空区有平行于巷道走向的断层，最大落差为 6 m。 此区域曾经发生过“7·30”冲击矿压事故，巷道严 重破坏，造成重大人员伤亡，巷道被迫关闭，掘进 设备滞留其中（见图 1 红圆圈） 。
（1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116； 3. 南屯煤矿，山东 兖州 273515；4. 中国矿业大学 资源学院，江苏 徐州 221116）
摘 要：针对沿空掘巷应力动态变化问题，以张双楼煤矿沿空掘巷为例，采用钻屑法得出走向方向煤层应力动态变化特征， 并对变化特征进行分析。根据实测和分析得出，受到岩性、地质构造和顶板呈现的“O-X”破断影响，采空侧煤体应力峰值 呈现周期性出现，周期距离等于周期来压步距；受到采空侧围岩应力状态、巷道掘进引起的应力重新分布和覆岩运动的共同 作用，沿空巷道实体煤中应力变化不一，或降低或增高或转移。沿空掘巷的应力变化特征对于防冲卸压计划安排和冲击矿压 防治工作具有重要指导意义。 关 键 词：覆岩运动；沿空掘巷；应力动态变化；冲击矿压；防治 中图分类号：TD 443 文献标识码：A 文章编号：1000－7598－(2016) 增 1－0489－06
5.52 29.50 细砂岩 主，含暗色矿物，泥质胶结，水平 砂质 泥岩
深灰色，水平层理，层间夹细砂岩 条带，较致密，性脆、易碎 灰～灰白色，成分以石英、长石为 主，局部地段为煤层直接顶 深灰色，致密块状，上部砂质含量 增多，渐变为砂质泥岩 黑色，呈油脂光泽或暗淡光泽，鳞 片状及厚薄不等的条带状构造，条 痕黑褐色，参差状断口，内生裂隙 发育 灰黑色，致密性脆，遇水易膨胀 灰～灰白色，成分以石英、长石为
第 37 卷增刊 1 2016 年 6 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2016.S1.064
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.1 Jun. 2016
沿空掘巷应力动态变化规律研究
沈 威 1, 2，窦林名 1, 2，刘 鹏 3，贺 虎 1, 4
坐标原 冲击矿压发生区 74101 工作面 测试区 7123 工作面 7121 工作面 7119 工作面
r 2P K 1 R r0 R 0 ; A n （ 2） 1 1.5 ( K 1) 0 R nr0
式中： 0 为原始煤体重度； r0 为钻孔半径；n 为钻
收稿日期：2014-12-29 基金项目：国家自然基金和神华集团有限公司联合资助（ No.51174285） ；国家重点基础研究发展规划（973） （ No.2010CB226805） ；江苏高校优势学 科建设工程资助项目（ No.SZBF2011-6-B35） 。 This work was supported by the National Natural Science Foundation and the Shenhua Group Co., Ltd. Jointly Funded (51174285)，National Key Basic Research Development Program (973) (2010CB226805) and Jiangsu Colleges Advantages of Discipline Construction Funded Projects( SZBF2011-6-B35). 第一作者简介：沈威，男，1990 年生，博士研究生，主要从事冲击矿压与采矿地球物理方面研究。E-mail: syqshenwei@163.com
Abstract: Aiming at the dynamic stress changes of roadway driving along goaf in mine, we use the method of drill cutting to get the dynamic change characters of seam stress along the strike direction of roadway and analyzed the variation characteristics of roadway driving along next goaf in Zhangshuanglou Coal Mine. According to the observation and analysis, it is shown that the peak of coal stress affected by lithology, geological structure and the "O-X" broken feature of roof, appears periodically; and the cycle length is equal to the periodic weighting step distance. Effected by the stress state of surrounding rock, the new stress distribution induced by the roadway excavation and the overlying strata movement, the solid stress of coal in roadway driving along goaf varied with reduction, increase or transfer. The stress variation characteristics can be used to guide pressure relief plan of rockburst and rockburst prevention and control work significantly. Keywords: movement of overlying rock; driving roadway along goaf; feature of dynamic stress changes; rockburst; prevention
Study of dynamic stress change law of roadway driving along next goaf in mine
SHEN Wei1, 2 , DOU Lin-ming1, 2, LIU Peng3, HE Hu1, 4
(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2. School of Mining Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. Nantun Coal Mine, Yanzhou, Shandong 273515, China; 4. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)
3
3.1
煤层应力监测方案实施
钻屑探测应力变化原理 在煤体中施工一个钻孔后，钻孔周围形成将破
碎区、塑性区和弹性区，煤粉量的来源由钻孔的实 体煤芯煤粉量和破碎区、塑性区煤体的扩容产生的 附加煤粉量组成。 根据文献[19]可得钻孔煤粉量的计算公式：
m 0 [( R2 r02 )( A 1) 0.67( R3 r03 )] A
1 粉松散系数；P 为煤体压力； 0 为 1.5 倍钻孔半径 处的煤体残余强度；K 为破碎带煤体三轴残余强度
图 1 74101 工作面布置图 Fig.1 Layout of 74101 working face
系数；E 为弹性模量； 为泊松比。 同一条巷道中可近似地认为煤体重度、钻粉松 散系数、破碎带煤体三轴残余强度系数、煤体弹性 模量、煤体泊松比近似相等，由式（1）可以得出同 一条巷道中的煤粉量只受到煤体应力的影响，煤粉 量和煤体应力呈现正相关。 根据 Brauner 等[20]研究可知，钻孔发生煤炮等 动力现象有一定的应力要求，发生煤炮动力现象的 应力下限值应当为 80 MPa， 因此钻孔钻进时是否发 生煤炮动力现象可用来衡量应力的情况。
4 24.10 53.60 5 6 7 8
5.03 58.63 细砂岩 6.20 64.83 3.83 68.88 4.69 73.57 泥岩 7#煤 泥岩
9 24.40 97.97 细砂岩 主，含较多暗色矿物，水平层理
图 2 74101 工作面综合柱状图 Fig.2 Comprehensive histogram of 74101 working face
490
岩
－ 7]
土
力
学
2016 年
在沿空掘巷的研究方面，钱鸣高等[6
[8]
、侯朝
炯等 对沿空掘巷覆岩运动特征进行了研究，认为 基本顶平面上成“O-X”破断和形成“砌体粱”结 构，在采空侧形成岩块 A、B、C，沿空巷道的应力 主要受到弧形三角块 B 的影响。窦林名等[9]提出了 覆岩空间的“OX-F-T”的演化规律。 姜福兴等[10 11] 提出了长壁采场覆岩空间结构理论， 分 O 型、 S 型、 C 型和 型 4 种类型对不同空间结构下的矿压规律 进行了研究。在沿空巷道煤柱和支护研究方面，柏建 彪等[1213]研究了沿空巷道小煤柱留设和支护问题， 认为窄煤柱留设越小，应力集中系数越小，但应当 考虑到支护、通风等问题合理留设。李学华等[1415] 研究了沿空巷道的围岩稳定和支护技术和冲击倾向 － 性围岩的防冲控制。 王卫军等[16 17]推导出合理的煤 柱宽度计算公式。石永奎等[18]研究了沿空巷道的支 护设计方法。 前期研究主要集中在覆岩结构特征、小煤柱留 设及沿空巷道支护，未研究沿空巷道在走向上的应 力动态变化特征及其产生的原因。本文以张双楼煤 矿沿空掘巷为例，利用钻屑法监测巷道走向方向上 煤层应力的动态变化，运用覆岩运动理论和微震监 测技术对其应力变化特征进行分析，得出沿空掘巷 走向方向上应力动态变化特征，可供指导冲击矿压 的防治参考。
1
引
言
随着煤矿开采深度的增加，我国多个矿井已经 进入千米深井开采，诸如徐州庞庄矿张小楼井、开 滦赵各庄矿、唐山矿、新汶孙村矿等开采深度均超 过千米[1]。对于千米深井开采，围岩应力大，若开 采设计不wenku.baidu.com理，将会产生高集中应力，极易诱发冲 击矿压事故[23]。
在深部开采的矿山压力和冲击矿压研究方面， 很多学者认为沿空掘巷能够有效地降低煤层中的集 － 中应力和冲击矿压事故的发生，柏建彪等[4 5]认为 沿空掘巷是将巷道布置在应力降低区内，能够有效 改善煤体中高集中应力状态，控制围岩变形。窦林 名等[23]认为煤柱的减小使煤柱处于塑性区， 不会形 成弹性核，减小应力的积聚，对冲击矿压的防治卓 有成效。
地层 柱状 序 层厚 累厚 单位(1:500) 号 /m /m
岩石 名称
岩性描述
灰白色，以石英砂岩为主，泥质胶 1 12.49 12.49 中砂岩 结，分选磨圆度较差，层理不明显
2 11.49 23.98 3 下 二 叠 统 山 西 组
砂质 泥岩
灰黑色，砂泥质结构，块状构造， 含植物化石，局部具滑面、炭纹 灰～灰白色，成分以石英、长石为 层理
r 2 2 R2 P （ 1） 2 0 (1 ) r02 R 2 1 02 R K 1 E
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开采地质条件
张双楼煤矿 74101 工作面埋深超过千米，位于
7 煤层，煤层厚约 3 m，倾角平均为 25°，具有强 冲击倾向性。顶板岩性较不规则，有部分砂岩段， 工作面布置图和综合柱状图如图 1、2 所示。74101 材料巷采用沿空掘巷技术，护巷窄煤柱宽 5 m。巷 道上区段为 3 个工作面采空区， 相邻 7123 工作面采 空区有平行于巷道走向的断层，最大落差为 6 m。 此区域曾经发生过“7·30”冲击矿压事故，巷道严 重破坏，造成重大人员伤亡，巷道被迫关闭，掘进 设备滞留其中（见图 1 红圆圈） 。
（1. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116； 3. 南屯煤矿，山东 兖州 273515；4. 中国矿业大学 资源学院，江苏 徐州 221116）
摘 要：针对沿空掘巷应力动态变化问题，以张双楼煤矿沿空掘巷为例，采用钻屑法得出走向方向煤层应力动态变化特征， 并对变化特征进行分析。根据实测和分析得出，受到岩性、地质构造和顶板呈现的“O-X”破断影响，采空侧煤体应力峰值 呈现周期性出现，周期距离等于周期来压步距；受到采空侧围岩应力状态、巷道掘进引起的应力重新分布和覆岩运动的共同 作用，沿空巷道实体煤中应力变化不一，或降低或增高或转移。沿空掘巷的应力变化特征对于防冲卸压计划安排和冲击矿压 防治工作具有重要指导意义。 关 键 词：覆岩运动；沿空掘巷；应力动态变化；冲击矿压；防治 中图分类号：TD 443 文献标识码：A 文章编号：1000－7598－(2016) 增 1－0489－06
5.52 29.50 细砂岩 主，含暗色矿物，泥质胶结，水平 砂质 泥岩
深灰色，水平层理，层间夹细砂岩 条带，较致密，性脆、易碎 灰～灰白色，成分以石英、长石为 主，局部地段为煤层直接顶 深灰色，致密块状，上部砂质含量 增多，渐变为砂质泥岩 黑色，呈油脂光泽或暗淡光泽，鳞 片状及厚薄不等的条带状构造，条 痕黑褐色，参差状断口，内生裂隙 发育 灰黑色，致密性脆，遇水易膨胀 灰～灰白色，成分以石英、长石为
第 37 卷增刊 1 2016 年 6 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2016.S1.064
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.1 Jun. 2016
沿空掘巷应力动态变化规律研究
沈 威 1, 2，窦林名 1, 2，刘 鹏 3，贺 虎 1, 4
坐标原 冲击矿压发生区 74101 工作面 测试区 7123 工作面 7121 工作面 7119 工作面
r 2P K 1 R r0 R 0 ; A n （ 2） 1 1.5 ( K 1) 0 R nr0
式中： 0 为原始煤体重度； r0 为钻孔半径；n 为钻
收稿日期：2014-12-29 基金项目：国家自然基金和神华集团有限公司联合资助（ No.51174285） ；国家重点基础研究发展规划（973） （ No.2010CB226805） ；江苏高校优势学 科建设工程资助项目（ No.SZBF2011-6-B35） 。 This work was supported by the National Natural Science Foundation and the Shenhua Group Co., Ltd. Jointly Funded (51174285)，National Key Basic Research Development Program (973) (2010CB226805) and Jiangsu Colleges Advantages of Discipline Construction Funded Projects( SZBF2011-6-B35). 第一作者简介：沈威，男，1990 年生，博士研究生，主要从事冲击矿压与采矿地球物理方面研究。E-mail: syqshenwei@163.com
Abstract: Aiming at the dynamic stress changes of roadway driving along goaf in mine, we use the method of drill cutting to get the dynamic change characters of seam stress along the strike direction of roadway and analyzed the variation characteristics of roadway driving along next goaf in Zhangshuanglou Coal Mine. According to the observation and analysis, it is shown that the peak of coal stress affected by lithology, geological structure and the "O-X" broken feature of roof, appears periodically; and the cycle length is equal to the periodic weighting step distance. Effected by the stress state of surrounding rock, the new stress distribution induced by the roadway excavation and the overlying strata movement, the solid stress of coal in roadway driving along goaf varied with reduction, increase or transfer. The stress variation characteristics can be used to guide pressure relief plan of rockburst and rockburst prevention and control work significantly. Keywords: movement of overlying rock; driving roadway along goaf; feature of dynamic stress changes; rockburst; prevention
Study of dynamic stress change law of roadway driving along next goaf in mine
SHEN Wei1, 2 , DOU Lin-ming1, 2, LIU Peng3, HE Hu1, 4
(1. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2. School of Mining Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. Nantun Coal Mine, Yanzhou, Shandong 273515, China; 4. School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)
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3.1
煤层应力监测方案实施
钻屑探测应力变化原理 在煤体中施工一个钻孔后，钻孔周围形成将破
碎区、塑性区和弹性区，煤粉量的来源由钻孔的实 体煤芯煤粉量和破碎区、塑性区煤体的扩容产生的 附加煤粉量组成。 根据文献[19]可得钻孔煤粉量的计算公式：
m 0 [( R2 r02 )( A 1) 0.67( R3 r03 )] A
1 粉松散系数；P 为煤体压力； 0 为 1.5 倍钻孔半径 处的煤体残余强度；K 为破碎带煤体三轴残余强度
图 1 74101 工作面布置图 Fig.1 Layout of 74101 working face
系数；E 为弹性模量； 为泊松比。 同一条巷道中可近似地认为煤体重度、钻粉松 散系数、破碎带煤体三轴残余强度系数、煤体弹性 模量、煤体泊松比近似相等，由式（1）可以得出同 一条巷道中的煤粉量只受到煤体应力的影响，煤粉 量和煤体应力呈现正相关。 根据 Brauner 等[20]研究可知，钻孔发生煤炮等 动力现象有一定的应力要求，发生煤炮动力现象的 应力下限值应当为 80 MPa， 因此钻孔钻进时是否发 生煤炮动力现象可用来衡量应力的情况。
4 24.10 53.60 5 6 7 8
5.03 58.63 细砂岩 6.20 64.83 3.83 68.88 4.69 73.57 泥岩 7#煤 泥岩
9 24.40 97.97 细砂岩 主，含较多暗色矿物，水平层理
图 2 74101 工作面综合柱状图 Fig.2 Comprehensive histogram of 74101 working face
490
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土
力
学
2016 年
在沿空掘巷的研究方面，钱鸣高等[6
[8]
、侯朝
炯等 对沿空掘巷覆岩运动特征进行了研究，认为 基本顶平面上成“O-X”破断和形成“砌体粱”结 构，在采空侧形成岩块 A、B、C，沿空巷道的应力 主要受到弧形三角块 B 的影响。窦林名等[9]提出了 覆岩空间的“OX-F-T”的演化规律。 姜福兴等[10 11] 提出了长壁采场覆岩空间结构理论， 分 O 型、 S 型、 C 型和 型 4 种类型对不同空间结构下的矿压规律 进行了研究。在沿空巷道煤柱和支护研究方面，柏建 彪等[1213]研究了沿空巷道小煤柱留设和支护问题， 认为窄煤柱留设越小，应力集中系数越小，但应当 考虑到支护、通风等问题合理留设。李学华等[1415] 研究了沿空巷道的围岩稳定和支护技术和冲击倾向 － 性围岩的防冲控制。 王卫军等[16 17]推导出合理的煤 柱宽度计算公式。石永奎等[18]研究了沿空巷道的支 护设计方法。 前期研究主要集中在覆岩结构特征、小煤柱留 设及沿空巷道支护，未研究沿空巷道在走向上的应 力动态变化特征及其产生的原因。本文以张双楼煤 矿沿空掘巷为例，利用钻屑法监测巷道走向方向上 煤层应力的动态变化，运用覆岩运动理论和微震监 测技术对其应力变化特征进行分析，得出沿空掘巷 走向方向上应力动态变化特征，可供指导冲击矿压 的防治参考。
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引
言
随着煤矿开采深度的增加，我国多个矿井已经 进入千米深井开采，诸如徐州庞庄矿张小楼井、开 滦赵各庄矿、唐山矿、新汶孙村矿等开采深度均超 过千米[1]。对于千米深井开采，围岩应力大，若开 采设计不wenku.baidu.com理，将会产生高集中应力，极易诱发冲 击矿压事故[23]。
在深部开采的矿山压力和冲击矿压研究方面， 很多学者认为沿空掘巷能够有效地降低煤层中的集 － 中应力和冲击矿压事故的发生，柏建彪等[4 5]认为 沿空掘巷是将巷道布置在应力降低区内，能够有效 改善煤体中高集中应力状态，控制围岩变形。窦林 名等[23]认为煤柱的减小使煤柱处于塑性区， 不会形 成弹性核，减小应力的积聚，对冲击矿压的防治卓 有成效。