煤礦開采中的地應(yīng)力特點(diǎn)及其應(yīng)用研究

王振WANG Zhen；張磊ZHANG Lei；牛宏亮NIU Hong-liang

（山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)，棗莊 277000）

（Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.，Ltd.，Zaozhuang 277000，China）

0 引言

眾所周知，地球無(wú)時(shí)無(wú)刻不在自傳與公轉(zhuǎn)著，在地球各種運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中便會(huì)產(chǎn)生多種天然的應(yīng)力，這種應(yīng)力潛藏于地層中，具有較大的能量以及工程破壞力[1]。原巖應(yīng)力便是潛藏在沒有受過(guò)工程干擾的地層之中的一種天熱應(yīng)力，當(dāng)人們下井挖巷道的時(shí)候，原始的地應(yīng)力就會(huì)受到干擾，從而形成一組新的應(yīng)力在巷道圍巖之中，這一新的應(yīng)力就被稱之為次生應(yīng)力[2]。在煤礦開采的過(guò)程中，對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，對(duì)工作面進(jìn)行回采是其開采的主要活動(dòng)形式，同其他的地下采礦工程一樣，研究與應(yīng)用地應(yīng)力的意義已經(jīng)越來(lái)越突出，越來(lái)要重要的。

1 地應(yīng)力概述

地應(yīng)力又被稱之為巖體的絕對(duì)應(yīng)力、初始應(yīng)力，指的是潛藏在沒有受過(guò)工程干擾的地層之中的一種天然應(yīng)力[3]。地球的自傳與公轉(zhuǎn)、地心引力、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)部應(yīng)力、板塊邊界受壓等各種地球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程為地應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的地應(yīng)力中，重力應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為其主要的組成部分，當(dāng)人們開始下井挖巷道的時(shí)候，原始的地應(yīng)力就會(huì)受到干擾，從而形成一組新的應(yīng)力在巷道圍巖之中，這一新的應(yīng)力就被稱之為次生應(yīng)力。巖石所處的地應(yīng)力場(chǎng)與巖石表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特性，直接決定著煤礦井下巷道圍巖的礦壓顯的特征[4]。

2 煤礦開采中的地應(yīng)力特點(diǎn)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也得到了不斷地提高，人們?cè)诘V山工程中對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)也在不斷地提高[5]。人們對(duì)礦山工程中的地應(yīng)力有了一定的認(rèn)識(shí)高度，便會(huì)對(duì)工程中的可能存在的地應(yīng)力進(jìn)行大量的檢測(cè)工作，這樣便為煤礦開采中的地應(yīng)力特點(diǎn)的研究工作提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

單就地應(yīng)力的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，不同時(shí)期，應(yīng)力作用的主應(yīng)力方向表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)也是不同的。比如在喜馬拉雅構(gòu)造時(shí)期，南北向?yàn)橹袊?guó)巖石圈的主要應(yīng)力方向，其中北北東-南南西的走向?yàn)橹袊?guó)西部的主要應(yīng)力方向，北北西-南南東為中國(guó)東部的主要應(yīng)力方向；到了新構(gòu)造時(shí)期，地應(yīng)力方向發(fā)生了翻天覆地的變化[6]。只有新疆的大部分地區(qū)與青藏高原的西部的主要應(yīng)力方向仍舊為北北東-南南西走向，中國(guó)北方大部分地區(qū)的主要應(yīng)力方向已經(jīng)有了全新的走向，即北東東-南西西至東西，中國(guó)南方大部分地區(qū)便衍變成為了北西-南東走向。將新疆大部分區(qū)域與青藏高原西部、中國(guó)北方發(fā)部分地區(qū)、中國(guó)南方大部分地區(qū)合并起來(lái)看，總體呈現(xiàn)出了一種放射狀散布的特點(diǎn)，這與之前構(gòu)造期表現(xiàn)出來(lái)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)都是不一樣的。

就煤礦開采中的應(yīng)力來(lái)說(shuō)，煤礦開采的應(yīng)力特點(diǎn)主要表現(xiàn)：

①地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（水平方向）和垂直方向共同作用之后便會(huì)產(chǎn)生式原始應(yīng)力場(chǎng)在巖層中，而且在水平面上，通?？梢詫⒌貞?yīng)力分成最小水平應(yīng)力與最大水平應(yīng)力；

②當(dāng)埋的深度加深了，垂直應(yīng)力也會(huì)有一定程度的增大，實(shí)測(cè)的自重應(yīng)力和垂直應(yīng)力在進(jìn)行公示計(jì)算的時(shí)候，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果應(yīng)該是基本相符的；

③通常情況下，垂直應(yīng)力都小于最大的水平應(yīng)力，甚至有些時(shí)候，垂直應(yīng)力會(huì)小于最小的水平應(yīng)力；

④當(dāng)埋的深度加深了，水平的應(yīng)力也會(huì)有一定程度的增大；

⑤通常情況下，最小水平應(yīng)力與最大的水平應(yīng)力的差距比較大，造成水平應(yīng)力受方向性的影響較為嚴(yán)重的局面；

⑥地球在進(jìn)行地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，往往會(huì)引起一定的水平應(yīng)力，提供相似的三軸試驗(yàn)中的圍壓的角色則由垂直方向中的自重應(yīng)力扮演。當(dāng)埋的深度加深了，由垂直應(yīng)力提供出來(lái)的圍壓也會(huì)有一定程度的增大，這樣在巖層中的沿?cái)鄬踊蛘咂渌贿B續(xù)面沒有發(fā)生位移之前，其可以傳遞出來(lái)的水平應(yīng)力也會(huì)有會(huì)隨之而增大[7]。

3 煤礦開采中的地應(yīng)力應(yīng)用

某礦區(qū)現(xiàn)有十對(duì)生產(chǎn)礦井，2012年原煤的總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了6500 多萬(wàn)噸，其采煤技術(shù)與綜合效益在國(guó)內(nèi)都算是一流的水準(zhǔn)。本文將這一礦區(qū)作為本文的礦井應(yīng)力的研究與應(yīng)用試驗(yàn)區(qū)。

某礦區(qū)為北西西的軸向，傾伏方向?yàn)闁|。有3-16 度的地層傾角，通常為7 度，寬緩褶皺為其煤田內(nèi)的主要構(gòu)造，所有的斷層都不是很緊密。在生產(chǎn)過(guò)程中，小斷層帶來(lái)的影響比較大，因?yàn)槊簩又泻芏喽际钦龜鄬?，在頂板、底板的?qiáng)度不夠高的粉砂巖、泥巖與鋁質(zhì)泥巖的煤層中，密集在一起的小斷層產(chǎn)生不了很大的落差，這樣，頂板與底板就會(huì)更加破碎。在這種地質(zhì)條件下，又沒有較為先進(jìn)的煤巷錨桿支護(hù)的技術(shù)，卻必須對(duì)礦山開采的生產(chǎn)安全性進(jìn)行保障。因此，對(duì)礦區(qū)的地應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)，并展開相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行研究，具有一定的必要性。

首先要對(duì)原巖的應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，并對(duì)鉆孔展開施工。對(duì)原巖的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量可以為煤礦井下的巷道提供一定的施工空間。通常測(cè)量都是在運(yùn)輸大巷或者實(shí)體煤巷中進(jìn)行，借用應(yīng)力對(duì)鉆孔的深度進(jìn)行解除，可以有效地避免地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的部位。通過(guò)地應(yīng)力對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，通常需要35-45 度的仰角。

其次，可以運(yùn)用應(yīng)力解除法對(duì)原巖的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。使用應(yīng)力解除法的時(shí)候要選定好導(dǎo)孔的位置，鉆孔的仰角通常為35-45 度，與巷道寬度的相比，導(dǎo)孔的深度要超過(guò)巷道寬度至少三倍。然后要對(duì)鉆應(yīng)力計(jì)進(jìn)行孔安裝，并對(duì)鉆孔進(jìn)行清理。在安裝應(yīng)力計(jì)的時(shí)候，首先要對(duì)應(yīng)力計(jì)的安裝位置進(jìn)行確定，只有確定好了安裝位置，才可以展開準(zhǔn)備工作，并在指定的位置進(jìn)行安裝。安裝完了應(yīng)力計(jì)之后，要在安裝次日對(duì)應(yīng)力進(jìn)行解除，粘結(jié)劑固化的時(shí)間至多不能超過(guò)17 個(gè)小時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地應(yīng)力又被稱之為巖體的絕對(duì)應(yīng)力、初始應(yīng)力，指的是潛藏在沒有受過(guò)工程干擾的地層之中的一種天然應(yīng)力。地應(yīng)力是對(duì)工程巖中的體力學(xué)屬性進(jìn)行確定，并對(duì)圍巖力學(xué)的定性展開分析與研究，實(shí)現(xiàn)巖土工程設(shè)計(jì)與施工科學(xué)化的重要前提。在煤礦開采的過(guò)程中，對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，對(duì)工作面進(jìn)行回采是其開采的主要活動(dòng)形式，同其他的地下采礦工程一樣，研究與應(yīng)用地應(yīng)力的意義已經(jīng)越來(lái)越突出，越來(lái)要重要的。因此，在煤礦開采的過(guò)程中，對(duì)地應(yīng)力的特點(diǎn)及其應(yīng)用展開分析與研究，具有一定的研究?jī)r(jià)值與工程價(jià)值，也具有一定的必要性以及意義。

[1]陳炳強(qiáng).科學(xué)管理方法在煤礦中應(yīng)用的新起點(diǎn)——記系統(tǒng)工程在煤礦開采中應(yīng)用專題學(xué)術(shù)討論會(huì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2006（12）：5-7.

[2]康志華.煤礦開采中綜合機(jī)械化和機(jī)電一體化的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2013（09）：35-36.

[3]鄭登基.煤礦開采中合理應(yīng)用設(shè)備的意義[J].黑龍江科技信息，2012（20）：9.

[4]邱忠明.淺談機(jī)械化在煤礦開采中的應(yīng)用[J].中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)，2011（06）：283.

[5]逯建剛，梁志明.薄煤層綜采機(jī)械化裝備配套的若干技術(shù)研究[J].科技信息，2011（10）：97-99.

[6]韓衛(wèi)清.輕型低位放頂煤工藝在西山礦區(qū)的適應(yīng)性分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008（34）：68-70.

[7]郭凱.我國(guó)煤礦開采技術(shù)發(fā)展的方向探討[J].黑龍江科技信息，2008（16）：105-106.