基于礦開采的地應(yīng)力特點及應(yīng)用分析

申 昭

（太原理工大學(xué) 研究生院，山西 太原 048205）

1 礦井地應(yīng)力的概念介紹及成因分析

原巖應(yīng)力是一種天然應(yīng)力， 它存在于地層中未受工程施工影響的地方，它主要是由地球的各種運動而形成。 在地下施工進行巷道挖掘時，巷道所在處以及附近的原始地應(yīng)力會受到影響，在巷道的圍巖中產(chǎn)生新的應(yīng)力，這種應(yīng)力叫做次生應(yīng)力。采礦工程通過實踐，總結(jié)出巖石受原巖應(yīng)力和次生應(yīng)力兩種地應(yīng)力的影響，通常在礦井巷道圍巖所受的礦壓由巖石的力學(xué)特性以及所處的地應(yīng)力場決定。

隨著時代的發(fā)展和采礦業(yè)的需求， 采礦工程逐漸對地應(yīng)力的研究進行重視，并且能夠清醒的認識地應(yīng)力研究及應(yīng)用對礦開采的作用。 采礦工程經(jīng)過相關(guān)研究已經(jīng)了解礦井巷道的應(yīng)力分布與挖掘前巖體的地應(yīng)力場有關(guān)，并且通過對地應(yīng)力場的了解還能夠了解相關(guān)的支護要求，做好礦開采的準備。

2 原巖應(yīng)力分布特征以及對開采的影響

就目前采礦工程的技術(shù)而言， 原位測量是最可靠的測力方法， 它能夠根據(jù)工程所需的不同測取不同深度的原巖應(yīng)力。相比較原巖測量，地應(yīng)力實測的方法要多很多，一般常用的有三類，分別是應(yīng)力解除法、水壓致裂法以及應(yīng)力恢復(fù)法。 這三種方法分別應(yīng)用于不同的情況，并且具有不同的特點和優(yōu)勢。 鉆孔應(yīng)力解除法與其他方法相比具有測量準確性高、 施工難度低、應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使得該方法成為礦井原巖應(yīng)力實測的優(yōu)選方法。 應(yīng)力解除法對于開采煤礦而言，能夠適用于開拓巷道、采準硐室，通過測量還能夠提供精準可靠的原巖應(yīng)力數(shù)據(jù)，并且可以減少經(jīng)濟投入，該方法是眾多測量方法中在經(jīng)濟上最合理的。

從以往原巖應(yīng)力實測的經(jīng)驗和結(jié)果可以總結(jié)出礦井原巖應(yīng)力的基本特點以及分布規(guī)律。 第一，垂直應(yīng)力受深度的影響，埋深增加垂直應(yīng)力也增加，通過實測可以驗證垂直應(yīng)力和自重應(yīng)力公式計算的結(jié)果基本一致。 第二，最大水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，甚至在某些特殊情況下，最小水平應(yīng)力也能大于垂直應(yīng)力。 第三，水平應(yīng)力也受埋深的影響，埋深增加水平應(yīng)力也增加。 最后，最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力差值較大，這樣的特性使得水平應(yīng)力具有方向性的特征。

在巷道的挖掘中， 最大水平主應(yīng)力角度不同將會影響到應(yīng)力集中的程度，巷道狀況也會表現(xiàn)出差別。 巷道挖掘方向平行于最大水平主應(yīng)力的方向時， 巷道受水平應(yīng)力的影響最小，這樣的情況有利于頂?shù)装鍖崿F(xiàn)穩(wěn)定牢固。 巷道挖掘方向與最大水平主應(yīng)力垂直時，巷道所受水平壓力的影響最大，這樣的情況對頂?shù)装宥韵喈敳焕菀字率鬼數(shù)装宀环€(wěn)定，從而存在安全隱患。 當巷道挖掘方向與最大水平主應(yīng)力有角度斜交時，巷道將會出現(xiàn)一側(cè)應(yīng)力集中、一側(cè)應(yīng)力釋放的情況，并且容易致使頂?shù)装迤蛳锏赖囊粋?cè)或者變形損毀。

3 礦井次生應(yīng)力分布特征及實測注意點

在礦開采中，除了原巖應(yīng)力作用在圍巖上以外，還有采掘活動產(chǎn)生的次生力對其具有影響， 該情況只出現(xiàn)于煤礦開采中，其他巖土工程不具備這樣的特點。 因此，要進行礦開采活動，除了需要對原巖應(yīng)力進行研究和實測以外，還需要對次生力進行相應(yīng)的研究， 對影響開采范圍內(nèi)的次生力進行實測，從而全面了解開采過程中的應(yīng)力影響，及時制定相關(guān)開采措施。

在確定次生力分布規(guī)律時需要通過實測和監(jiān)測兩種測量方法結(jié)合進行，在已開采過的地段安裝次生力檢測儀器，通過實測傳感器進行實測。 監(jiān)測工作需要在工作面回采前安裝監(jiān)測應(yīng)力傳感器，通過儀器監(jiān)測了解次生應(yīng)力的變化。 鉆孔應(yīng)力解除法除了對于原巖應(yīng)力實測適用以外， 還適用于次生應(yīng)力實測，并且該方法與其他次生應(yīng)力實測方法相比，具有應(yīng)用廣泛、方法成熟的優(yōu)勢。

次生應(yīng)力規(guī)律的研究需要在采空區(qū)影響的范圍內(nèi)設(shè)置均勻分布的測點，并且分布于同一巖層之中，這樣的勘測方法能夠使得測點測出的應(yīng)力數(shù)據(jù)比較有可比性，保證其他影響條件基本相同。 這樣的實測方法測出的數(shù)據(jù)可以加工描繪成垂直應(yīng)力以及水平應(yīng)力在巷道截面的分布曲線，這樣更利于次生力規(guī)律的分析和掌握。 通過對國內(nèi)外礦井次生力的研究可知，要想準確掌握次生力分布的情況， 就必須在礦開采之前進行實測，通過科學(xué)的實測方法獲取真實有效的數(shù)據(jù)， 為礦開采掃除障礙。

4 地應(yīng)力實測及應(yīng)用

在礦開采之前， 一般選擇在礦區(qū)的沿空巷道內(nèi)進行次生應(yīng)力的實測， 并且在實體煤側(cè)或者小煤柱側(cè)安裝測力設(shè)備，從而檢測次生力的分布，總結(jié)分布規(guī)律和特點。 通過地應(yīng)力實測得出規(guī)律：因為巷道條件以及圍巖性質(zhì)的差異，使得垂直應(yīng)力峰值和采空區(qū)之間的距離也有所不同，不同地點的垂直應(yīng)力在分部特點上存在很大的差異，因此不能僅僅依賴既有的規(guī)律來看待所有地區(qū)次生應(yīng)力，不同地點的次生應(yīng)力必須要進行實測才能掌握當前次生應(yīng)力分布的特點。 次生應(yīng)力的實測只能反映此時此地的情況，對于其他地點只能作為經(jīng)驗參考，而不能當做完全準確的支持數(shù)據(jù)。

次生應(yīng)力在實測結(jié)束后， 需要安裝次生應(yīng)力檢測儀器進行變化檢測，以便了解次生應(yīng)力的后期變化。 針對不同的地區(qū)，次生應(yīng)力監(jiān)測傳感器的監(jiān)測范圍一般在三百米左右，具體的長度變動隨著距回采工作面距離的變化而變化，檢測頻度也隨之發(fā)生變化。

5 結(jié)語

總之，對于礦開采而言，地應(yīng)力對其開采難度以及安全程度有很大的影響，要想確保礦開采能夠順利進行，就需要提前做好地應(yīng)力的勘測工作，分析地應(yīng)力的特點，以便在礦開采過程中利用該規(guī)律或者特點進行施工操作。

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