煤礦開采中的地應(yīng)力特點(diǎn)與運(yùn)用分析

杜智慧

（大同煤礦集團(tuán)同生煤礦生產(chǎn)管理有限公司，山西 大同 037003）

1 概述

在煤礦開采中，礦井圍巖作用力不僅包含有開采初期沒有遭到破壞的原巖應(yīng)力，也包含有開采時(shí)引發(fā)的一些次生應(yīng)力。因此，要想深入、系統(tǒng)地了解煤礦開采區(qū)域中應(yīng)力的分布狀況，不僅應(yīng)全面測(cè)量原巖應(yīng)力，也應(yīng)測(cè)量次生應(yīng)力。測(cè)量得到的地應(yīng)力數(shù)據(jù)能夠給煤礦開采巷道以及工作面的支護(hù)提供重要參照。尤其是在煤礦深部，巷道掘進(jìn)和巷道支護(hù)過程中地應(yīng)力的大小和方向等因素的影響會(huì)逐漸增大。通過地應(yīng)力的測(cè)試分析，能夠?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)及布置提供可靠的參考，確保回采工作面高產(chǎn)、安全[1]。

2 煤礦開采中地應(yīng)力的特點(diǎn)分析

所謂地應(yīng)力指的是存在地殼之中沒有受到工程擾動(dòng)的自然應(yīng)力，地應(yīng)力也稱為巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)應(yīng)力或者是原巖應(yīng)力。廣義上講，地應(yīng)力指的是地球體內(nèi)應(yīng)力，由重力、地球自轉(zhuǎn)等因素所產(chǎn)生的應(yīng)力。瑞士著名地質(zhì)學(xué)家Heim首次提出了地應(yīng)力這一概念，并且將地應(yīng)力假定為靜水應(yīng)力狀態(tài)。前蘇聯(lián)科學(xué)家Tinhhk A H對(duì)這一假定進(jìn)行了修訂，他提出了巖體鉛垂應(yīng)力近似等于其上覆巖體的自重，即γH(γ為巖石重量，H為深度)，而水平應(yīng)力則是μγH/(1-μ)(μ巖石泊松比)。煤礦開采中地應(yīng)力會(huì)表現(xiàn)出一些特點(diǎn)：

2.1 地應(yīng)力屬于相對(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)

巖體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的地應(yīng)力，擁有三個(gè)不同的方向，并且各個(gè)方向上的地壓也存在差異，屬于一種三維應(yīng)力場(chǎng)，在水平方向上所表現(xiàn)出來的應(yīng)力作用是對(duì)煤礦開采影響。在空間維度上，地應(yīng)力變化程度也表現(xiàn)出一定的不同，通常對(duì)于面積相對(duì)小的區(qū)域，例如，煤礦開采的礦區(qū)，由其中一個(gè)地段至另外地段，不同地段所擁有用的應(yīng)力大小以及方向等均存在差異，其中存在的偏差有時(shí)能夠高達(dá)50%[2]。不過，要是對(duì)于面積相對(duì)大的區(qū)域來說，例如，華北區(qū)域中，由其中某一城市至另外城市，地應(yīng)力主要的方向則未表現(xiàn)出太大差異。從時(shí)間維度上看，地應(yīng)力發(fā)生波動(dòng)的情況和人類各種活動(dòng)比較，其變化能夠忽略。不過，個(gè)別區(qū)域中由于地殼運(yùn)動(dòng)較為劇烈，導(dǎo)致地應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)相對(duì)大的波動(dòng)。

2.2 鉛垂應(yīng)力和上覆巖的自重基本一致

能夠從Heok[3]的研究中看出，當(dāng)深度處于25～2700 m范圍內(nèi)，巖石重度鉛垂應(yīng)力σv和深度之間的關(guān)系表現(xiàn)為線形增加的趨勢(shì)。

2.3 水平應(yīng)力一般大于鉛垂應(yīng)力

根據(jù)Heok以往的研究數(shù)據(jù)來看，在相同的地點(diǎn)，水平主應(yīng)力σh大小通常要較鉛垂應(yīng)力σv大，同時(shí)其所擁有的側(cè)壓系數(shù)值λ通常處于0.5～5.5范圍內(nèi)，很多都在0.8～1.5范圍內(nèi)。而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究所得出的側(cè)壓系數(shù)值λ通常處于0.8～3.0范圍內(nèi)，很多都在0.8～1.2范圍內(nèi)。

3 晉華宮礦原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)

3.1 工作面概況

晉華宮礦主采3號(hào)煤層，厚度值在4.5～6.4 m之間，煤層夾矸0～2層，其中泥巖、炭質(zhì)泥巖相對(duì)多。工作面頂板巖石相對(duì)復(fù)雜，含有粉砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖等；底板巖石多為泥巖以及砂質(zhì)泥巖。開采作業(yè)時(shí)，變形相對(duì)大的區(qū)域?yàn)?005以及1002工作面的巷道區(qū)域，其支護(hù)出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的破損，雖經(jīng)過多次的維修，也未能取得良好的支護(hù)效果，對(duì)作業(yè)面順利開采造成了極為不利的影響。而通過地應(yīng)力實(shí)測(cè)分析，則能讓巷道掘進(jìn)施工以及支護(hù)作業(yè)擁有更為科學(xué)與可靠的參考。

3.2 原巖應(yīng)力測(cè)試位置設(shè)計(jì)

在測(cè)試位置設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地確保測(cè)試位置分布較廣，以更真實(shí)、有效地體現(xiàn)井田區(qū)域中的原巖應(yīng)力；還應(yīng)當(dāng)結(jié)合煤礦區(qū)域中具體的地質(zhì)環(huán)境，在4005巷道和1002巷道位置加設(shè)原巖應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，見圖1。

圖1 4005巷及1002巷位置原巖應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置

在4005巷道共布設(shè)三個(gè)測(cè)試位置，其中1號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口950 m，2號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口670 m，3號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口350 m。在1002巷道之中，一共布設(shè)三個(gè)測(cè)試位置，其中14號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口650 m，5號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口450 m，3號(hào)測(cè)試點(diǎn)距巷道口150 m。

4 巷道原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為防止地應(yīng)力對(duì)巷道帶來的破壞作用，并更全面、深入地掌握礦區(qū)內(nèi)地應(yīng)力的分布情況，此次原巖應(yīng)力實(shí)測(cè)工作依照礦井具體作業(yè)環(huán)境，共設(shè)置6個(gè)測(cè)試點(diǎn)來測(cè)試，該礦區(qū)內(nèi)最大水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力是礦區(qū)中的最大主應(yīng)力，即在礦區(qū)中的最大主應(yīng)力傾角值基本上接近水平方向。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 4005巷與1002巷原巖應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，煤礦區(qū)域中原巖應(yīng)力擁有下列特征：

1）在該區(qū)域中，原巖應(yīng)力場(chǎng)所擁有的最大主應(yīng)力屬于水平應(yīng)力，從表1中6號(hào)測(cè)點(diǎn)能夠看出，區(qū)域中最小水平應(yīng)力為3.2 MPa，而鉛垂應(yīng)力為5.16 MPa，說明最小主應(yīng)力同樣為水平應(yīng)力。

2）在同一測(cè)試點(diǎn)處，最小水平主應(yīng)力方向和最大水平主應(yīng)力方向呈垂直分布。

3）通過實(shí)測(cè)得出，水平主應(yīng)力中，其最大值是最小值的2.6～3.2倍。

5 地應(yīng)力對(duì)現(xiàn)有巷道影響分析

晉華宮礦所掘巷道中，運(yùn)輸大巷、井筒及回風(fēng)大巷采用錨網(wǎng)噴永久支護(hù)方式，個(gè)別的準(zhǔn)備巷道，如第一與第二回風(fēng)巷和皮帶運(yùn)輸巷采用錨網(wǎng)支護(hù)方式。上述巷道基本上是沿著煤層的底板掘進(jìn)，多屬于煤巷。目前施工完成且處于使用的巷道，基本上和最大主應(yīng)力方向平行。巷道的變形量相對(duì)較小，在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)無需開展二次維護(hù)工作，僅個(gè)別位置，因受到陷落柱的影響，需強(qiáng)化支護(hù)。

因不同區(qū)域地應(yīng)力值及方向等均不同。因此，在各個(gè)盤區(qū)中巷道所擁有的穩(wěn)定性也有所差異：① 準(zhǔn)備開挖一些巷道，地應(yīng)力作用對(duì)于一盤區(qū)所造成的影響最微弱；回采巷道與最大水平主應(yīng)力平行，巷道結(jié)構(gòu)擁有較好的穩(wěn)定性。這些巷道掘進(jìn)時(shí)變形較小，頂板管理簡(jiǎn)便。② 在四盤區(qū)，一些準(zhǔn)備巷道設(shè)置的方向與最大水平主應(yīng)力的方向相互垂直，雖然這些巷道兩幫均強(qiáng)化了錨網(wǎng)支護(hù)，支撐力有所提升，但因受最大水平主應(yīng)力的影響，導(dǎo)致頂板發(fā)生破壞問題，而且頂板破壞問題會(huì)越來越嚴(yán)重，使得深層頂板結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生破壞，使巖體結(jié)構(gòu)的塑性變形區(qū)域擴(kuò)大，導(dǎo)致頂板的抗拉性能減弱。巷道常常發(fā)生冒頂落事故，個(gè)別區(qū)域依舊要進(jìn)行二次維護(hù)。另外，在此區(qū)域，巷道的底板結(jié)構(gòu)同樣出現(xiàn)了一定變形，回采作業(yè)時(shí)，因?yàn)椴蓜?dòng)形成二次應(yīng)力作用，導(dǎo)致巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。應(yīng)進(jìn)一步的強(qiáng)化支護(hù)。

6 地應(yīng)力在煤礦開采中的應(yīng)用

通常情況下，煤礦開采多處于地質(zhì)構(gòu)造為褶皺相對(duì)寬緩的位置，斷層也較少。但小斷層在煤礦開采中卻產(chǎn)生非常大影響，因很多煤層正斷層，在強(qiáng)度相對(duì)較小的泥巖、粉巖等巖煤層之中，緊密聯(lián)系的小斷層會(huì)導(dǎo)致煤層形成很多小落差，使得煤層的底板結(jié)構(gòu)和頂板結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生變化，結(jié)構(gòu)變得更為破碎。如不利用錨桿支護(hù)，便很難確保煤礦開采的安全性。因此，進(jìn)行開采前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)，分析地應(yīng)力是否會(huì)對(duì)巷道造成破壞，以制定適宜的支護(hù)方式，確保開采的安全性。

7 結(jié)語

在煤炭進(jìn)行開采中，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害問題，主要是受到礦壓因素的影響，而影響礦壓最主要的因素便是地應(yīng)力，因此，對(duì)于地應(yīng)力進(jìn)行全面、系統(tǒng)的測(cè)量顯得極為重要。通過測(cè)試地應(yīng)力具體情況，能為巷道設(shè)計(jì)和工作面支護(hù)提供更為可靠的依據(jù)。尤其是近年來，各大煤礦的開采深度不斷增加，地應(yīng)力對(duì)于巷道支護(hù)的影響不斷增加，更應(yīng)對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，確保巷道布置的科學(xué)性，確保煤礦開采的安全性。

〔1〕王 炯，馮正浩，孟志剛，等.紅陽礦區(qū)地應(yīng)力測(cè)量及其數(shù)值分析研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2017，34（1）：134-140.

〔2〕閆振雄，郭奇峰，馬 東.弓長(zhǎng)嶺井下礦地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及應(yīng)用[J].金屬礦山，2017（10）：149-154.

〔3〕Hoek E，Brown E.T.Underground Excavation in Rock[M].1980