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城郊 煤矿 3.0 Mta 设计 CAD

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专题部分：关于充填条带开采的应用分析摘 要：通过对世界能源格局，煤炭在我国市场上所属重要地位的概述，介绍了我国煤炭在开采过程中的出现的问题，提出了目前解决问题的充填开采方法，从各种充填方法的各方面的对比，分析出条带充填开采前期的充填巷式开采后，隔离煤柱煤体产生应力集中，比未受采动影响的对照区的煤体应力大，但其量值处在较低的水平；通过用应力计对正在充填和掘进巷道间隔离煤柱应力的变化观测可知道，充填前，煤柱塑性区煤体随时间推移逐渐松散，应力下降，充填后，充填体给煤体提供了侧限，使煤柱由二向受力状态转化为三向受力状态，增强了煤柱的承载能力。经过这样的分析，有利于我们在解决不迁村开采过程中为我们提供了实际和理论依据。关键词：充填巷式开采 隔离煤柱 二向受力 三向受力1现今煤炭市场发展前景能源是经济发展、社会进步的主要支持条件。由表1可见，1994年世界一次能源消费中，化石能资源（煤炭、石油、天然气）占90%以上，核电、水电分别为7.2%、2.5%。在未来几十年中，化石能资源仍将处于主导地位。表1 1994年世界一次能源消费构成总消费量/Mtce构成/%石油天然气煤炭核电水电11319.740.123.027.27.22.5在中国的能源资源中，煤炭是水力的3.3倍，是石油和天然气的17倍，占到73.4%；在化石能资源中，煤炭占到94.3%（表2）。煤炭是中国最主要的能源资源。表2 中国能源资源的种类分布资源名称煤炭水力石油、天然气总计按能源资源分布/%73.422.24.4100按化石能资源分布/%94.3-5.7100在我国社会经济生活一次能源消费结构中，煤炭占了75%，煤炭是我国的主要能源。据统计，煤炭提供了75%的工业燃料，76%的发电燃料，80%的民用商品能源，60%的化工原料。可见，煤炭工业是支持经济发展和保障人民生活的基础产业。由于我国的资源赋存情况,近期我国以煤为主的能源格局不会有多大变化。据有关专家预测,到2050年,煤炭在我国能源中的比重仍然要达到50%。目前,中国经济的发展严重依赖煤炭能源的支撑作用。2煤矿开采过程中的出现的压煤问题我国是个产煤大国,现有生产矿井数千座,这些矿井每年大规模的煤炭开采致使矿区地面大面积塌陷,毁坏耕地及地面建筑,且大量矸石的堆积占据了大量耕地。矿井开采过程中,经常遇到村庄下压煤问题,解决该问题通常有2种方案:村庄搬迁,但费用较高,且涉及问题较多;留煤柱或条带开采,但造成煤炭损失严重,且针对具体地质条件的条带开采理论不成熟,缺乏技术经验,很难做到对地面建筑物的有效保护。随着经济的快速发展、环境保护理念的提升以及和谐社会建设的深入,在部分矿井资源逐渐枯竭的情况下,如何在处理好环境和群众问题的同时,做到保持经济效益持续增长,已成为煤矿开采面临的重大课题。矸石充填采煤技术是针对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石排放问题和土地资源问题而开发出来的绿色采煤技术之一,首先在新汶矿区实施并取得成功.目前,全国“三下”压煤达137亿t, 全国国有重点煤矿村下压煤52.2亿t.采用条带开采“三下”压煤,采出率只有30%左右.我国煤矿现有矸石山1 600余座,堆积量约45亿t,占地约15 khm2.目前每年矸石产生量约为1.52.0亿t,约占地300400 hm2. 煤矿矸石山量大，占地污染严重。我国每年生产原煤1.2Gt左右，矸石排放量一般为原煤产量的8%20%，平均约为12%，矸石山分布范围广，化学成分复杂，对人类生存环境带来很大的威胁与危害。煤炭开采产生的堆积在地面的矸石累积已达45亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万hm，而且堆积量每年还在以1.52.0亿t的速度增加。煤矸石的大量排放对人类生存环境和条件带来很大的威胁与危害，主要表现在：侵占土地、污染环境、危害人类安全【1】等。3充填技术的发展及问题3.1充填技术的发展利用目前常用的减沉开采技术：条带开采、充填开采、离层注浆技术、协调开采和减厚开采等都根据各矿区具体条件得到了不同程度的应用，并收到了良好效果。基于煤矿“三下”压煤量巨大、地表沉陷面积广阔、地面矸石山占地污染严重等状况和国家政策形势，从开采方法着手研究减沉技术并结合废物处理，对充分开采“三下”尤其是重要建筑物下压煤、保护环境，推动煤矿开采技术进步、实现煤炭工业的可持续发展和适应煤炭工业走新型工业化道路的要求具有重要意义。基于岩层控制的关键层理论提出:将保证覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益,同时又确保地面建筑物不受到损害,关键在于根据具体条件下覆岩结构与关键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。确定覆岩中的关键层位置,掌握其离层与破断特征参数,是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础2。从理论上来说,充填采矿是解决煤矿开采环境问题的理想途径。为了降低充填成本,基于岩层控制的关键层理论,提出了部分充填(条带充填)控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区,只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距,且充填条带能保持长期稳定,就可有效控制地表沉陷。在关键层理论指导下,开展了多个矿井建筑物下条带采煤试验和巨厚火成岩下离层充填减沉试验,累计安全采出建筑物下压煤数百万t,取得了显著的经济与社会效益。目前,关键层理论正应用于多个矿井的建筑物下采煤实践【2】。3.2充填技术研究现状充填就是利用充填材料将采空区充满，支撑围岩，减少围岩垮落和变形的一种顶板管理方法【3】。从理论上来说，充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，在经济发达地区开采建筑物下压煤尤其如此。但传统的充填开采成本相对偏高，限制了该项技术在煤矿的试验与应用，如何降低充填成本、如何实现随采随充是煤矿充填开采技术研究的关键问题【4】1岩层下沉曲线2矸石充填体3隔离煤柱、图1 充填条带开采示意图根据运送充填料所用动力不同，充填开采可分为：水力充填；风力充填，；自溜充填；机械充填；人力充填【3】。常用的充填材料包括河砂、矸石、水泥、粉煤灰和高水速凝材料等。按充填位置不同，也可分为采空区充填和离层区充填。在国内，我国是世界上使用水力充填（或称水砂充填、湿式充填）最早的国家之一，也是在煤层开采中用水力充填开采技术最先进的国家之一。到目前为止，我国进行了除机械充填外的全部类型的充填，如平顶山十一矿的条带隔离水力粉煤灰充填减沉试验、焦作的风力矸石充填试验、广州二矿的矸石自溜充填试验和综采面高浓浆液充填减沉新技术预研究。但由于90年代煤炭市场疲软的原因，充填技术的应用范围有所萎缩。在国外，充填采矿较早就引起了人们的重视，为了控制采区的地表移动，1864年在美国宾西法尼亚的一个煤矿首次应用了水砂充填法采矿。目前充填采矿法在德国和波兰应用较为普遍，如波兰采用采空区充填法的采煤量占全国“三下”总采煤量的80左右，其主要采用水力和风力充填方式，将河砂、煤矸石和电厂粉煤灰等充填材料进行采空区充填，充填后地表下沉系数为0.10.2。波兰采用离层注浆法控制地表下沉，与全部垮落法相比，可减少地表下沉20%30%。膏体充填技术是70年代末在德国金属矿山发展起来的，90年代初应用在煤矿进行工作面采空区的充填，现已成为21世纪金属矿山充填技术的重要发展方向，应用于煤矿采空区的充填仍是世界各采煤国家研究的重点。3.3充填技术内容充填开采的内容包括充填材料、充填工艺和充填力学等，在此仅讨论充填力学。充填力学的研究范围相当广泛，作为其核心内容的充填体力学研究，涉及到岩体力学、土力学、散体力学、流变学等方面的诸多力学问题。目前常用的研究方法包括经验公式法、数值模拟分析法、物理模拟法、数学力学分析法和现场实测【5】。经过大量的金属矿和煤矿充填开采实践，学者们主要在以下方面进行了研究和总结，并取得了重要成果。（1）充填体与围岩的力学作用机理（2）充填体强度的确定（3）充填体与围岩的相互作用与监测【5】3.4充填技术方案的比较膏体与水砂充填比较：浓度高;流动状态为柱塞结构流;料浆基本不沉淀、不泌水、不离析;无临界流速;相同胶结料用量下强度较高,可降低价格较贵的胶结料用量,降低材料成本。由于膏体充填材料具备上述特点,固体废物膏体充填技术不仅能够实现不迁村采煤,而且可以取得比传统水砂充填开采更好的效果。矸石充填的方法有抛矸机抛矸充填，刮板输送机卸矸充填，风力抛矸充填，似膏体自流充填，矸石充填采煤法的优点有: 矸石充填采煤法不仅从根本上解决了我国“三下”压煤开采问题,而且用矸石置换出永久煤柱的煤炭资源。不仅缓解了我国煤炭资源相对短缺的压力,而且为煤炭企业带来新的利润增长点。矸石充填采煤法是一项处理和利用矸石的新思路。该方法可以把煤矿生产中所产生的煤矸石填入井下,实现矸石不上井、地面不建矸石山,从而解决了煤矸石大量堆积带来的环境污染问题和土地侵占问题。矸石充填采煤法能够减少煤炭开采引起的地面塌陷,从而减轻了地面塌陷对地面建筑和耕地的破坏,保护了土地资源。3.5充填方案需解决的问题在市场经济条件下,充填采煤法的关键是如何降低充填成本。另外就是充填技术本身,它包括充填系统与开采系统的协调;充填运输畅通;充填效果等。矸石充填的优点是系统简单,机械化程度高,装备投资少,充填效果好,但需要较多的矸石,充填地点较远时运矸石距离长。该方法多用于薄及中厚煤层普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工业场地煤柱,煤层有一定倾角有利于充填密实。如果用于村庄下开采时,则需要较多的矸石储备，膏体充填的主要缺点是其在选材配比上机械化装备上的投资较矸石充填大。因此，将矸石与膏体充填技术相结合，充分利用各自动多方面优点互补各自缺点，使得充填技术更加完善与合理，完全有条件发展成为“高效安全、高采出率、环保协调”的不迁村采煤技术,是从根本上解决我国煤矿村庄建筑物等占压资源开采问题的主要技术途径。4充填条带开采的提出4.1充填条带开采的研究现状条带开采源于房柱式开采，是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱能够支撑上覆岩层的载荷，使地表只发生轻微的、均匀的移动和变形，达到既回收一部分煤炭资源，又能控制地表沉陷的目的【6】。根据采空区顶板管理方式的不同，条带开采可分为冒落条带开采和充填条带开采。条带开采覆岩与地表沉陷变形模型示意图如图2所示。图2 条带开采覆岩与地表沉陷变形模型我国自1967年抚顺胜利矿采用充填条带法进行市区下采煤以来，先后在全国10多个省，100多个采区或工作面进行了条带开采，如抚顺、阜新、蛟河、峰峰、淄博、鹤壁、平顶山、焦作、郑州、枣庄、徐州等多个矿区都曾进行了建筑物下压煤的条带开采实践，极大地减少了地表下沉【6】。但同时也由于条带开采的回收率较低，造成国家煤炭资源的巨大浪费。条带开采的研究内容我国在理论方面的研究内容涉及条带开采中的一系列基本问题，主要包括条带开采地表移动机理和规律、条带开采地表移动和变形预计、条带煤柱稳定性研究、条带开采参数优化设计研究等方面。【6】（1）关于条带开采地表移动机理和规律方面条带开采地表移动和变形规律与长壁式全部垮落法相似，但目前普遍认为条带开采的岩层与地表移动机理截然不同于长壁式全部垮落法开采。在条带开采地表移动规律方面，通过建立条带开采地表移动观测站进行实测或采用其它研究方法，基本掌握了条带开采地表沉陷的主控因素以及煤层和上覆岩层的强度、结构对条带开采上覆岩层和地表移动的影响。我国实测资料表明：条带开采下沉系数为全部垮落开采下沉系数的4.8%26.8%，垮落条带开采下沉系数为0.020.336，大多数小于0.2；水砂充填条带开采下沉系数在0.0090.04之间【6】。（2）关于地表移动和变形预计研究方面尽管条带开采的岩层与地表移动机理不同于长壁式全部垮落法开采，但由于对预计方法的认知程度、参数确定等多方面的原因，目前条带开采普遍采用的预计方法是采用全部开采的地表移动与变形预计方法。其预计参数有：下沉(W)、下沉系数()、水平移动(U)、倾斜(i)、水平变形()、曲率(K)和主要影响角()、主要影响角正切(tan)、主要影响半径(r)等，常用的是：下沉系数()、水平变形()、水平移动系数(b)、拐点偏距(s)、开采影响传播角()和主要影响角正切(tan)。（3）关于条带煤柱稳定性研究方面，煤柱稳定性是指在一定时间内、在一定的地质力和工程力作用下，因开采后煤柱内应力重新分布而出现弹塑性变形或裂隙，但并不产生破坏性的垮落和滑动。能否保证条带煤柱的稳定性是关系到条带开采成功与否的关键。煤柱的强度与诸多因素有关，包括煤柱自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部构造等，分为瞬时强度（主要有：a.核区强度不等理论；b.大板裂隙理论；c.极限平衡理论）和长时强度。Wilson提出的把煤柱在宽度方向分成两个区，即中心承受三向应力、表现为弹性的煤柱核区和虽然出现了裂隙但限制核区侧向移动的屈服区。该方法适用于具有较大宽度条带煤柱强度计算，在我国条带开采中应用较多。他认为煤柱两侧有0.00492mH宽的屈服区(m为煤层的开采厚度)，屈服区内为核区，核区的承载能力为4H。条带煤柱屈服区及其弹性核区如图3所示。P4 H(a-0.00492mH)式中： P条带煤柱的荷载，MPa；a留设煤柱的宽度，m；覆岩的平均密度，MPa/m；m煤层的开采厚度，m；H开采深度，m。图3 条带煤柱屈服区及其弹性核区我国学者对Wilson公式进行了改进和补充：文献14通过对三向应力状态下的煤柱极限强度影响因素分析得出A.H.威尔逊计算理论存在因简化带来的问题，实验得出：宽厚条带煤柱屈服区宽度达到煤柱宽度的22.5%27.5%，最大侧向应力系数=0.40.8；文献15应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型，认为条带煤柱核区率11.92%时，存在突变失稳的可能性。（4）关于条带开采设计研究方面在条带开采参数设计研究方面，一般认为有两个基本准则：一是条带煤柱有足够的强度和稳定性，从而能长期有效支撑上覆岩层的载荷；二是条带采宽应限制在不使地表出现波浪下沉盆地而呈现单一平缓的下沉盆地。目前有学者提出的宽条带开采方法在保证地表变形不超出设计要求的前提下，允许地表为非统一的下沉盆地，实现了在控制变形条件下提高条带开采宽度的目的【7】。图4 条带开采煤层示意图4.2充填条带开采与充填开采、条带开采的区别（1）充填条带开采的煤柱强度大大增加，地表移动期比全部充填法短。充填条带开采指采用充填方法管理顶板的条带开采法【8】。国内外采用充填条带开采方法的典型实例清楚表明，充填法管理顶板大大增强了煤柱的稳定性，使煤柱处于较理想的三向受力状态，从而提高了煤柱承载能力。抚顺市区下特厚煤层条带充填开采试验中，采用了留宽a=70m，采宽b=60m的开采方案，在采厚10m的条件下，最大下沉值为338mm，下沉系数仅0.034；最大拉伸变形值为1.03mm/m。地表总移动期1044天（2.86年），比全采全充采煤法的总移动期缩短1.22年（全采全充法为4.08年）。最大下沉速度仅为0.690.70mm/d，未出现活跃期，地表移动范围较大【9】（2）充填条带开采减沉机理与充填开采、条带开采有相同之处，也有区别。相同之处在于：三种开采方法均是通过支撑上覆岩层，阻止其垮落移动变形从而达到减小地表下沉的目的。不同在于：充填条带开采充填体不仅在竖直方向上支撑采空区顶板，而且水平方向上对隔离煤柱构成了侧限，使煤柱处于三向受力状态，提高了其稳定性。在“煤柱充填体”系统共同支撑作用下，覆岩的垮落和下沉大大减小。对于充填开采来讲，充填体弹性模量小于煤体，减沉效果不如有隔离煤柱的条带开采；对于条带开采来讲，下沉系数同采出率成正比，若要达到较好的效果就必须限制采出率，而充填条带开采可以克服这一缺陷，在采出率较高件下达到理想的减沉效果，而且技术上易于实现。三者在减沉效果、充填材耗、工艺复杂程度和采出率方面的比较如表3所示。表3 充填开采、条带开采和充填条带开采对比下沉系数充填材料消耗工艺复杂程度采出率全部充填开采0.10.4量大需随采随充，工艺复杂最高冒落条带开采0.020.336无简单低充填条带开采0.0090.04较大较复杂较高5充填条带开采的实例问题分析5.1邢东矿矸石充填巷式开采实践邢东矿位于邢台市三环以内，市环保部门不允许起矸石山，且地面均为沃野良田，从环保型企业的发展趋势及该矿的实际情况出发，必须解决井下排放矸石的问题。经过几年的研究和探索，邢东矿从2003年底开始在工业广场和先于村保护煤柱实施充填巷式开采，实现了煤矿地面不建矸石山的良好局面，保护了大量农田，减少了环境污染，而且还把用常规方法不可能采出的煤炭资源采出，提高了资源开发率，实现了一举多得的效果，并为其他煤矿处理矸石和进行类似条件下开采提供了技术经验。矸石充填巷式开采的试验区域邢东矿把工业广场和先于村保护煤柱范围作为矸石充填巷式开采试验区域，其南北平均长455m，东西平均宽680m，面积30.94万m2。此区域煤质优良，开采压煤对于合理利用煤炭资源，促进矿井可持续发展具有重要意义。该区域主采煤层为2煤层，走向NW29NE2，倾向NE。煤层平均厚度3.85m，倾角10，赋存稳定，埋深842975m。老顶属二级顶，来压明显，直接顶顶板岩石为浅灰砂岩，f=46，中等稳定，属级。由于开采深度大，地压强烈，顶板易冒落，煤层顶、底板岩性如图5所示。试验区内除了断层SF1-2（落差H=055m，倾角45)外，构造简单【10】。图5 煤层顶、底板岩性试验区内依次掘进南北轴向的巷道，规格为4.5m3.5m（宽高），断面面积15.75m2，平均每条巷道长约400m，两巷之间留设一定宽度的隔离煤柱，并且在掘进过程中使用锚网联合支护充填巷道以减小围岩闭合量。掘进完一条巷道后，即开始充填，同时留设一定宽度隔离煤柱掘进下一条巷道，依次掘进巷道同时充填前一条巷道，待充填完毕几条巷道后，在其隔离煤柱中掘巷并充填，最终形成5m宽充填巷道和5m宽隔离煤柱。充填巷式开采示意图及步骤如图6所示。第一步：开掘第一条巷道（宽5米）第二步：相隔一定宽度煤柱开掘第二条巷道，同时充填第一条巷道第三步：依次掘进巷道并充填前一条巷道第四步：待充填完毕几条巷道后，在其隔离煤柱中掘巷并充填，形成5m宽充填巷道和5m宽隔离煤柱图6 充填巷式开采示意图及步骤5.2充填条带开采工艺流程岩巷迎头掘进的矸石装车后经轨道大巷，再经运料车场进入充填工程上部车场，运至矸石仓上口，由推车机、翻车机翻入矸石仓，经破碎机把矸石破碎至150mm粒径，通过给料机送入皮带，运到充填巷迎头，经输送机抛射充填，迎头矸石在较干燥的情况下边充填、边撒水，以利于矸石堆集。邢东煤矿矸石主要为细砂岩，砂岩密度为2.5t/m3，矸石密度为1.56t/m3，矸石松散系数1.6，井下开拓矸石块度最大400mm，一般为150mm，约含20%矸泥。输送机抛填皮带左右可摆动角度14.5，带速2.5m/s，上下摆动高度在2.84.0m之间，输送机抛填皮带及行走机构为电驱动，充填时皮带可前后左右上下移动，输送机充填时步距0.5m，充填效率较高，充填输送机抛矸皮带完成矸石充填后，再对巷道充填矸石上部的空隙采用注浆法加以密实，使巷道的充填率提高。矸石管道输送及巷道充填注浆系统位于充填巷迎头，矸石充填输送机的后面，矸石通过皮带到达筛分设备后筛分出粒径小于5mm的粉末，由注浆系统注入充填矸石上部空隙。工艺路线矸石充填的工艺路线主要由以下几个部分组成：矸石重车轨道大巷运料车场上部车场矸石仓破碎机皮带矸石充填巷输送机抛矸注浆泵注浆。矸石充填巷式开采工艺路线及设备布置如图7所示。图7 充填巷式开采工艺路线5.3阶段性取得的成果自2003年底开始实施矸石充填巷式开采工广煤柱至2006年，共掘出巷道11条，历时36个月，总长度达到4742m，采出煤炭12.1万t；已充填巷道10条，消耗矸石53550m3，充填率平均85。经地面监测，没有明显沉陷，地表设施稳定，工业广场的提升运输设备安全正常运行，地面建筑物完好无损，达到了预期目标。5.4实例观测目的充填巷式开采由于矸石充填体起到了支撑覆岩和给煤柱提供侧限的作用，提高了煤柱承载能力，减小了煤柱应力和覆岩下沉，煤柱应力分布特征与冒落条带开采煤柱有所不同。观测目的是为了认识及掌握：（1）巷道充填后不同宽度隔离煤柱应力特征，（2）巷道充填前后隔离煤柱应力的变化状况，（3）巷道掘进对隔离煤柱应力的影响规律。这些数据将为研究充填巷式开采煤柱应力特征提供实测资料5.5观测方法结合邢东矿具体条件和本次实测目的，综合比较了几种方法，选择应用了钻屑法和应力计法。鉴于17巷已充填完毕一段时间，由于无法进入已充填巷道内，煤体应力趋于稳定，采用钻屑法对煤柱应力分布特征进行观测相对于其他方法是较为适宜的。钻屑法是通过每米钻孔煤粉量的不同来监测应力状态的。基于应力计对于煤体应力的变化较为敏感，采用埋设应力计的方法观测正在掘进和充填巷道附近隔离煤柱应力的变化状况较为适宜。因此，对正在充填的9、10巷和正在掘进的12巷间隔离煤柱应力分布采用应力计法。5.6钻屑法观测5.6.1钻屑法测试煤体应力的原理钻屑法是通过垂直煤壁打钻头直径为42mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应测试煤柱应力，其理论基础是钻出煤粉量与煤体应力状态具有对应关系，即其他条件相同的煤体，当应力状态不同时，钻孔的煤粉量也不同。钻具对于煤体钻进时，钻孔过程呈现一系列的动态效应，当钻孔钻杆进入高应力区时，孔壁部分煤体可能挤入孔内，并伴有不同程度的响声和微冲击，也会出现钻进容易，或出现卡钻甚至卡死现象。出现这些变化的原因是钻孔周围煤体变形和破碎所致，煤层中的应力愈大，煤的脆塑性破碎愈剧烈【11】。图8即是典型的反映钻孔过程中钻屑排出量、钻屑粒度和声响强度的分布图【12】1-钻屑排出量；2-钻屑粒度变化；3-打钻过程中的声响变化图8 钻屑排出量、钻屑粒度和声响强度的分布图考虑应变软化的扩容影响的钻屑量G与煤体应力P之间的关系式为：式中：煤的容重；成孔后半径；R非弹性区半径；Ua扩容在内的孔内壁径位移；UR非弹性区和弹性区交界处的径向位移；n为考虑扩容而产生的影响，一般取1.11.2，系数q=（1 +sin）/（1-sin）为内摩擦角；泊松比；c煤的单轴抗压强度。5.6.2钻屑法钻孔布置为了尽可能多地获得数据，总共布置了30个钻孔。首先选择不受采动影响的煤体打4个深1012m的钻孔作为对照孔。结合现场情况，此区域选择在井筒保护煤柱上，孔间距34m，钻孔号为1#-4#。然后在充填辅助巷向巷间隔离煤柱打深912m的钻孔，以与对照孔进行对比。结合实测目的和现场情况，共打钻孔26个，孔间距34m，钻孔号、位置、深度等如图8所示。充填巷与充填辅助巷夹角为73，沿充填辅助巷煤壁两充填巷间距离和钻孔数如表4表4 充填巷隔离煤柱宽度及钻孔数充填巷间煤柱122334455667宽度(m)291014342630钻孔数4225535.6.3方案实施步骤钻屑法具体步骤如下：（1）钻孔位置选择在距底板1.01.5m，避开锚杆的地方。（2）先用钳子把锚网剪开一个大口子，掏一个50cm，深2030cm的槽。并把剪开的编织袋平铺在槽底。当钻进开始后，从钻孔中出来的煤粉便堆积在编织袋上。（3）钻杆每钻进1m，拔出钻杆，将煤粉清理干净，将煤粉装入塑料袋用弹簧秤称重。称重3次，取平均值。5.6.4方案结果分析钻屑法测试煤柱应力有三个指标：钻屑排出量、钻屑粒度和声响强度。由于充填巷式开采煤柱应力集中较小，现场钻屑粒度和声响强度不明显。在此，仅以煤粉量为指标来分析应力特征。首先将30个钻孔每米煤粉量最大值取出，进行比较分析，发现巷式开采区煤体钻孔的煤粉量相比对照孔的煤粉量较大，宽煤柱与窄煤柱、充填侧与未充填侧煤体的钻孔煤粉量也有区别，这些区别反映了煤柱不同部位的应力特征。以下分类进行分析。（1）隔离煤柱钻孔与对照孔隔离煤柱26个钻孔的平均每米煤粉量最大值为2.49kg/m，4个对照孔的平均每米煤粉量最大值为2.13kg/m，增大了17，如表4所示。充填巷间煤柱钻孔的煤粉量相对于对照孔大，说明了充填巷式开采隔离煤柱应力高于相同条件下未受采动煤体应力。同时，将本次煤柱应力观测值与龙凤矿采用钻屑法测得的有冲击矿压危险的煤层钻屑量（长壁垮落开采）进行了比较，本实测的煤粉量值小而且随深度变化较平稳，说明1#-7#充填巷间隔离煤柱应力较小,如图9所示(钻孔每米煤粉量值：龙凤矿2.958.05kg/m；邢东矿0.852.10kg/m)。图9 钻孔每米煤粉量值（2）宽煤柱与窄煤柱17充填巷间煤柱宽度不等，最宽为34m，最窄为10m。将各煤柱中部钻孔的每米煤粉量最大值列入表5中。表5 各煤柱中部钻孔每米煤粉量最大值煤柱名称（按宽度排列）456712563423煤柱宽度(m)343029261410中部钻孔20#11#29#15#23#26#中间部位最大煤粉量(kg/m)2.522.192.42.212.842.8将6个煤柱按宽度分为宽煤柱（大于26m）和窄煤柱（小于14m），由表可以看出，窄煤柱煤粉量明显大于宽煤柱煤粉量，说明在充填巷式开采中，所留设隔离煤柱越宽，应力越小,这与理论分析是一致的，煤柱越宽，单位面积承担的载荷越小，应力越小。但当煤柱大于26m时，不同煤粉量差别不大（2.52 kg/m、2.19kg/m、2.4 kg/m、2.21 kg/m），而且不再符合随煤柱宽度增大，煤粉量减小的规律，说明在邢东矿井条件下，宽度大于26m的煤柱中部不受集中应力的影响，处于原岩应力状态。从理论上分析：根据岩石力学孔洞影响范围r=3R0（R0为巷道宽度的一半，充填辅助巷的宽度为5m，所以R0=2.5 m），可得充填巷对煤柱的应力影响距离为7.5m。即只要煤柱宽度大于27.5=15m,中部即恢复为原岩应力状态。可见，用钻屑法测得的26 m宽煤柱中部为原岩应力的结果与理论分析是一致的。（3）充填侧与未充填侧26钻孔一端接近辅助巷（未充填），另一端接近充填巷。通过对应位置段（距离巷道13m）的钻孔每米钻粉量变化（图10）可以看出，在同一个钻孔内，接近未充填辅助巷的煤体钻屑量大（2.252.80kg/m），而接近充填巷道的煤体钻屑量较小(1.602.10kg/m)，说明巷道充填后充填体对煤体起到了分担一定的上覆岩层压力、减少煤体垂直应力，起到了提供侧限和提高其承载能力的作用。图10 充填与未充填钻孔每米钻粉量变化综上所述，通过用钻屑法对1#-7#充填巷间煤体煤屑量进行的监测发现，巷式充填开采后，开采区煤体，同条带开采和长壁开采情形一样，产生了应力集中，比未受采动影响的对照区的煤体应力大，但其量值处在较低的水平；煤柱应力随煤柱宽度增大而变化，在巷式充填开采条件下，如果留设大宽度煤柱（本例宽度大于26m），煤柱中部应力为原岩应力，不受充填巷影响；矸石充填体给顶板增加了支撑，减少了煤柱应力，也给煤柱提供了侧限，提高了承载能力。根据本次钻屑法应力实测宽煤柱中部应力为原始应力的事实，认为在宽煤柱即1#-2#、4#-5#、5#-6#和6#-7#充填巷间隔离煤柱中还可进行巷采，不会引起覆岩及地表的过量破坏和沉降。5.7应力计法观测5.7.1应力计的测量原理KSE-1型钻孔应力计是由压力传感器和数字显示仪组成。压力传感器的钻孔压力枕采用充油膨胀的特殊结构，用于煤矿井下煤岩体内相对压力测量，煤体钻孔内应力变化，通过压力枕两面的包裹体传递到充液膨胀起来的压力枕，被转变为压力枕内液体压力。该压力经导压管再传递到压力频率转换器，把压力变成相应的钢弦振动的频率信号，经数字显示仪处理并显示出煤体钻孔内应力的变化量。5.7.2应力计埋设位置的确定(1)89、910和10正在掘进的12巷间隔离煤柱宽均为15m。为了监测煤柱应力大小的变化情况，决定分别在煤柱中垂直于轴向按照不同深度埋设5个应力计，深度分别为2.5m、5m、7.5m、10m和12.5m；(2)为了消除充填辅助巷对煤柱应力的影响，根据岩石力学孔洞影响范围r=3R0（R0为巷道宽度的一半，充填辅助巷的宽度为4m，所以R 0=2m），可得充填辅助巷对煤柱的应力影响范围为6m。为了保险起见，应力计埋设在距煤柱端部20m的地方，两孔之间的水平距离约为4m，孔与孔之间保证了互不影响；（3)为了掌握巷道开掘对旁边煤柱应力的影响，决定把1012巷间隔离煤柱中应力计埋设在距煤柱端部50m远的地方，以观测随12巷的开掘，1012巷间隔离煤柱应力变化状况，如图11所示。在安装过程中，用锒合金人字形50mm钻头、多根插接式1m长麻花钻杆和MQTB-55/1.7C气动支腿式帮锚杆钻机进行作业。应力计提前埋设4天。在3个煤柱共15个测点埋设应力计。10月10日开始正式观测，截至2月14日，共获得800多个有效数据。在观测的同时记录了充填点和掘进点距巷道口的距离，如表6所示。表6 巷道充填与掘进进度9巷充填点距巷口距离(m)10巷充填点距巷口距离(m)12巷掘进点距巷口距离(m)10月10日106.7未充填1010月11日96.7未充填1010月12日80.1未充填1010月13日72.1未充填1010月14日60.1未充填1010月15日52.1未充填1010月16日51.1未充填1010月17日38未充填1010月18日36未充填1010月19日改用耙岩机充填未充填10月20日未充填2910月21日未充填10月22日充填完毕未充填3710月23日未充填10月24日46554.810月25日44572.810月26日43384.810月27日10月28日10月29日10月30日408.3114.3510月31日394130.055.7.3观测结果分析对89、910和1012巷间隔离煤柱各测点近4个月的应力变化进行了记录。经过分析，910与89巷间隔离煤柱应力变化规律相似。因此，仅列出89和1012巷间隔离煤柱各一个典型测点应力随时间变化图，如图12和13所示，对两个测点进行如下分析。图11 应力计埋设位置及充填与掘进度（1）89巷间煤柱2.5m测点应力随时间变化规律图12 煤柱2.5m测点应力随时间变化规律从图12可以比较清晰地看出，测点应力随时间的推移而变化，它主要是受到12#巷道的充填作用。在10月17日之前，测点附近巷道未充填的时段里，应力随时间推移而逐渐下降，从15.20MPa下降到13.26MPa；本区域在10月17日实施充填，充填后的10月17日23日期间，应力基本稳定在13.26MPa左右；而在10月23日之后，应力不断上升，至12月28日，已基本稳定在15MPa左右。分析认为，在10月17日未对测点附近巷道充填之前，由于采动影响，该测点位于煤柱塑性区内，此范围煤体的承载能力逐渐下降，垂直应力逐渐降低；当充填面通过该测点后6天内，应力处于稳定状态，6天后应力上升，说明充填体对煤柱起到了侧限作用，承载能力增强。通过对89巷间隔离煤柱2.5m测点应力变化的分析，可以看出，充填前后，测点应力经历了由下降到上升的变化趋势。充填前，煤柱侧壁处于双向受力状态，随时间推移逐渐松散，承载能力下降，煤体内应力降低，而充填后，充填体给煤柱侧壁提供了侧压力，煤柱侧壁变为三向受力状态，其承载能力得到了恢复和提高，重新具备了承载上覆岩层的能力，应力又开始升高。将该测点的应力变化曲线进行拟合处理，可以看出，应力从14.1Mpa增长到15.6Mpa，增长了10.7。由上述分析可有如下认识：煤柱在充填前，其塑性区随时间推移逐渐发展，塑性区内煤体应力越来越小；当充填后，塑性区内煤体应力又逐渐增大，说明充填体对煤柱侧壁起到侧限作用，改善了其受力状态，阻止其横向变形，提高了煤柱核区宽度和整个煤柱的承载能力。（2）1012巷间煤柱7.5m测点应力随时间变化规律图13 煤柱7.5m测点应力随时间变化规律从图13中可以看出，1012巷间煤柱7.5m测点应力变化规律，但它主要是受12巷道的掘进影响。在12巷道掘进前的时间里（从10月10日到10月21日），测点应力基本稳定在15.0MPa左右；在掘进头掘到距离测点36 m及其之后（从10月22日起至10月31日），测点应力逐渐升高，测点应力从10月22日的15.0MPa，上升到10月25日（此时12巷道掘进正好平行通过测点）的18.5MPa，直到10月31日到达应力最高峰时（此时，掘进点已经过测点57m）21.7MPa，增大了50%。而从10月31日以后，应力基本处于稳定状态。由上述分析可有如下认识：在充填巷式开采中，巷道开掘对岩体的扰动使得应力场的分布发生了改变，使得巷道上部覆岩压力向隔离煤柱转移，隔离煤柱受到了集中应力的影响，因此，其应力显著上升。5.8充填条带开采的初步规律通过对两个典型测点应力变化分析可得出以下初步规律：（1）充填前，煤柱塑性区煤体随时间推移逐渐松散，应力下降，充填后，充填体给煤体提供了侧限，通过阻止其横向变形，使煤柱由二向受力状态转化为三向受力状态，从而提高了整个煤柱的承载能力，因此，塑性区煤体应力又开始升高。将2.5m测点的应力变化曲线进行拟合处理，可以