淺析礦壓理論在深部開采巷道支護(hù)中的應(yīng)用

彭余生

（開灤能源化工股份呂家坨礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063107）

淺析礦壓理論在深部開采巷道支護(hù)中的應(yīng)用

彭余生

（開灤能源化工股份呂家坨礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063107）

依據(jù)應(yīng)力重新分布理論，簡要分析了采動應(yīng)力場調(diào)整的空間和時間特性，通過經(jīng)典案例分析和經(jīng)驗總結(jié)，闡述公司在解決深部礦井巷道支護(hù)的做法和效果。

礦壓理論 空間三帶 時空特性 總結(jié)應(yīng)用

隨著呂家坨礦業(yè)分公司井下煤炭開采強度和開采深度的不斷加大，原巖地應(yīng)力也在不斷增大，地壓問題越來越突出，特別是全面實現(xiàn)水旱轉(zhuǎn)型期間，對巷道斷面的要求越來越大，如何加強支護(hù)已經(jīng)成為安全生產(chǎn)環(huán)境、設(shè)備運行環(huán)境和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化等方面亟待解決的主要問題之一。

1 應(yīng)力場重新調(diào)整的空間特性和時間特性

由于煤系地層是一個連續(xù)實體，進(jìn)行采掘工程導(dǎo)致應(yīng)力場重新分布可以通過實體之間的接觸相互傳導(dǎo)。開始上覆煤層工作面開采后形成的應(yīng)力場會傳導(dǎo)到該煤層底板一直傳導(dǎo)到下覆的各個煤層。理想狀態(tài)下單一煤層的應(yīng)力向底板傳導(dǎo)情況見圖1。

從圖1中看到：煤柱下方應(yīng)力值明顯大于回采工作面采空區(qū)的下方應(yīng)力值，非常明顯的看出了增壓區(qū)和減壓區(qū)向底板進(jìn)而向下覆煤層的傳遞。

相應(yīng)的本煤層工作面開采后形成的應(yīng)力場同樣也向上覆煤層傳導(dǎo)，工作面開采后，應(yīng)力場的空間分布和調(diào)整是三維的、立體的。應(yīng)力場調(diào)整后空間分布情況見圖2。

圖1 單一煤層的應(yīng)力向底板傳導(dǎo)情況

從圖2中可以明顯的看出應(yīng)力場重新調(diào)整的空間特性：工作面開采后，以回采工作面為中心形成一個斷面近似“鐘”形的立體減壓空間，對上覆區(qū)域和下覆區(qū)域起到一定的卸壓作用；在立體減壓空間以外則為立體增壓空間；對頂板的影響偏小而對底板的影響范圍偏大；應(yīng)力場中應(yīng)力最小的位置是實體煤與采空區(qū)的交界處附近。

圖2 應(yīng)力場調(diào)整后空間分布情況圖

應(yīng)力場的重新分布不僅具有空間特性，而且存在明顯的時間特性。通常從應(yīng)力場開始重新調(diào)整到發(fā)生圍巖斷裂變形、引起強烈的礦壓顯現(xiàn)是有一段時間的，這是第一次應(yīng)力場重新調(diào)整的過程；當(dāng)圍巖發(fā)生斷裂變形本身基本失去抵抗作用后，應(yīng)力場將會進(jìn)行第二次重新調(diào)整，如此循環(huán)，最終達(dá)到應(yīng)力場的平衡狀態(tài)。即應(yīng)力場的調(diào)整具有一定的時間周期。如該公司6171下工作面兩巷，基本上都是在巷道掘進(jìn)3個月左右的時間后，巷道開始全面來壓的。其實是從兩巷開始掘進(jìn)的那一刻就已經(jīng)開始了應(yīng)力場的重新調(diào)整了，經(jīng)過3個月左右的時間圍巖開始進(jìn)行斷裂變形進(jìn)而開始礦壓顯現(xiàn)的過程。

在回采工作面的推進(jìn)過程中，這種應(yīng)力場重新調(diào)整的時間特性也是非常明顯的。比如5475工作面開采后30天左右的時間大巷才有初步壓力顯現(xiàn)。

應(yīng)力場重新調(diào)整的時空特性是客觀存在的，認(rèn)真、細(xì)致地研究它的時空特性、合理應(yīng)用時空特性將會很好地指導(dǎo)我們的具體工作，往往達(dá)到事半功倍的出奇效果。

2 主動讓壓支護(hù)理論在采掘巷道支護(hù)中的應(yīng)用分析

合理理解和運用應(yīng)力場重新調(diào)整時空特性，對井下采掘工程將會有相當(dāng)大的影響，特別是公司當(dāng)前開采深度已經(jīng)到－950m的情況更顯得重要?！凹訌娭ёo(hù)、保證安全生產(chǎn)所需的工作空間”是井工開采礦井中的永恒主題，如何加強支護(hù)有許多方法。從應(yīng)力場重新調(diào)整時空特性的角度分析加強巷道支護(hù)有如下幾種方法。

2.1 抵抗應(yīng)力（抗壓）

基本原理是提高支架本身的支撐能力或增加支護(hù)密度，用強化支護(hù)的手段去抑制或減少圍巖移動，增強巷道抗變形能力以對付礦壓的作用?；敬胧┦窃龃笮弯撝亓?，提高支架承載能力，增加支護(hù)密度。優(yōu)點是巷道布置地點及掘巷時間可不受限制，缺點是要消耗大量支護(hù)材料，支護(hù)勞動量大，開采費用大幅度提高。

5323運輸巷采用密集木柱來加強巷道的支護(hù)強度，支架型鋼從25U變成29U就屬于這種類型。

2.2 忍讓應(yīng)力（讓壓）

基本原理是在采用適當(dāng)支護(hù)措施和保持支架本身不遭受嚴(yán)重?fù)p壞的前提下，容忍圍巖產(chǎn)生一定變形，以釋放掉一些能量（也稱應(yīng)力釋放）。基本措施是采用有一定工作阻力的大可縮量支架為巷道受壓收縮預(yù)留備用斷面容忍巷道底臌，然后進(jìn)行臥底。優(yōu)缺點是可在一定程度上利用圍巖自承力，減輕支架受載，對生產(chǎn)極為有利，但會增加支架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性或多支出掘進(jìn)和臥底費用。

2.3 躲避應(yīng)力（躲壓）

基本原理是將巷道布置在應(yīng)力經(jīng)重新分布后巖體已處于卸載狀態(tài)的天然低應(yīng)力區(qū)，從時間上或空間上躲開高應(yīng)力的作用?；敬胧┦窃诿后w邊緣或煤體下方的低壓區(qū)內(nèi)布置巷道，錯過高壓作用的時間，等壓力充分穩(wěn)定后再掘巷。優(yōu)缺點是可在不同程度上減輕巷道受壓，有利于支護(hù)工作，但有時要多開一些輔助巷道（如聯(lián)絡(luò)眼等），或要求延遲掘進(jìn)時間。如6172上工作面的成功回采、5377工作面8＃煤層運輸中間眼采空區(qū)下掘進(jìn)、5484工作面兩巷布置在7＃煤層采空區(qū)下方，都利用躲避應(yīng)力的原理。

2.4 轉(zhuǎn)移應(yīng)力（移壓）

基本原理是通過人為方法使巷道圍巖受到松動，形成卸載槽孔或其他形式的卸載空間，迫使載荷轉(zhuǎn)移到離巷道較遠(yuǎn)的地點，達(dá)到減輕巷道受壓的目的?；敬胧┦窃谙飵突虻装逯行纬尚遁d槽孔掘進(jìn)或在巷旁故意留出卸載空間。優(yōu)缺點是巷道布置地點及掘進(jìn)時間可不受限制，但要增加與采用卸壓措施有關(guān)的額外費用。如在5323運輸巷掘進(jìn)處理煤體瓦斯問題時，采用了人為調(diào)整應(yīng)力、轉(zhuǎn)移應(yīng)力的大直徑超前鉆孔的方法，在控制瓦斯上取得了較好的效果。

2.5 甩掉應(yīng)力（甩壓）

基本原理是利用應(yīng)力場重新調(diào)整的時間特性原理，在圍巖還沒有發(fā)生斷裂變形之前，就離開這個區(qū)域。與放炮過程不能引起瓦斯爆炸的原理相同，在尚未點燃瓦斯之前，放炮過程已經(jīng)結(jié)束一樣?；敬胧┦翘岣咚俣群捅ＷC質(zhì)量。優(yōu)缺點是可以很好的控制應(yīng)力，但是對隊伍、管理要求非常高。

公司6172上工作面的回采過程非常明顯地體現(xiàn)出了甩壓的原理。

3 經(jīng)典案例分析

3.1 6172上工作面的開采

3.1.1 工作面情況簡述

6172上工作面三面屬于孤島煤柱、高應(yīng)力區(qū)域，與之相鄰的5370工作面于2000年回采完畢，6172工作面于2003年回采完畢，6171工作面于2002年回采完畢。

設(shè)計走向360 m，工作面傾斜長度90 m，煤層厚度3.5 m，實際回采厚度在2.5 m左右。煤層傾角13～14°。工作面內(nèi)部除存在部分?jǐn)鄬油膺€有6條5370工作面的廢棄巷道（廢棄巷道合計全長397 m）縱橫交錯占據(jù)了該工作面50%的區(qū)域。廢棄巷道中大部分的支架沒有回收。

6172上工作面于2005年10月份開始回采到2006年2月份基本結(jié)束。在回采的過程中運輸巷壓力很小，屬于免維護(hù)巷道；軌道巷壓力較大，但仍然可以控制在允許的范圍之內(nèi)。

3.1.2 獲得成功的因素分析

（1）運輸巷位置。

選定在應(yīng)力場中壓力較小的位置，達(dá)到了躲壓的效果，基本消除了在采掘工作過程中的巷道維護(hù)工作。

根據(jù)應(yīng)力場空間特性理論：應(yīng)力場中應(yīng)力最小的位置是實體煤與采空區(qū)的交屆處附近，同時考慮到通風(fēng)和掘進(jìn)的要求，將該工作面運輸巷位置確定在與6172工作面采空區(qū)相距2 m的位置，通過實際情況看，在掘進(jìn)和回采過程中基本沒有壓力顯現(xiàn)。為安全生產(chǎn)、設(shè)備運行提供了必要的空間。

（2）軌道巷位置。

布置在了應(yīng)力較大的位置，運用忍讓應(yīng)力的方法使巷道的維護(hù)獲得了成功。

由于6172上工作面上部的5370工作面煤柱呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，不可能將軌道巷布置在完全躲避應(yīng)力的位置，因此采用了里半部躲避應(yīng)力和外半部忍讓應(yīng)力的方法選擇軌道巷的位置，使采掘過程中巷道維護(hù)工作達(dá)到最小的狀態(tài)，在實際回采的過程中，通過對軌道巷外半部局部臥底的方式，較好地解決了巷道維護(hù)問題，達(dá)到了安全生產(chǎn)必須的斷面條件。

（3）效果。

按照應(yīng)力場調(diào)整的時間特性可知：如果推采速度超過應(yīng)力場調(diào)整后礦壓的顯現(xiàn)速度，也就是說當(dāng)圍巖還沒有發(fā)生斷裂變形時，就完成推采過程是可以將壓力顯現(xiàn)過程甩在后面的；從巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖€上來講，就是在峰前區(qū)區(qū)間內(nèi)完成推采工作，就可以很理想地解決由于巷道壓力顯現(xiàn)、采面壓力顯現(xiàn)造成難于維護(hù)或維護(hù)費用增大的問題。

6172上工作面在推采的過程中，推采速度比較快，保證了在圍巖發(fā)生斷裂變形之前完成回采－移架－放頂過程，也就是說將圍巖的斷裂變形過程放到了采空區(qū)里面，達(dá)到了甩壓的作用和效果。

3.1.3 影響6172上工作面推采速度的因素

工作面設(shè)計時，利用了應(yīng)力場調(diào)整的時空特性，在運輸巷位置選擇和優(yōu)化的過程時，采用了躲壓的方法將其布置在應(yīng)力最小的空間位置，基本避免了回采過程中巷道維修；軌道巷位置選擇時，采用了躲壓和忍壓相結(jié)合的方法，將其布置在應(yīng)力相對較小的位置，減小了回采過程中的巷道維修量；工作面傾斜長度比較小，只有90 m，每割一刀煤所占用的時間較短。

在生產(chǎn)組織過程中，加強現(xiàn)場管理，保證了正規(guī)循環(huán)和必要推進(jìn)速度。

3.2 5377工作面的開采

3.2.1 工作面情況簡述

5377工作面位于－800 m三采區(qū)域，上部是5373水采工作面采空區(qū)和5375旱采工作面采空區(qū)，煤柱呈現(xiàn)不規(guī)則的狀態(tài)分布；下部是6171工作面采空區(qū)，煤柱呈現(xiàn)規(guī)則狀態(tài)分布。

該工作面設(shè)計走向長度為1200 m，傾斜工作面長度60 m，煤層厚度為3.5～4.5 m，煤層傾角13°左右。實際工作面走向長度只掘進(jìn)了880 m，傾斜長度60 m。

3.2.2 開采效果不理想的因素分析

工作面兩巷的位置選擇中，沒有很好地考慮應(yīng)力場調(diào)整的時空特性，導(dǎo)致兩巷在掘進(jìn)的過程中壓力顯現(xiàn)強烈、變形嚴(yán)重，無法正常掘進(jìn)，被迫提前開切眼回采。

（1）運輸巷位置分析。

運輸巷下部是6171工作面采空區(qū)，屬于規(guī)則煤柱，按照應(yīng)力場調(diào)整時空特性應(yīng)力最小的部位應(yīng)該是煤柱的邊緣部位，一般在2～3 m的煤柱范圍內(nèi)是壓力較小的空間。而運輸巷的實際位置是6 m以里的位置，這個位置正好是應(yīng)力較大的位置。

如果運輸巷的位置也和6172上工作面一樣，留設(shè)2 m小煤柱或者更小的小煤柱，運輸巷可能就是另外的一種情景了。后來掘進(jìn)的8＃煤層運煤中間眼的實踐佐證了這種推論和假設(shè)。

（2）軌道巷位置分析。

軌道巷上部是5373水采工作面采空區(qū)和5375旱采工作面采空區(qū)，煤柱呈現(xiàn)不規(guī)則的狀態(tài)分布，軌道巷設(shè)計位置與采空區(qū)最近的煤柱是4 m，而其余80%煤柱都在8 m以上。這個位置正好是在應(yīng)力場調(diào)整過程中壓力最大的區(qū)域。后來在掘進(jìn)和回采的過程中，盡管采取強度較大的忍壓措施——擴(kuò)幫和臥底，但是由于工作面走向長度較大、推采速度較慢，也很難改變被動局面。

（3）按照應(yīng)力場調(diào)整時空特性理論推想。

該工作面頂板屬中砂巖，構(gòu)造簡單，如果在選擇軌道巷、運輸巷空間位置時考慮應(yīng)力場調(diào)整時空特性，和6172上工作面一樣盡量將兩巷布置在減壓帶范圍內(nèi)的話，5377工作面將會給公司的生產(chǎn)和安全工作帶來與之相反的好效果。

4 結(jié)論

通過對呂家坨礦業(yè)分公司5年多在巷道支護(hù)方面的實踐分析，深入研究應(yīng)力場調(diào)整的時空特性并將其和生產(chǎn)工藝過程緊密地結(jié)合起來，用理論指導(dǎo)實踐。按照應(yīng)力場調(diào)整的時空特性規(guī)律，在抗壓、躲壓、忍壓、移壓和甩壓這5種方法中，抗壓屬于“硬”的范圍，在井下有些地點就必須采用抗壓的方式來解決支護(hù)問題，它是“巧”的基礎(chǔ)；其余4種均屬于“巧”的范疇，“巧”只有在“硬”的基礎(chǔ)上才能獲得更好的效果。宜硬則硬，宜巧則巧，因地制宜，將“硬”和“巧”有機的結(jié)合起來，是解決深部開采巷道維護(hù)的根本途徑。

從2005年到現(xiàn)在，利用礦壓的原理和理論支護(hù)方式，解決了深部開采巷道的維護(hù)問題，取得了非常理想的實際效果：

（1）根據(jù)抗壓的原理，逐步研究合理的支護(hù)參數(shù)，提高支護(hù)系統(tǒng)的抗壓效果。對公司金屬拱型支架的型鋼進(jìn)行了升級，從過去的25U提高到29U，解決了架棚巷道的支護(hù)強度；錨注技術(shù)的引進(jìn)解決了永久巷道的支護(hù)問題，5年來公司利用錨注技術(shù)解決永久巷道2500 m；在煤巷局部高應(yīng)力地段引進(jìn)與嘗試使用注漿錨索技術(shù)解決采準(zhǔn)巷道800 m。

（2）根據(jù)躲壓的原理，在有條件的地點繼續(xù)布置小煤柱沿空掘巷。使用小煤柱沿空掘巷技術(shù)13430 m，節(jié)省巷道維護(hù)費用6715萬元，多回收煤炭資源53.43萬t，節(jié)省資源費801.45萬元，增加銷售收入39438.82萬元。

（3）根據(jù)讓壓原理，在不能布置小煤柱沿空掘巷的地點通過臥底等方式維持必要的安全和生產(chǎn)所需斷面及空間。

（4）根據(jù)甩壓的原理，結(jié)合當(dāng)前公司回采隊伍的素質(zhì)和地質(zhì)條件，分析、研究和總結(jié)合理的工作面面長，確保工作面的推進(jìn)速度的合理性。經(jīng)過幾年的水旱轉(zhuǎn)型、設(shè)備升級，提高了工作面的推采速度，保證了在峰前區(qū)完成回采的工作。

（5）根據(jù)移壓的原理，逐步研究和試驗改變局部應(yīng)力場的臨時應(yīng)急措施。如掘進(jìn)減壓巷或保留巷道達(dá)到減壓作用等。同時公司也正在嘗試在巷道壓力較大的地點采用深孔放炮技術(shù)，解決巷道壓力問題的新方法。

［1］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及控制［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1994

［2］ 閆立章.用相似模擬物理模型研究礦山壓力［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009（4）

［3］ 編委會.煤礦礦井支護(hù)與防冒頂綜合技術(shù)手冊［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009

［4］ 倪興華.地應(yīng)力研究與應(yīng)用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

Analysis on application of strata pressure theory to roadway supporting during deep mining

Peng Yusheng
（Lvjiatuo Mining Company，Kailuan Energy Chemical Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei，063107，China）

The roadway supporting ways were analyzed by using spatial three-zone theory and stress－redistribution theory，which are based on strata pressure theory.The roadway supporting problems during deep mining were solved by using new permanent roadway control measures on the new position in the roadway.The detailed measures and final effects of roadway supporting during deep mining were described via analysis of classical cases executed in the company and corresponding experience.

strata pressure theory，spatial three zones，space-time characteristics，summary and application

TD31

B

彭余生（1970－），男，高級工程師，1993年7月畢業(yè)于河北煤礦學(xué)院地下采煤專業(yè)，現(xiàn)任開灤能源化工股份呂家坨礦業(yè)分公司經(jīng)理。

（責(zé)任編輯 張艷華）