淺析礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律

摘 要：礦山壓力是礦床開采后客觀存在的現(xiàn)象，是礦井頂板安全災(zāi)害誘發(fā)的主要原因。了解并加以研究礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律，對保證礦山的安全生產(chǎn)、保障礦工的生命財(cái)會、促進(jìn)企業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。文章結(jié)合自身在礦山工作的一些經(jīng)驗(yàn)，對此做了初步的探討。

關(guān)鍵詞：煤層巖石、支撐壓力、支架種類

中圖分類號：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0177-01

1 礦山壓力

地下通常是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，但是當(dāng)由于生產(chǎn)的需要而進(jìn)行巷道開掘或回采施工時(shí)，礦井原有的平衡狀況就會受到外力的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力要隨之做相應(yīng)的再分配，當(dāng)新的應(yīng)力超過煤巖的極限強(qiáng)度時(shí)，巷道及回采工作面周圍的煤巖就會發(fā)生破壞，這種情況將持續(xù)到煤巖內(nèi)部重新達(dá)到新的應(yīng)力平衡為止。此時(shí)巷道和回采工作面周圍的煤巖體就形成了一個(gè)新的應(yīng)力場而達(dá)到平衡。這種由于在地下進(jìn)行采掘活動而在井巷，硐室及回采工作面周圍煤巖體中和支護(hù)物上所引起的力，就叫礦山壓力，簡稱礦壓。

2 支承壓力

①支承壓力的形成：當(dāng)人們進(jìn)行開掘切眼工作之前，煤體未被采動，處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，而在煤體開掘切眼后，原有的平衡狀態(tài)被打破，形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。這種新的平衡狀態(tài)是由于在切割眼上部頂板內(nèi)形成了“壓力拱”。兩側(cè)煤壁平均分擔(dān)了切眼上部巖體的重量，這樣就產(chǎn)生了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，我們把這種現(xiàn)象稱作支撐壓力。

②影響支承壓力大小、分布的因素：煤質(zhì)的軟硬程度、頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)、開采的深度、采空區(qū)充填程度、頂板懸露時(shí)間及面積大小決定了支承壓力的大小和分布。

在煤質(zhì)的軟硬程度方面：煤質(zhì)越是松軟，變形和破壞的程度就越大，支承壓力分布的范圍也就越大，集中程度則越低。相反，煤質(zhì)越是堅(jiān)硬，支承壓力越是集中，影響范圍也就越小。

在頂?shù)装鍘r層的性質(zhì)方面：泥質(zhì)頁巖頂板支承壓力的影響范圍不到30～40 m。而砂巖頂板支承壓力的影響范圍可達(dá)到工作面前方100 m左右。這表明頂板巖層越堅(jiān)硬，頂板壓力分布就越均勻，支承壓力的集中程度就越小。底板巖層越是堅(jiān)硬，支承壓力的影響范圍也就越大，集中程度也就越小。

在開采的深度方面：開采深度越大，則懸露頂板的重量越大，支承壓力也就越大。

在采空區(qū)充填程度方面：采空區(qū)充填程度越密實(shí)，支承壓力就越小。

在頂板懸露時(shí)間及面積大小方面：采空區(qū)頂板懸露時(shí)間越長，面積越大，頂板壓力就越大，支承壓力的分布范圍和集中程度也就越大。

③支承壓力顯現(xiàn)規(guī)律：我們工作中常見的幾種現(xiàn)象，如：沖擊地壓、煤和沼氣突出、煤壁破碎片幫、頂板下沉等都是在支承壓力的作用下產(chǎn)生的。

沖擊地壓、煤和沼氣突出：沖擊地壓是巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。它是煤礦重大災(zāi)害之一。在礦山壓力顯現(xiàn)形式中最為猛烈，破壞性強(qiáng)，常伴有煤巖體拋出、巨響、氣浪及巖體震動等現(xiàn)象。經(jīng)常造成巷道堵塞、冒頂片幫、支架損毀、人員傷亡等，對安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。世界上幾乎所有國家都不同程度地受到?jīng)_擊地壓的威脅。那么在什么情況下會發(fā)生沖擊地壓？理論認(rèn)為發(fā)生沖擊地壓有三個(gè)準(zhǔn)則：能量準(zhǔn)則、沖擊傾向度準(zhǔn)則、強(qiáng)度準(zhǔn)則。其中能量準(zhǔn)則和沖擊傾向度準(zhǔn)則是突然破壞準(zhǔn)則，強(qiáng)度準(zhǔn)則是煤體破壞準(zhǔn)則，三個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)成立，才是產(chǎn)生沖擊地壓的充要條件。隨著開采深度不斷加深，沖擊地壓出現(xiàn)頻率也不斷加大。為了避免其發(fā)生造成重大事故，我們必須采取相應(yīng)的措施以降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)不留煤柱，避免兩上工作面相向回采，以防止形成支承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產(chǎn)生煤層突出，還可能伴隨大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。

煤壁破碎片幫：由于支承壓力的作用，使得工作面的煤壁受到破壞變形，煤壁破碎片幫成斜面。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知，在煤質(zhì)松軟、支架初撐力低、支架工作狀態(tài)不合理、支架支護(hù)滯后、煤層中節(jié)理及裂隙發(fā)育時(shí)易發(fā)生煤壁破碎片幫。

頂板下沉：在工作中，工作面前方尚未懸露的頂板在支承壓力的作用下，就已經(jīng)開始下沉。頂板預(yù)先下沉所產(chǎn)生的裂隙，會使得工作面和工作面前方區(qū)段平巷的壓力增大。頂板下沉量的大小受煤層的厚度、煤層的松軟程度、頂板的堅(jiān)硬程度影響。煤層較厚較軟，頂板較為堅(jiān)硬時(shí)，頂板下沉量較大。在工作中我們經(jīng)常用增設(shè)抬棚、斜撐支架等防護(hù)措施來防止區(qū)段平巷的支架被壓壞。

3 工作面初次來壓

通俗的說工作面初次來壓就是由于老頂在自重和上覆巖層的作用下的第一次斷裂使得工作面壓力增大，即初次來壓。

初次來壓時(shí)具有以下特點(diǎn)：①支架受力猛增致使頂板破碎，煤壁出現(xiàn)平行的裂隙。②在老頂?shù)膭×一顒酉拢ぷ髅骓敯逑鲁了俣群拖鲁亮慷佳杆僭黾?，甚至有可能出現(xiàn)臺階式下沉。③由于老頂懸露面積增大，煤壁內(nèi)壓力太過集中，采空區(qū)出現(xiàn)掉塊，煤幫嚴(yán)重出現(xiàn)大深度、大范圍片幫。④老頂折斷垮落時(shí)，有時(shí)發(fā)出巨大的斷裂聲，采空區(qū)深處發(fā)出悶雷聲，來壓劇烈時(shí)會揚(yáng)起大量煤塵并伴有暴風(fēng)。

工作中，我們常采取強(qiáng)制放落頂板、沿放頂線加強(qiáng)支護(hù)等措施來應(yīng)對初次來壓。

4 周期來壓

當(dāng)老頂初次垮落后，支架受力減輕，老頂由起初的雙支承梁變?yōu)閼冶哿骸４藭r(shí)上覆巖體的重量除部分由垮落的矸石承擔(dān)之外，其他重量主要由懸臂梁直接傳給煤壁。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，經(jīng)過一定時(shí)間、達(dá)到一定距離時(shí)，老頂懸臂梁在自重和上覆巖層的作用下，又會發(fā)生斷裂與垮落，即老頂來壓又重復(fù)出現(xiàn)，就是工作面頂板的周期來壓。這兩次周期來壓之間的距離稱為周期來壓步距。在工作面內(nèi)，周期來壓步距小于初次來壓步距。發(fā)生周期來壓時(shí)，相對比平時(shí)工作面的頂板壓力和頂板下沉量來說，要超出30%～40%。工作面頂板周期來壓是是礦井生產(chǎn)過程中周期出現(xiàn)的現(xiàn)象，是礦井災(zāi)害之一。那么掌握它的規(guī)律，預(yù)先采取有效措施，加強(qiáng)工作面支護(hù)就顯得尤為重要。

周期來壓所具有的特點(diǎn)與初次來壓有一定相似性。

5 頂板下沉

隨著開采活動的進(jìn)行，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，采用垮落法處理采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)直接頂板不規(guī)則垮落、彎曲、旋轉(zhuǎn)、下沉，上覆巖層遭到破壞，上覆巖層移動和破壞具有明顯的分帶性，根據(jù)破壞的特征，覆巖的破壞和移動可分為三帶：彎曲下沉帶、冒落帶、裂隙帶。“三帶”之中，彎曲下沉帶基本不影響工作面。而冒落帶和裂隙帶在工作面頂板管理方面影響頗大。

彎曲下沉帶：彎曲下沉帶也被稱作彎曲帶或整體移動帶，它位于裂隙帶之上直至地表。此段巖層幾乎不產(chǎn)生裂隙，彎曲帶在采空區(qū)的上方會形成一個(gè)下沉的盆地。彎曲下沉帶一般呈整體移動，它的高度主要受開采深度的影響。

冒落帶：冒落帶也被稱作垮落帶，它位于覆巖的最下部，煤層采空后，上覆巖層隨之打破原有平衡，巖塊從緊靠煤層的頂板巖層開始冒落，直至充滿開采空間。采出厚度和上覆巖石的碎脹系數(shù)是影響冒落帶高度的主要因素。在采厚較大及巖石較為堅(jiān)硬時(shí)，冒落帶較大，反之較小。冒落帶冒落的碎巖塊之間空隙越多，連通性就越強(qiáng)，這里不僅是瓦斯集聚或逸出的場所也是水和泥沙潰入井下的一個(gè)通道。

裂隙帶：裂隙帶又被稱作斷裂帶或裂縫帶。裂縫帶位于冒落帶之上。隨開采區(qū)域的不斷擴(kuò)大，裂隙帶也不斷向上發(fā)展。開采區(qū)域的范圍擴(kuò)大到一定程度時(shí)，裂隙帶高度不再向上發(fā)展，此時(shí)裂隙帶高度達(dá)到最大值。若開采區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，裂隙帶高度則不再變化，裂隙帶上部裂縫反而會隨著時(shí)間的推移逐漸閉合，巖層移動趨于穩(wěn)定，裂隙帶高度也隨之降低。

6 結(jié) 語

煤礦是高危行業(yè)，由于礦山壓力而造成的危害也是相當(dāng)之大。因此深入了解礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律并制定出有效的防控措施，是保證礦山安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王旭濤.大傾角厚煤層一次全高開采相鄰工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].煤炭工程，2012，（9）.