4 北京科技大学学报 第32卷 由于现场钻屑量实测值具有离散性，因此考察 的煤体应力最大位置为距煤壁11m位置，说明2124 平均钻屑量值可以减少误差.由表1可以看出钻屑 工作面的最大应力在距煤壁11m位置是正确的. 量在距煤壁12m处达到最大值，结合矿压观测结果 峰值前后平均钴屑量如图2所示 13 (a) 13T (b) E12 =-0.337x+16.543 5-=0.3844x+7.2629 叫 12 R2-0.9759 2-0.916 10 9 甚10 40 2 4 68 101214 13 15 17 19 21 距煤壁m 距煤壁m 图2矿山应力蜂值前后平均钻屑量.(a)峰值前平均钻屑量；(b)峰值后平均钻屑量 Fig 2 Average drilling cuttings weight (a)before and (b)after the peak ground pressure 由图2看出峰值前、后平均钻屑量可由下式表 应力 示： S=ax十b(峰前) 华 S=cx十d(峰后) (1) 式中，S为钻屑量，kgm；x为距煤壁距离，m:a 工作面 困 hc和d为拟合系数. 位置 式(1)表示钴屑量在峰值前呈线性增加，峰值 卸压区中原始应抠 后呈线性减少，该式成立的前提是施钻时必须严格 图3煤壁前方应力分布 Fig 3 Stress distribution on the workng face 按照操作规程操作，如果操作不规范实测的钻屑量 将产生较大误差，可能偏离式(1)规律. 由力学知识，当煤壁不发生片帮、冒顶时，煤壁 式(1)是在三汇一矿K,煤层现场测试得到的 前方极限平衡区处于相对稳定状态，因此在极限平 结果，反映出该煤层钻屑量变化规律.由于煤矿不 衡区水平方向为平衡状态，由文献[6-7]相关公式 同煤层的物理力学性质、化学成分等存在较大差异， 推导出： 因此如在其他煤层测试，钻屑量的拟合曲线可能发 a,=Nexp 26 (峰前) 生变化，可能不符合式(1)，需重新选择模型. m 2 2(x一) 3钻屑量同矿山压力、瓦斯压力关系 =Nexp m 一e 入m (峰后) 3.1矿山压力及瓦斯压力 (2) 煤矿井下开采作业破坏了原始地层中的应力平 式中，o,为垂直应力，MPa为层面间摩擦因数；m 衡状态，使采掘工作面煤壁前方煤体承受的应力重 为采高，m:入为侧向压力系数；N为煤壁支撑力， MPa当x=0时σ，=N,当0o,时煤壁稳定； 新分布，一般情况下，煤壁前方在较短时间内就会 当N>σ，时煤壁将发生片帮破坏；σ，为煤体抗拉强 形成应力重分布，首先在煤壁附近形成较高的集中 度，MPa为应力峰值位置， 应力（又称支承压力）当集中应力值达到煤体的强 度极限后，这部分煤体首先发生屈服变形，使集中应 式(2)反映出在未考虑瓦斯作用下的煤壁前方 垂直应力：与煤壁支撑力成正比，与层面间摩擦因数 力向煤体深部转移.经过一定时间后，形成卸压区， 正相关，与侧向压力系数和采高负相关 应力集中区和原始应力区，如图3所示.在这三个 区中煤体所受应力和变形性质各有差异 长壁工作面煤壁前方极限平衡区的含瓦斯煤体 由于塑性区和卸压区中的煤体经受了峰值应力 在水平方向处于极限平衡状态∑F,=Q假设在煤 的作用，使煤体受力接近最大承载能力，形成了极限 体x处的垂直面上瓦斯压力R、水平应力·.处处相 应力区，在极限应力区内的煤体处于极限应力状 等，如图4所示，即为： 态，处于极限应力状态的煤体通常承载能力低于集 m(o,-0十nm)-J2o,x=0 (3) 中应力，一般情况下，紧靠煤壁的卸压区中煤体承 式中，o,为距煤壁x处的水平应力，MPa Go为煤壁 载应力低于原始应力8) 处水平应力，6o=0B为距煤壁x处瓦斯压力，北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 由于现场钻屑量实测值具有离散性‚因此考察 平均钻屑量值可以减少误差．由表 1可以看出钻屑 量在距煤壁 12ｍ处达到最大值‚结合矿压观测结果 的煤体应力最大位置为距煤壁11ｍ位置‚说明2124 工作面的最大应力在距煤壁 11ｍ位置是正确的． 峰值前后平均钻屑量如图 2所示． 图 2 矿山应力峰值前后平均钻屑量．（ａ） 峰值前平均钻屑量；（ｂ） 峰值后平均钻屑量 Ｆｉｇ．2 Ａｖｅｒａｇｅｄｒｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓｗｅｉｇｈｔ（ａ） ｂｅｆｏｒｅａｎｄ（ｂ） ａｆｔｅｒｔｈｅｐｅａｋｇｒｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅ 由图 2看出峰值前、后平均钻屑量可由下式表 示： Ｓ 0＝ａｘ＋ｂ（峰前 ） Ｓ 0＝ｃｘ＋ｄ（峰后 ） （1） 式中‚Ｓ 0为钻屑量‚ｋｇ·ｍ —1；ｘ为距煤壁距离‚ｍ；ａ、 ｂ、ｃ和 ｄ为拟合系数． 式 （1）表示钻屑量在峰值前呈线性增加‚峰值 后呈线性减少．该式成立的前提是施钻时必须严格 按照操作规程操作‚如果操作不规范实测的钻屑量 将产生较大误差‚可能偏离式 （1）规律． 式 （1）是在三汇一矿 Ｋ1 煤层现场测试得到的 结果‚反映出该煤层钻屑量变化规律．由于煤矿不 同煤层的物理力学性质、化学成分等存在较大差异‚ 因此如在其他煤层测试‚钻屑量的拟合曲线可能发 生变化‚可能不符合式 （1）‚需重新选择模型． 3 钻屑量同矿山压力、瓦斯压力关系 3∙1 矿山压力及瓦斯压力 煤矿井下开采作业破坏了原始地层中的应力平 衡状态‚使采掘工作面煤壁前方煤体承受的应力重 新分布．一般情况下‚煤壁前方在较短时间内就会 形成应力重分布‚首先在煤壁附近形成较高的集中 应力 （又称支承压力 ）．当集中应力值达到煤体的强 度极限后‚这部分煤体首先发生屈服变形‚使集中应 力向煤体深部转移．经过一定时间后‚形成卸压区‚ 应力集中区和原始应力区‚如图 3所示．在这三个 区中煤体所受应力和变形性质各有差异． 由于塑性区和卸压区中的煤体经受了峰值应力 的作用‚使煤体受力接近最大承载能力‚形成了极限 应力区．在极限应力区内的煤体处于极限应力状 态‚处于极限应力状态的煤体通常承载能力低于集 中应力．一般情况下‚紧靠煤壁的卸压区中煤体承 载应力低于原始应力 ［8--9］． 图 3 煤壁前方应力分布 Ｆｉｇ．3 Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ 由力学知识‚当煤壁不发生片帮、冒顶时‚煤壁 前方极限平衡区处于相对稳定状态‚因此在极限平 衡区水平方向为平衡状态．由文献 ［6--7］相关公式 推导出： σｚ＝Ｎｅｘｐ 2ｆｘ λｍ （峰前 ） σｚ＝Ｎｅｘｐ 2ｆｘ1 λｍ —Ｎ ｅｘｐ 2ｆ（ｘ—ｘ1） λｍ —1 （峰后 ） （2） 式中‚σｚ为垂直应力‚ＭＰａ；ｆ为层面间摩擦因数；ｍ 为采高‚ｍ；λ为侧向压力系数；Ｎ为煤壁支撑力‚ ＭＰａ‚当 ｘ＝0时 σｚ＝Ｎ‚当 0≤Ｎ≤σｔ时煤壁稳定； 当 Ｎ＞σｔ时煤壁将发生片帮破坏；σｔ为煤体抗拉强 度‚ＭＰａ；ｘ1为应力峰值位置． 式 （2）反映出在未考虑瓦斯作用下的煤壁前方 垂直应力：与煤壁支撑力成正比‚与层面间摩擦因数 正相关‚与侧向压力系数和采高负相关． 长壁工作面煤壁前方极限平衡区的含瓦斯煤体 在水平方向处于极限平衡状态 ∑ Ｆｘ＝0‚假设在煤 体 ｘ处的垂直面上瓦斯压力 ｐｘ、水平应力 σｘ处处相 等‚如图 4所示‚即为： ｍ（σｘ—σ0＋ｐｘ—ｐ0）—∫0 ｘ 2σｚｆｄｘ＝0 （3） 式中‚σｘ为距煤壁 ｘ处的水平应力‚ＭＰａ；σ0 为煤壁 处水平应力‚σ0 ＝0；ｐｘ 为距煤壁 ｘ处瓦斯压力‚ ·4·