D0I:10.13374/j.issnl0(01-t03.2007.3.001 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2007 水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 姚精明) 何富连)窦林名)张蕾)刘海涛)李哲) 1)北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室，北京1000832)中国矿业大学能源学院，徐州221008 摘要在水采工作面和旱采工作面交接的护巷煤柱处，极易发生冲击矿压事故：通过对冲击矿压机理的分析，认为冲击矿 压的发生是由于积聚较高能量的受载煤体裂纹不稳定扩展所致·提出了增加卸载区的范围，促使煤体裂纹稳定扩展，降低单 位煤体储能，从而控制冲击矿压发生的原理。给出了该条件下增加煤体孔隙率，减少瓦斯、空气流通通道的防治原则.在此基 础上，给出了分段治理，注水和注浆相结合的防治方案。工程实践证明该方案是切实有效的 关键词冲击矿压；失稳；护巷煤柱；煤层注水 分类号TD324 我国是世界上产煤量最大的国家，目前我国的 受到这些缺陷很大的影响，煤岩体的破坏正是从裂 年产煤量已趋近于20亿t:随着大量地下煤体的采 纹扩展开始的 出，必然会遗留大量废弃的采掘空间，而这些采掘空 对单个裂纹进行力学分析，用Sh模型，如图 间和现有的工作面或巷道往往是采用护巷煤柱隔 1所示，对一块承受最大主应力为1和最小主应力 离.在这些采掘空间里充斥着高浓度的瓦斯，一旦 o3的平板，其中一个长轴为a、短轴为b的椭圆孔 护巷煤柱发生冲击矿压，其相邻废弃采掘空间的高 在平面应力状态下临界裂纹的集中拉应力如下式 浓度瓦斯必然向现行工作面或巷道涌出而造成瓦斯 所示： 事故；如果煤层有自燃发生倾向，还会造成煤层自燃 =(十b)2(g-)2 事故，目前这类因为护巷煤柱发生冲击而导致工作 4abg2+03 (1) 面或回采巷道发生瓦斯突出、爆炸以及煤层自燃的 事故在煤矿开采中呈逐渐上升的趋势，这在水采工 作面和旱采工作面交接处的护巷煤柱表现得尤为明 显山.这些事故常常导致矿井人员的伤亡、设备支 架的损坏、巷道垮落破坏，严重威胁旱采工作面的正 常开采，因此，有效地防治这些事故对矿井的生产 实践、提高煤矿的经济效益有着非常重要的意义， 1冲击矿压发生的机理 冲击矿压是聚集在巷道或采场周围煤岩体的能 量突然释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特 图1压应力下平板内椭圆孔的应力模型 征的动力现象[，其在现场的宏观表像为大量破碎 Fig.I Stress model of an ellipse hole in slab under press stress 煤体被挤入巷道，这为冲击矿压机理研究提供了方 当裂纹尖端拉应力大于煤岩体的抗拉强度时， 向，即从煤体在加载状态下微观变形失稳机理方面 裂纹会扩展，裂纹扩展稳定与否可根据下式判 来研究冲击矿压的发生机理， 断可： 煤岩材料存在许多裂纹、孔隙、空位，是一种节 Gn2b2 4R U= +2YC- 理繁多、孔隙发育的多裂纹介质材料，这些裂纹、空 4π(1-)C 位、缺陷称为Griffith缺陷[).而煤岩体的力学行为 (-)c2anbc 8G 2 (2) 收稿日期：2005-12-21修回日期：2006-06-19 式中，G为煤体的抗剪强度，。为裂纹尖端拉应力， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50074030):国家自然科 R为发生位错的煤体的边界，为煤体的泊松比， 学基金重大项目(No.50490270) 作者简介：姚精明(1979一)，男，博士研究生 n为发生位错的煤体数，C为裂纹长度，Y为煤体的
水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 姚精明1） 何富连1） 窦林名2） 张 蕾1） 刘海涛1） 李 哲1） 1） 北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室北京100083 2） 中国矿业大学能源学院徐州221008 摘 要 在水采工作面和旱采工作面交接的护巷煤柱处极易发生冲击矿压事故．通过对冲击矿压机理的分析认为冲击矿 压的发生是由于积聚较高能量的受载煤体裂纹不稳定扩展所致．提出了增加卸载区的范围促使煤体裂纹稳定扩展降低单 位煤体储能从而控制冲击矿压发生的原理．给出了该条件下增加煤体孔隙率减少瓦斯、空气流通通道的防治原则．在此基 础上给出了分段治理注水和注浆相结合的防治方案．工程实践证明该方案是切实有效的． 关键词 冲击矿压；失稳；护巷煤柱；煤层注水 分类号 TD324 收稿日期：20051221 修回日期：20060619 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50074030）；国家自然科 学基金重大项目（No．50490270） 作者简介：姚精明（1979—）男博士研究生 我国是世界上产煤量最大的国家目前我国的 年产煤量已趋近于20亿 t．随着大量地下煤体的采 出必然会遗留大量废弃的采掘空间而这些采掘空 间和现有的工作面或巷道往往是采用护巷煤柱隔 离．在这些采掘空间里充斥着高浓度的瓦斯一旦 护巷煤柱发生冲击矿压其相邻废弃采掘空间的高 浓度瓦斯必然向现行工作面或巷道涌出而造成瓦斯 事故；如果煤层有自燃发生倾向还会造成煤层自燃 事故．目前这类因为护巷煤柱发生冲击而导致工作 面或回采巷道发生瓦斯突出、爆炸以及煤层自燃的 事故在煤矿开采中呈逐渐上升的趋势这在水采工 作面和旱采工作面交接处的护巷煤柱表现得尤为明 显［1］．这些事故常常导致矿井人员的伤亡、设备支 架的损坏、巷道垮落破坏严重威胁旱采工作面的正 常开采．因此有效地防治这些事故对矿井的生产 实践、提高煤矿的经济效益有着非常重要的意义． 1 冲击矿压发生的机理 冲击矿压是聚集在巷道或采场周围煤岩体的能 量突然释放而产生的以突然、急剧、猛烈的破坏为特 征的动力现象［2］其在现场的宏观表像为大量破碎 煤体被挤入巷道．这为冲击矿压机理研究提供了方 向即从煤体在加载状态下微观变形失稳机理方面 来研究冲击矿压的发生机理． 煤岩材料存在许多裂纹、孔隙、空位是一种节 理繁多、孔隙发育的多裂纹介质材料这些裂纹、空 位、缺陷称为 Griffith 缺陷［3］．而煤岩体的力学行为 受到这些缺陷很大的影响煤岩体的破坏正是从裂 纹扩展开始的． 对单个裂纹进行力学分析用 Sih 模型［4］如图 1所示．对一块承受最大主应力为σ1 和最小主应力 σ3 的平板其中一个长轴为 a、短轴为 b 的椭圆孔 在平面应力状态下临界裂纹的集中拉应力如下式 所示： σt＝ （ a＋b） 2 4ab （σ1—σ3） 2 σ2＋σ3 （1） 图1 压应力下平板内椭圆孔的应力模型 Fig．1 Stress model of an ellipse hole in slab under press stress 当裂纹尖端拉应力大于煤岩体的抗拉强度时 裂纹会扩展．裂纹扩展稳定与否可根据下式判 断［5］： U＝ Gn 2b 2 4π（1—ν） ln 4R C ＋2γC— π（1—ν）σ2C 2 8G — σnbC 2 （2） 式中G 为煤体的抗剪强度σ为裂纹尖端拉应力 R 为发生位错的煤体的边界ν为煤体的泊松比 n 为发生位错的煤体数C 为裂纹长度γ为煤体的 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．001
.248 北京科技大学学报 第29卷 容 夹持区受到的外界水平应力来源于卸载区，由 当能量平衡时必有=0，于是得到： 分析可知，这个水平应力越大，夹持区的裂纹扩展就 越稳定，从而冲击矿压也就越难发生，对卸载区进 C2- 1-2 r2C+r1r2=0 (3) 行力学分析，设塑性区（卸载区）半径为R,巷道为 N r2 圆形巷道，半径为「a,且巷道各项等压，运用弹塑性 G2nb2 式中，n=8x1P)Yn=7 8GY 理论[8)塑性区半径为： π(1-)62 当方程(3)有解时，则表示外界流入的能量全部 .「2pm(5-1)+2白 R=rA Rc(+1) (5) 被裂纹扩展所消耗，裂纹稳定扩展，因此不可能有能 量剩余，从而也就没有发生冲击矿压危险的可能 塑性区半径处的径向应力和切向应力分别为： 显然，上述方程无解的条件是}，此时裂纹失 [2po-Rc] (6) 稳扩展，在裂纹扩展的过程中没有完全消耗外界流 4,=+[2p0+Rc] (7) 入煤岩体的弹性能，从而使得煤岩体积储的能量增 式中，po为原岩应力，po=YH,Pa;Rc表示煤岩体 加，当单位煤岩体积储的能量达到某一值时，弹性能 2Ccos 0 会突破煤岩体对其的约束而瞬间释放发生冲击矿 的单轴抗压强度，Bc-仁n0MPa:为系数，5= 压6]. 甚m5:C,P为分别为塑性区的粘聚力和内摩擦 2水旱交接处冲击矿压的防治 角，对于煤体来说，内摩擦角一般在16°~40°，粘聚 2.1冲击矿压的控制原理 力一般为1~9.8MPa1o). 对式(5)分析，有： 由分析可知，冲击矿压是由于受载煤岩体裂纹 失稳扩展而积储能量到一定程度发生的，裂纹失稳 aB∠0 ∂c (8) 扩展是冲击矿压发生的前提和关键原因，要控制冲 aR∠0 击刊矿压的发生必须使受载煤岩体裂纹扩展为稳定扩 ∂9 (9) 展.煤体是否稳定扩展取决于r2与1的比值，当 假定巷道埋深大于500m,巷道上方岩层的平 ≤时，煤体内裂纹稳定扩展，面 均容重为25kNm-3,对式(6)、式(7)分析有： a G2nb2 P=一c0sp<0 ac (10) 1=8π(1-)Y=Gnb2g2 r2 8GY 64y2 (4) -Csinpocos ∂0 (11) π(1-)2 显然裂纹尖端拉应力σ越大，发生位错的数目 -cos ac (12) n就越多，从而使得r2与r1的比值也就越大·因 此要防止煤体裂纹的稳定扩展，最有效的措施就是 pocne9-Cin0 (13) 降低裂纹尖端的拉应力， 由式(8)和(9)可知，在其他外部条件不发生改 由式(1)可知，减少裂纹的最大主应力，增加裂 变的前提下，降低煤岩体的粘聚力、内摩擦角可以增 纹的最小主应力，则裂纹承受的拉应力将大大降低 加卸载区的范围.由式(12)和(13)可知，此时在弹 从宏观上来说，就是减少顶底板对夹持煤体的垂直 塑性半径处相对于同一位置来说径向应力是增加 压力，增加夹持煤体的水平压力（巷道掘进之后，巷 的，而切向应力减少（如图2所示，A和C表示采取 道周边煤岩体垂直应力明显大于垂直巷道的水平 措施前的切向应力和径向应力，而B和D表示采取 应力) 措施后的切向应力和径向应力)，即增加了夹持区煤 当巷道掘进和煤体采出之后，采掘空间周边受 体的水平压力，减小了夹持区的垂直压力，从而使得 载煤体会出现卸载区，如果受载煤体范围比较大，还 夹持区煤体裂纹扩展趋于稳定扩展，此外，卸载区 会出现夹持区和弹性区，冲击矿压发生释放的能量 的增加是以牺牲一部分夹持区为前提的，即是夹持 主要来源于夹持区[门，因此，夹持区煤岩体裂纹的 区煤体释放一定能量后形成的，故夹持区煤体积储 扩展稳定与否关系到冲击矿压能否发生的问题， 的能量降低，这也有利于防治冲击矿压的发生
容重． 当能量平衡时必有 ∂U ∂C ＝0于是得到： C 2— 1—2 r1 r2 r2C＋ r1r2＝0 （3） 式中r1＝ G 2 nb 2 8π（1—ν）γ r2＝ 8Gγ π（1—ν）σ2． 当方程（3）有解时则表示外界流入的能量全部 被裂纹扩展所消耗裂纹稳定扩展因此不可能有能 量剩余从而也就没有发生冲击矿压危险的可能． 显然上述方程无解的条件是 r1 r2 ＞ 1 4 此时裂纹失 稳扩展在裂纹扩展的过程中没有完全消耗外界流 入煤岩体的弹性能从而使得煤岩体积储的能量增 加当单位煤岩体积储的能量达到某一值时弹性能 会突破煤岩体对其的约束而瞬间释放发生冲击矿 压［6］． 2 水旱交接处冲击矿压的防治 2∙1 冲击矿压的控制原理 由分析可知冲击矿压是由于受载煤岩体裂纹 失稳扩展而积储能量到一定程度发生的裂纹失稳 扩展是冲击矿压发生的前提和关键原因要控制冲 击矿压的发生必须使受载煤岩体裂纹扩展为稳定扩 展．煤体是否稳定扩展取决于 r2 与 r1 的比值当 r1 r2 ≤ 1 4 时煤体内裂纹稳定扩展而 r1 r2 ＝ G 2 nb 2 8π（1—ν）γ 8Gγ π（1—ν）σ2 ＝ Gnb 2σ2 64γ2 （4） 显然裂纹尖端拉应力 σ越大发生位错的数目 n 就越多从而使得 r2 与 r1 的比值也就越大．因 此要防止煤体裂纹的稳定扩展最有效的措施就是 降低裂纹尖端的拉应力． 由式（1）可知减少裂纹的最大主应力增加裂 纹的最小主应力则裂纹承受的拉应力将大大降低． 从宏观上来说就是减少顶底板对夹持煤体的垂直 压力增加夹持煤体的水平压力（巷道掘进之后巷 道周边煤岩体垂直应力明显大于垂直巷道的水平 应力）． 当巷道掘进和煤体采出之后采掘空间周边受 载煤体会出现卸载区如果受载煤体范围比较大还 会出现夹持区和弹性区．冲击矿压发生释放的能量 主要来源于夹持区［7］．因此夹持区煤岩体裂纹的 扩展稳定与否关系到冲击矿压能否发生的问题． 夹持区受到的外界水平应力来源于卸载区由 分析可知这个水平应力越大夹持区的裂纹扩展就 越稳定从而冲击矿压也就越难发生．对卸载区进 行力学分析设塑性区（卸载区）半径为 R巷道为 圆形巷道半径为 ra且巷道各项等压．运用弹塑性 理论［8—9］塑性区半径为： R＝ ra 2p0（ξ—1）＋2RC RC（ξ＋1） 1 ξ—1 （5） 塑性区半径处的径向应力和切向应力分别为： σrp＝ 1 ξ＋1 ［2p0— RC ］ （6） σθp＝ 1 ξ＋1 ［2p0ξ＋ RC ］ （7） 式中p0 为原岩应力p0＝γHPa；RC 表示煤岩体 的单轴抗压强度RC＝ 2Ccosθ 1—sinθ MPa；ξ为系数ξ＝ 1＋sinφ 1—sinφ ；Cφ为分别为塑性区的粘聚力和内摩擦 角对于煤体来说内摩擦角一般在16°～40°粘聚 力一般为1～9∙8MPa ［10］． 对式（5）分析有： ∂R ∂C ＜0 （8） ∂R ∂φ ＜0 （9） 假定巷道埋深大于500m巷道上方岩层的平 均容重为25kN·m —3对式（6）、式（7）分析有： ∂σrp ∂C ＝—cosφ＜0 （10） ∂σrp ∂φ ＝Csinφ— p0cosφ＜0 （11） ∂σθp ∂C ＝cosφ＞0 （12） ∂σθp ∂φ ＝ p0cosφ—Csinφ＞0 （13） 由式（8）和（9）可知在其他外部条件不发生改 变的前提下降低煤岩体的粘聚力、内摩擦角可以增 加卸载区的范围．由式（12）和（13）可知此时在弹 塑性半径处相对于同一位置来说径向应力是增加 的而切向应力减少（如图2所示A 和 C 表示采取 措施前的切向应力和径向应力而 B 和 D 表示采取 措施后的切向应力和径向应力）即增加了夹持区煤 体的水平压力减小了夹持区的垂直压力从而使得 夹持区煤体裂纹扩展趋于稳定扩展．此外卸载区 的增加是以牺牲一部分夹持区为前提的即是夹持 区煤体释放一定能量后形成的故夹持区煤体积储 的能量降低这也有利于防治冲击矿压的发生． ·248· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 姚精明等：水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 .249 止水采工作面瓦斯对煤体渗透和空气的进入·煤层 Cuc+On-2po 注水能很好地满足要求，煤层注水能够降低煤体的 B 内摩擦角、粘聚力和极限强度，增加卸载区的范围， =Cang 从而防治冲击矿压发生2.].此外，由于水旱交接处 的护巷煤柱极不规则，必然会使得一部分煤柱被压 碎或处于极限平衡状态，在采动影响下极易失稳而 导致水采面的瓦斯涌入旱采面而发生瓦斯事故，因 此，如果在该区段的水采采空区注浆，一方面浆液中 采政措施前应 采取措施后应 力分布曲线 力分布曲线 的水对煤体渗透从而起到了煤层注水的作用，另一 方面浆液当中的沉淀物将破碎煤体包裹起来而增加 图2弹塑性应力分布图 了煤体的稳定性，并且浆液沉淀物的堆积还对顶板 Fig.2 Distribution of elastic and plastic stress 有一个支撑力，减少了煤柱的受力，增加了瓦斯向旱 由分析可知，增加卸载区的范围可以使夹持区 采工作面渗透的难度 煤体裂纹稳定扩展，降低夹持区煤体积储的能量，从 因此，水旱交界处护巷煤柱冲击矿压的防治技 而能够防治冲击矿压的发生， 术应采用注浆和注水相结合的分段治理方式，即在 2.2水旱交界处冲击矿压的防治技术的确定 小煤柱的区段采用往水采采空区注浆，在大煤柱的 水力采煤的采空区往往残留有大量的遗弃煤 地方则采用煤层注水的方式， 柱，从而造成水采工作面顶板垮落不充分；水力采煤 3 的方式是自下而上形成倒台阶状，使得其与相邻旱 实例分析 采工作面的护巷煤柱呈极不规则倒台阶状（见 孔庄矿7339工作面开采7#煤层.该煤层厚平 图3)；并且，水力采煤瓦斯涌出峰值要比其他作业 均4.5m,煤层倾角平均25°，采深一698.1~ 高出2~4倍，甚至10多倍山.这些就使得相邻水 一778.3m,煤尘有强爆性，自燃发火期为Ⅲ类.煤 采工作面采空区的旱采工作面进行回采时会出现以 层伪顶为黑色泥岩，厚0.7m;直接顶为深灰色砂质 下问题：由于护巷煤柱呈极不规则的倒台阶状，煤柱 泥岩，厚度为2.5m,节理裂隙发育，易冒落：老顶为 应力分布复杂；一些区段煤柱已经被高应力压碎，一 粉砂岩和中砂岩，厚8.0m·底板为灰黑色砂质泥 些区段煤柱处于极限平衡状态；而水采工作面顶板 岩，厚1.4m:该工作面位于7337水采工作面下方， 垮落不充分，在旱采工作面采动影响下，可能造成大 两工作面间煤柱呈不规则倒台阶状，宽度为6~ 面积的顶板运动，从而导致护巷煤柱发生冲击矿压； 30m;工作面走向长度815m,倾向长度136m,见工 煤柱冲击矿压的发生又进而使得水采采空区的瓦斯 作面示意图3所示，采煤方法为走向长壁、轻型综 涌入旱采工作面或回采巷道而发生瓦斯突出或瓦斯 采放顶煤一次采全高，采空区处理方法为全部垮 爆炸事故 落法， 对该工作面危险性分析，该工作面在回采时有 7337水采采空区 东二三水平轨道下山 冲击矿压危险性较大，根据数值模拟计算，煤柱为 A7339材料道B 14m时应力集中程度最大，单位煤体聚集的能量最 大，煤体内裂纹最易发生不稳定扩展，为此，决定在 7339溜子道 设计停采线- 不大于14m煤柱处采用7337采空区注浆，在大于 14m煤柱处煤层注水的防治措施. 从图4中可以看出，2005年3月22日，未采取 图37339工作面示意图 措施煤体电磁辐射幅值非常高，说明煤体处于一个 Fig.3 Sketch map of 7339 face 较高应力状态，煤体积储能量多，煤体容易发生冲击 由分析可知，冲击矿压的防治措施是增加卸载 矿压（电磁辐射监测冲击矿压的机理见文献[6]） 区范围，即增加煤体的空隙率，这就容易导致水采工 图5是采取措施后，2005年4月28日中班测 作面残存的高浓度瓦斯向正在开采的旱采工作面渗 量的电磁辐射规律，从图中可以看出，电磁辐射的 透而发生瓦斯事故，因此，水旱交界处护巷煤柱的 幅值维持在一个较小的水平，此时煤体变形已经处 冲击矿压防治技术既能增加煤体的空隙率，又能阻 于稳定低应力状态，煤体的应力集中程度比较低，这
图2 弹塑性应力分布图 Fig．2 Distribution of elastic and plastic stress 由分析可知增加卸载区的范围可以使夹持区 煤体裂纹稳定扩展降低夹持区煤体积储的能量从 而能够防治冲击矿压的发生． 2∙2 水旱交界处冲击矿压的防治技术的确定 水力采煤的采空区往往残留有大量的遗弃煤 柱从而造成水采工作面顶板垮落不充分；水力采煤 的方式是自下而上形成倒台阶状使得其与相邻旱 采工作面的护巷煤柱呈极不规则倒台阶状 （见 图3）；并且水力采煤瓦斯涌出峰值要比其他作业 高出2～4倍甚至10多倍［1］．这些就使得相邻水 采工作面采空区的旱采工作面进行回采时会出现以 下问题：由于护巷煤柱呈极不规则的倒台阶状煤柱 应力分布复杂；一些区段煤柱已经被高应力压碎一 些区段煤柱处于极限平衡状态；而水采工作面顶板 垮落不充分在旱采工作面采动影响下可能造成大 面积的顶板运动从而导致护巷煤柱发生冲击矿压； 煤柱冲击矿压的发生又进而使得水采采空区的瓦斯 涌入旱采工作面或回采巷道而发生瓦斯突出或瓦斯 爆炸事故． 图3 7339工作面示意图 Fig．3 Sketch map of7339face 由分析可知冲击矿压的防治措施是增加卸载 区范围即增加煤体的空隙率这就容易导致水采工 作面残存的高浓度瓦斯向正在开采的旱采工作面渗 透而发生瓦斯事故．因此水旱交界处护巷煤柱的 冲击矿压防治技术既能增加煤体的空隙率又能阻 止水采工作面瓦斯对煤体渗透和空气的进入．煤层 注水能很好地满足要求．煤层注水能够降低煤体的 内摩擦角、粘聚力和极限强度增加卸载区的范围 从而防治冲击矿压发生［26］．此外由于水旱交接处 的护巷煤柱极不规则必然会使得一部分煤柱被压 碎或处于极限平衡状态在采动影响下极易失稳而 导致水采面的瓦斯涌入旱采面而发生瓦斯事故．因 此如果在该区段的水采采空区注浆一方面浆液中 的水对煤体渗透从而起到了煤层注水的作用另一 方面浆液当中的沉淀物将破碎煤体包裹起来而增加 了煤体的稳定性并且浆液沉淀物的堆积还对顶板 有一个支撑力减少了煤柱的受力增加了瓦斯向旱 采工作面渗透的难度． 因此水旱交界处护巷煤柱冲击矿压的防治技 术应采用注浆和注水相结合的分段治理方式即在 小煤柱的区段采用往水采采空区注浆在大煤柱的 地方则采用煤层注水的方式． 3 实例分析 孔庄矿7339工作面开采7＃煤层．该煤层厚平 均 4∙5 m煤 层 倾 角 平 均 25°采 深 —698∙1～ —778∙3m煤尘有强爆性自燃发火期为Ⅲ类．煤 层伪顶为黑色泥岩厚0∙7m；直接顶为深灰色砂质 泥岩厚度为2∙5m节理裂隙发育易冒落；老顶为 粉砂岩和中砂岩厚8∙0m．底板为灰黑色砂质泥 岩厚1∙4m；该工作面位于7337水采工作面下方 两工作面间煤柱呈不规则倒台阶状宽度为6～ 30m；工作面走向长度815m倾向长度136m见工 作面示意图3所示．采煤方法为走向长壁、轻型综 采放顶煤一次采全高采空区处理方法为全部垮 落法． 对该工作面危险性分析该工作面在回采时有 冲击矿压危险性较大．根据数值模拟计算煤柱为 14m 时应力集中程度最大单位煤体聚集的能量最 大煤体内裂纹最易发生不稳定扩展．为此决定在 不大于14m 煤柱处采用7337采空区注浆在大于 14m煤柱处煤层注水的防治措施． 从图4中可以看出2005年3月22日未采取 措施煤体电磁辐射幅值非常高说明煤体处于一个 较高应力状态煤体积储能量多煤体容易发生冲击 矿压（电磁辐射监测冲击矿压的机理见文献［6］）． 图5是采取措施后2005年4月28日中班测 量的电磁辐射规律．从图中可以看出电磁辐射的 幅值维持在一个较小的水平此时煤体变形已经处 于稳定低应力状态煤体的应力集中程度比较低这 第3期 姚精明等： 水旱交接处护巷煤柱冲击矿压控制 ·249·
.250 北京科技大学学报 第29卷 说明了2005年4月下旬的煤层注水、注浆效果非常显著 600 500 00 13.5 33.5 53.5 73.5 93.5113.5 133.5 153.5 173.5 1935 距上作面的距离m 图42005年3月22日7339工作面材料道电磁辐射规律 Fig.4 Electromagnetic law in the roadway of 7339 face on March 22,2005 400 300 100 53 63 738393103113 距⊥作面的距离/m 图52005年4月28日7339工作面材料道电磁辐射规律 Fig.5 Electromagnetic law in the roadway of 7339 face on April 28,2005 1994(1):28 4结论 [2]赵本均.冲击矿压及其防治.北京：煤炭工业出版社，1995 [3]何学秋，王恩元，聂百胜，等。煤岩流变电磁动力学.北京：科 (1)煤岩体内部存在Griffith缺陷，在受载过程 学出版社，2003 当中，这些缺陷会产生应力集中，煤岩体受载破坏 [4]Sih GC.Proceedings of an International Conference on Dynamic 是从裂纹扩展开始的，煤体的扩展是否稳定取决于 Crack Propagation.Noordhoff International Pub,1972 裂纹外界的加载系统，当最大主应力和最小主应力 [5]谢和平.岩石混凝土损伤力学.徐州：中国矿业大学出版社， 相差到一定程度时，煤岩体在受载时就会失稳扩展 1990 (2)当煤体的裂纹不稳定扩展，且单位煤体积 [6]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与应用.徐州：中国矿业 大学出版社，2001 储能量达到某一值时，冲击矿压就会发生 [7]Yao J M,Dou L M.The rock burst mechanism and the measure- (③)对于水旱交接处的护巷煤柱来说，夹持区 ment of controlling rock burst in coal mining roadway /2004 In- 积聚能量相对较多，该处煤体破坏失稳是煤柱发生 ternational Symposium on Safety Science and Technology(2004 冲击矿压的关键原因，增加卸载区的范围，可以增 ISSST).2004 加卸载区对夹持区的水平压力，降低夹持区的垂直 [8]陈炎光，陆士良·中国煤矿巷道围岩控制，徐州，中国矿业大 学出版社，1994 应力，从而促使夹持区裂纹稳定扩展，并且还降低了 [9]沈明荣，岩体力学.上海：同济大学出版社，2002 夹持区单位煤体积聚的弹性能 [10]钱鸣高，刘听成，矿山压力及其控制.北京：煤炭工业出版 (4)孔庄矿7339工作面材料道施行煤层注水 社，1998 和7337采空区注浆相结合、分段治理的措施，工程 [11]张永吉，李占德，秦伟瀚，等.煤层注水技术.北京：煤炭工业 实践证明该措施是有效的， 出版社，2000 参考文献 (下转第271页) [1】万祖岭，水早采瓦斯燥炸危险性对比，水力采煤与管道运输
说明了2005年4月下旬的煤层注水、注浆效果非常 显著． 图4 2005年3月22日7339工作面材料道电磁辐射规律 Fig．4 Electromagnetic law in the roadway of7339face on March222005 图5 2005年4月28日7339工作面材料道电磁辐射规律 Fig．5 Electromagnetic law in the roadway of7339face on April282005 4 结论 （1） 煤岩体内部存在 Griffith 缺陷在受载过程 当中这些缺陷会产生应力集中．煤岩体受载破坏 是从裂纹扩展开始的煤体的扩展是否稳定取决于 裂纹外界的加载系统当最大主应力和最小主应力 相差到一定程度时煤岩体在受载时就会失稳扩展． （2） 当煤体的裂纹不稳定扩展且单位煤体积 储能量达到某一值时冲击矿压就会发生． （3） 对于水旱交接处的护巷煤柱来说夹持区 积聚能量相对较多该处煤体破坏失稳是煤柱发生 冲击矿压的关键原因．增加卸载区的范围可以增 加卸载区对夹持区的水平压力降低夹持区的垂直 应力从而促使夹持区裂纹稳定扩展并且还降低了 夹持区单位煤体积聚的弹性能． （4） 孔庄矿7339工作面材料道施行煤层注水 和7337采空区注浆相结合、分段治理的措施工程 实践证明该措施是有效的． 参 考 文 献 ［1］ 万祖岭．水旱采瓦斯爆炸危险性对比．水力采煤与管道运输 1994（1）：28 ［2］ 赵本均．冲击矿压及其防治．北京：煤炭工业出版社1995 ［3］ 何学秋王恩元聂百胜等．煤岩流变电磁动力学．北京：科 学出版社2003 ［4］ Sih G C．Proceedings of an International Conference on Dynamic Crack Propagation．Noordhoff International Pub1972 ［5］ 谢和平．岩石混凝土损伤力学．徐州：中国矿业大学出版社 1990 ［6］ 窦林名何学秋．冲击矿压防治理论与应用．徐州：中国矿业 大学出版社2001 ［7］ Yao J MDou L M．The rock burst mechanism and the measurement of controlling rock burst in coal mining roadway∥2004International Symposium on Safety Science and Technology （2004 ISSST）2004 ［8］ 陈炎光陆士良．中国煤矿巷道围岩控制．徐州中国矿业大 学出版社1994 ［9］ 沈明荣．岩体力学．上海：同济大学出版社2002 ［10］ 钱鸣高刘听成．矿山压力及其控制．北京：煤炭工业出版 社1998 ［11］ 张永吉李占德秦伟瀚等．煤层注水技术．北京：煤炭工业 出版社2000 （下转第271页） ·250· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 徐志峰等：铁闪锌矿在硫酸浸出过程中的电化学行为 271. Electrochemical behavior of marmatite in sulfuric acid leaching XU Zhifeng2),QIU Dingfan,WANG Haibei 1)Faculty of Materials and Chemical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000.China 2)Metallurgy and Ecological Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy.Beijing 100044.China ABSTRACI In order to study the mechanism of the oxidative leaching of marmatite,the slurry of synthetic marmatite was selected as the research object.The electrochemical behavior of marmatite in sulfuric acid leach- ing was investigated by the three-electrode method.The experimental results proved the intermediate product of H2S in the leaching of marmatite.The results also showed that oxygen,element sulfur disperser as well as chlo- ride ions could accelerate the electrochemical oxidation of marmatite in sulfuric acid.The electrochemical oxida- tion of sphalerite was retarded but that of marmatite was promoted with the increase of acidity.Marmatite was much easier to be oxidized through electrochemistry than sphalerite.The electrochemical oxidation of marmatite should not be neglected in the sulfuric acid leaching. KEY WORDS marmatite:sulfuric acid;oxidation;leaching:electrochemical behavior (上接第250页) Controlling of rock burst in chain pillars between hydraulic mining face and drying mining face YAO Jingming,HE Fulian),DOU Linming2),ZHANG Lei),LIU Haitao,LI Zhe) 1)Key Laboratory for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Chinese Ministry of Education,University of Science and Technology Bei- jing.Beijing 100083.China 2)Institute of Ming and Safety Engineering.China University of Mining and Technology.Xuhou 221008.China ABSTRACI Rock burst was easily happened at chain pillars between hydraulic mining face and drying mining face.According to the mechanism analysis of rock burst,the cracks in the loaded coal mass under the condition of high-energy unstable development would lead to rock burst happening,and would bring forward controlling principle of rock burst that impel crack in coal mass to develop stably and decease energy storied in unit coal mass by lengthening the unloaded area,for controlling of the rock burst at chain pillar between hydraulic mining face and drying mining face.Under this condition,the preventive measure was increasing the porosity of coal mass and deceasing the circulating channels of gas and air.Based on the principle,the preventive scheme was put for- ward by stage and combining water infusion with grouting.Project practice proved that the scheme was effec- tive. KEY WORDS rock burst;instability;chain pillar;water infusion in coal seams
Electrochemical behavior of marmatite in sulfuric acid leaching XU Zhifeng 12）QIU Dingf an 3）WA NG Haibei 3） 1） Faculty of Materials and Chemical EngineeringJiangxi University of Science and TechnologyGanzhou341000China 2） Metallurgy and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 3） Beijing General Research Institute of Mining and MetallurgyBeijing100044China ABSTRACT In order to study the mechanism of the oxidative leaching of marmatitethe slurry of synthetic marmatite was selected as the research object．The electrochemical behavior of marmatite in sulfuric acid leaching was investigated by the three-electrode method．The experimental results proved the intermediate product of H2S in the leaching of marmatite．The results also showed that oxygenelement sulfur disperser as well as chloride ions could accelerate the electrochemical oxidation of marmatite in sulfuric acid．The electrochemical oxidation of sphalerite was retarded but that of marmatite was promoted with the increase of acidity．Marmatite was much easier to be oxidized through electrochemistry than sphalerite．The electrochemical oxidation of marmatite should not be neglected in the sulfuric acid leaching． KEY WORDS marmatite；sulfuric acid；oxidation；leaching；electrochemical behavior （上接第250页） Controlling of rock burst in chain pillars between hydraulic mining face and drying mining face Y AO Jingming 1）HE Fulian 1）DOU L inming 2）ZHA NG Lei 1）LIU Haitao 1）LI Zhe 1） 1） Key Laboratory for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Chinese Ministry of EducationUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Institute of Ming and Safety EngineeringChina University of Mining and TechnologyXuzhou221008China ABSTRACT Rock burst was easily happened at chain pillars between hydraulic mining face and drying mining face．According to the mechanism analysis of rock burstthe cracks in the loaded coal mass under the condition of high-energy unstable development would lead to rock burst happeningand would bring forward controlling principle of rock burst that impel crack in coal mass to develop stably and decease energy storied in unit coal mass by lengthening the unloaded areafor controlling of the rock burst at chain pillar between hydraulic mining face and drying mining face．Under this conditionthe preventive measure was increasing the porosity of coal mass and deceasing the circulating channels of gas and air．Based on the principlethe preventive scheme was put forward by stage and combining water infusion with grouting．Project practice proved that the scheme was effective． KEY WORDS rock burst；instability；chain pillar；water infusion in coal seams 第3期 徐志峰等： 铁闪锌矿在硫酸浸出过程中的电化学行为 ·271·