采場(chǎng)礦壓與礦壓顯現(xiàn)的理論研究

郭 偉

采場(chǎng)礦壓與礦壓顯現(xiàn)的理論研究

郭 偉

(晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 晉城 046605)

總結(jié)了礦壓相關(guān)理論與知識(shí)，并對(duì)采場(chǎng)礦壓的一般規(guī)律進(jìn)行了研究。研究的內(nèi)容主要是礦壓的基本概念、礦壓的來(lái)源，其中包括上覆巖層的重力與巖體膨脹應(yīng)力、礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律，綜述了老頂?shù)某醮蝸?lái)壓、采場(chǎng)的周期來(lái)壓與頂板壓力的估算、礦壓顯現(xiàn)的基本規(guī)律以及影響礦壓的主要影響因素，其中包括采高與控頂距、工作面推進(jìn)速度。

礦山壓力;礦壓顯現(xiàn);影響因素

巖體在受到礦山開(kāi)采活動(dòng)影響之前，原巖應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。巷道掘進(jìn)或進(jìn)行礦山開(kāi)采時(shí)，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，從而導(dǎo)致巖體的內(nèi)部應(yīng)力重新分布，直到平衡狀態(tài)形成［1］。由于受到采礦作業(yè)的影響，在巷道及其周?chē)膸r體所形成的力和作用在巷道支護(hù)物上的力統(tǒng)稱為礦山壓力。巷道在礦壓的作用下會(huì)導(dǎo)致各種力學(xué)變化，使巷硐周?chē)鷰r體和支護(hù)物產(chǎn)生種種力學(xué)現(xiàn)象，稱之為礦山壓力顯現(xiàn)。

1 引起礦山壓力的因素

1.1 上覆巖層的重力

1) 垂直應(yīng)力：σz=γZ式中：

σz—垂直應(yīng)力，單位立方體上覆巖層的重力，kN/m2;

Z—該點(diǎn)的垂深，m;

γ—上覆巖層的容重，kN/m3。

2)水平應(yīng)力：σx=σy

即：σx=σy=μ/(1－μσz)=λγZ式中：

σz、σy—水平應(yīng)力;

μ—巖石的泊松比;

λ—原巖體的側(cè)壓力系數(shù)。

1.2 巖體膨脹應(yīng)力

式中：

σT—由于溫度的升高而導(dǎo)致巖石的膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力;

β—巖體的線膨脹系數(shù);

α—巖體的溫升梯度;

Z—垂直深度，m;

E—巖體的彈性模量。

2 礦山壓力顯現(xiàn)

工作面中的煤及其巖層隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，應(yīng)力將重新分布。在采動(dòng)的邊界部位將會(huì)承受著比較高的應(yīng)力作用，煤及巖體受力狀況會(huì)發(fā)生明顯的改變［2］。當(dāng)承受的壓力值并沒(méi)有超出極限強(qiáng)度時(shí)，圍巖將會(huì)處于比較穩(wěn)定狀態(tài);而采動(dòng)邊界部位的煤及巖體所承受的壓力超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生煤及巖體的破壞和頂板下沉等礦山壓力現(xiàn)象。煤及巖層在開(kāi)采后，由于礦壓作用而表現(xiàn)出來(lái)的支架變形、圍巖產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象，稱之為礦山壓力顯現(xiàn)。

3 礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律

3.1 概 述

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，回采工作面常有一系列礦山壓力現(xiàn)象，并且習(xí)慣上用這些現(xiàn)象作為衡量礦山壓力程度顯現(xiàn)的指標(biāo)。一般指煤壁到采空區(qū)邊緣裸露的頂?shù)装逑鄬?duì)的移近量。隨著工作面的推進(jìn)，頂?shù)装逄幱诓粩嘁苿?dòng)的狀態(tài)［3］。

3.2 老頂?shù)某醮蝸?lái)壓

當(dāng)老頂懸露達(dá)到極限跨距時(shí)，老頂斷裂形成三鉸拱式的平衡，同時(shí)發(fā)生已破斷的巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，可能伴隨滑落失穩(wěn)，如圖1所示，從而導(dǎo)致工作面頂板的急劇下沉。

圖1 老頂斷裂成巖塊后的轉(zhuǎn)動(dòng)

3.3 采場(chǎng)的周期來(lái)壓

周期來(lái)壓的表現(xiàn)形式有頂板的快速下沉，頂板的下沉量增大;支柱所受載荷增加，還會(huì)引起煤壁片幫、頂板發(fā)生臺(tái)階下沉等現(xiàn)象。晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)九層一區(qū)段工作面周期來(lái)壓時(shí)的特征，見(jiàn)表1。

表1 頂板周期來(lái)壓特征表

當(dāng)上覆巖層存在多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，對(duì)采場(chǎng)來(lái)壓產(chǎn)生影響的可能不只是鄰近煤層的第一層堅(jiān)硬巖層，破斷后會(huì)影響采場(chǎng)來(lái)壓顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致采場(chǎng)周期來(lái)壓步距并不是每次都相等［4］。

3.4 頂板壓力的估算

工作面支架受力情況可簡(jiǎn)化，一個(gè)是直接頂?shù)妮d荷，第二個(gè)是老頂通過(guò)直接頂作用于支架的載荷。

1)直接頂載荷Q1。

式中：

∑h—直接頂厚;

L1—懸頂距;

γ—體積力。

2)老頂?shù)妮d荷Q2。

a)以直接頂載荷的倍數(shù)估算。

式中：

n—老頂來(lái)壓與平時(shí)壓力強(qiáng)度的比值，稱為增載系數(shù)，取2。

式中：

M—采高;

Kp—碎脹系數(shù)。

b)用控制老頂變形失穩(wěn)的位移量來(lái)計(jì)算。

式中：

△h0—實(shí)測(cè)所得回采工作面頂板下沉量;

△hi—要求控制的回采工作面頂板下沉量;

K0—頂板下沉量為△h0時(shí)，老頂巖梁在控頂距范圍內(nèi)的作用力。

上述各種估算法，各有其試用條件，所以不同的情況可以選用不同的估算法。

4 影響礦山壓力顯現(xiàn)的因素

4.1 采高與控頂距

影響上覆巖層破壞狀況的重要因素之一就是采高。隨著工作面的開(kāi)采，上覆巖層移動(dòng)的規(guī)律可用曲線表示，曲線是按照Sx=Sm(1－e－axb)的關(guān)系變化。而曲線的性質(zhì)不會(huì)隨著工作面中的支架的支撐能力的變化而改變［5］。這種關(guān)系表示見(jiàn)圖2。

圖2 覆巖層移動(dòng)與工作面空間頂板下沉的關(guān)系

圖中，?為煤壁支撐區(qū)的影響角。其關(guān)系為：

令 S0=0，∑h=m/(Kp－1)

式中：

L0—移動(dòng)曲線中最大曲率點(diǎn)的距離;

L—控頂距;

S0、SL—L0、L范圍內(nèi)的巖層與頂板的下沉量。

由此可知，回采工作面頂板下沉量大小與控頂距和采高的大小成正比。

4.2 工作面推進(jìn)速度

工作面的推進(jìn)速度對(duì)頂板下沉量的影響，也可用頂板下沉量s與時(shí)間t的坐標(biāo)關(guān)系表示。從一般的分析可知，因?yàn)橹瘟?duì)煤壁的壓裂過(guò)程以及在采空區(qū)的壓實(shí)過(guò)程，均為時(shí)間過(guò)程;并且上覆巖層破斷后，巖塊間的相互咬合也經(jīng)常要經(jīng)歷失穩(wěn)階段以及極限平衡狀態(tài)［6］。因此，反映在工作面，頂板下沉也是一個(gè)時(shí)間過(guò)程。一般在工作面測(cè)定的“s－t”曲線見(jiàn)圖3。

在工作面中進(jìn)行落煤與放頂時(shí)，頂板下沉表現(xiàn)最為劇烈，平時(shí)則比較緩和。

圖3 工作面實(shí)際測(cè)定“s－t”曲線

5 結(jié)語(yǔ)

在大多數(shù)情況下，礦山壓力和礦山壓力顯現(xiàn)對(duì)地下開(kāi)采工作造成一定的危害。為了不影響地下開(kāi)采工作有序正常的進(jìn)行，保障安全生產(chǎn)，一定要運(yùn)用各種有效的措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在安全的范圍內(nèi)，然而對(duì)于那些有利于地下礦山開(kāi)采的礦山壓力顯現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)合理的利用。

［1］ 錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：45－50.

［2］ 宋占國(guó).煤礦采場(chǎng)礦壓的一般規(guī)律理論研究［J］.煤炭技術(shù)，2009，28(2)：59－62.

［3］ 劉長(zhǎng)友，錢(qián)鳴高，曹勝根，等.采場(chǎng)支架阻力與頂板下沉量關(guān)系的研究［J］.礦山壓力與頂板管理，1997(3－4)：13－15.

［4］ 鄒喜正，李華祥.構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道布置影響的理論分析［J］.煤炭設(shè)計(jì)，1998(11)：17－19.

［5］ 錢(qián)鳴高，繆協(xié)興，何富連.采場(chǎng)”砌體梁”結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1994(6)：557－563.

［6］ 許家林，錢(qián)鳴高.巖層采動(dòng)裂隙分布在綠色開(kāi)采中的應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，2(33)：141－144，149.

The Theory Study of Stope Rock Pressure and Pressure Behavior

Guo Wei

This article summarizes the theory and knowledge of mining pressure and studies the general rules on stope rock pressure.The main content of the study is the basic concepts of rock pressure，rock pressure source，including the gravity and rock inflation stress of overlying strata，the general rule of the pressure behavior，reviews first weighting of the main roof，the periodic weighting of stope and the estimation of roof pressure，the basic rule of rock pressure behavior and mine influence factors of rock pressure，including mining height，roof control distance and the advancing speed of mining face.

Mine rock pressure;Mine rock pressure behavior;Factors

TD326

A

1672－0652(2012)02－0026－03

2011－12－28

郭 偉(1984—)，男，山西高平人，2006年畢業(yè)于山西省煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，主要從事煤礦開(kāi)采技術(shù)管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com