礦山壓力與巖層控制研究現(xiàn)狀分析

賈 飛

（山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東 煙臺(tái) 261400）

20世紀(jì)50年代首次提出采礦工程巖層控制的術(shù)語(yǔ)，主要指礦山頂板控制，因頂板支護(hù)失效導(dǎo)致冒頂事故頻發(fā)，成為威脅礦山開采的主要因素，隨著礦山開采的發(fā)展，其他問(wèn)題不斷出現(xiàn)。70年代美國(guó)礦務(wù)局發(fā)起礦山壓力與巖層控制的相關(guān)研究，礦山壓力與巖層控制涉及巷幫及底鼓控制，沖擊礦壓等諸多問(wèn)題。礦山開采破壞了周圍巖體中原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致圍巖大范圍失穩(wěn)，廣大學(xué)者經(jīng)多年實(shí)踐研究，提出了系列的礦山壓力假說(shuō)，對(duì)預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定性，確定合理支護(hù)提供了重要依據(jù)。

1 礦山壓力研究現(xiàn)狀

巖層控制研究是基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論發(fā)展的學(xué)科，巖土力學(xué)解決土木工程領(lǐng)域的巖石力學(xué)參數(shù)等相關(guān)問(wèn)題。采礦工程中的巖層控制研究是處理應(yīng)用巖石力學(xué)特性的學(xué)科，在60年代被采礦工程專業(yè)采用，當(dāng)時(shí)巖石力學(xué)研究不能完全滿足采礦的需求。2014年舉辦了第33屆礦山壓力與巖層控制國(guó)際會(huì)議，成為促進(jìn)單位深入探討礦壓相關(guān)問(wèn)題的主流會(huì)議[1]。巖層控制已成為業(yè)界普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)，巖層控制研究解決了大量煤礦設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題，巖層控制研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但礦井采掘活動(dòng)面向基于原始狀態(tài)的媒巖，缺少準(zhǔn)確獲知其賦存特點(diǎn)與工程相應(yīng)特征的技術(shù)手段。不能一味選擇良好的生產(chǎn)地質(zhì)條件進(jìn)行采掘活動(dòng)，比重在不能全面準(zhǔn)確獲悉煤層賦存情況下進(jìn)行，保證井下硐室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其他工程學(xué)科可選擇均質(zhì)的人工合成材料，礦山壓力與巖層控制科學(xué)不同于其他學(xué)科，現(xiàn)階段巖層控制演技存在很多值得改進(jìn)的地方。

2 巖層控制研究中的不足

（1）巖石力學(xué)特性。60年代時(shí)，巖石力學(xué)研究主要是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行完整的巖樣力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，70年代，研究擴(kuò)展到巖體強(qiáng)度測(cè)試，但未深入。目前在數(shù)值模擬中普遍采用4倍強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行換算，使用強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行換算具有任意性，其他方法只能適用于特定工程背景，過(guò)度依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得煤巖力學(xué)參數(shù)跨度較大，時(shí)間效應(yīng)是影響巖石力學(xué)特性的重要因素，所有類型的巖石變形破壞特性表現(xiàn)出時(shí)間效應(yīng)，很少有研究人員考慮此因素，一些巖層控制問(wèn)題與時(shí)間因素密切相關(guān)，如液壓支架立柱壓力逐漸增大，上覆巖層隨時(shí)間推移下沉[2]。

（2）地質(zhì)條件研究。采礦面向原位狀態(tài)的煤巖，采掘活動(dòng)中無(wú)法提前預(yù)制巖石的力學(xué)特性，巖層控制研究中往往假設(shè)某一鉆孔揭示巖層柱狀與區(qū)域地層層序相同。煤礦井下地質(zhì)條件變化莫測(cè)，普遍存在于地層的豎向垂直與水平方向。研究對(duì)象為較大的開采區(qū)域時(shí)，目前普遍采用線性插值法推測(cè)，大多巖層控制失效案例與地質(zhì)相關(guān)。設(shè)計(jì)支護(hù)系統(tǒng)時(shí)，采區(qū)是基于某個(gè)地質(zhì)條件而非支護(hù)區(qū)域的真實(shí)地質(zhì)條件，為準(zhǔn)確把握地質(zhì)異常需開發(fā)新的地質(zhì)探查技術(shù)，目前地球物探技術(shù)用以探查較大的地質(zhì)構(gòu)造，但效果不理想。如能將頂板錨桿鉆孔作地質(zhì)勘探孔，則能實(shí)時(shí)探查地質(zhì)條件變化，此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)則可準(zhǔn)確探查到重要地質(zhì)條件變化。

（3）原巖應(yīng)力。人們普遍認(rèn)為高水平應(yīng)力顯著影響巷道圍巖穩(wěn)定，高水平應(yīng)力普遍存在于井工開采的煤礦，美國(guó)煤田礦井進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試工作，表明水平應(yīng)力大小與方向差異很大，嚴(yán)重制約了測(cè)試結(jié)果在分析礦壓?jiǎn)栴}時(shí)的適應(yīng)性，無(wú)法分析各因子對(duì)測(cè)試結(jié)果的具體影響。如工程實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)未進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試，深入分析工程必須進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)試。

（4）頂板錨桿支護(hù)。70年代起錨桿支護(hù)逐漸成為井工開采煤礦頂板支護(hù)的首選，錨固桿設(shè)計(jì)方法存在一定的應(yīng)用缺陷，常見(jiàn)的5.5m寬的巷道錨固桿支護(hù)間距為1.2m×1.2m，采用此支護(hù)參數(shù)時(shí)很少有冒頂事故發(fā)生，但并未基于此提出合理的錨固桿支護(hù)理論，現(xiàn)階段錨固桿支護(hù)設(shè)計(jì)涉及到錨桿長(zhǎng)度的選擇，中國(guó)礦井通常采用更大的支護(hù)強(qiáng)度[3]。懸吊梁理論與組合梁理論是矩形巷道中常用的錨桿支護(hù)理論，懸吊梁理論被廣泛接受與應(yīng)用。數(shù)值模擬軟件采用數(shù)學(xué)方法模擬錨固桿結(jié)構(gòu)單元，不同廠商生產(chǎn)錨固桿體與構(gòu)件力學(xué)相應(yīng)不完全相同，無(wú)法模擬錨固體力學(xué)行為差異。

（5）煤巖失穩(wěn)。按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論定義的煤巖結(jié)構(gòu)失效后，長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，煤巖失穩(wěn)現(xiàn)象經(jīng)一定時(shí)間后停止，如何區(qū)分各種媒巖失穩(wěn)達(dá)到自問(wèn)需進(jìn)一步研究。發(fā)生嚴(yán)重冒頂事故時(shí)，技術(shù)顧問(wèn)給出改進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)的建議，但常忽略一些冒頂事故僅在某一特定地點(diǎn)發(fā)生，冒頂處理地質(zhì)異常是造成冒頂事故的真正原因。

（6）地表沉陷。目前相關(guān)地表沉陷研究不夠深入，影響附著于上覆巖層上構(gòu)筑物與水體，地下水徑流破壞是地表才沉陷帶來(lái)的影響之一。開采前必須開發(fā)現(xiàn)有多孔價(jià)值滲流模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，一些煤田基巖上方覆蓋可能蓄水的厚砂土層，對(duì)水飽與沙土可能會(huì)由覆巖裂縫帶涌入采掘空間，需要用三相耦合數(shù)學(xué)模型。美國(guó)中東部煤田很多管道受到長(zhǎng)壁開采地表沉陷影響，地表沉陷對(duì)管道具體影響不明，采取前普遍將管道挖出避免受到破壞，但增大了開采成本。

（7）沖擊礦壓。沖擊礦壓是一種動(dòng)力災(zāi)害，大范圍巷幫破碎煤體被拋向巷道空間，甚至移動(dòng)錨桿鉆進(jìn)等大型設(shè)備，巖爆與煤層沖擊地壓研究始于50年代末，微震技術(shù)可及時(shí)監(jiān)測(cè)定位高應(yīng)力集中區(qū)，預(yù)防沖擊災(zāi)害發(fā)生，布置微震檢波器前，技術(shù)人員需預(yù)估應(yīng)力集中的區(qū)域，隨著采掘活動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，微震技術(shù)通常代價(jià)高昂。礦壓觀測(cè)手段對(duì)研究巖層控制的采礦工程具有較強(qiáng)的說(shuō)服力，大多的觀測(cè)結(jié)果并非完全一致，當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)彼此有較大的偏差時(shí)，未深入挖掘數(shù)據(jù)偏差蘊(yùn)藏的規(guī)律。沖擊礦壓由巖層高應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)大量能量釋放誘發(fā)，需研究生產(chǎn)實(shí)踐中解釋驗(yàn)證此結(jié)論。

（8）液壓支架。液壓支架是一種機(jī)械，與煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式相同，煤柱是靜態(tài)的，設(shè)計(jì)綜采液壓支架時(shí)僅考慮承載能力不夠，綜采液壓支架自身重量大，煤層地板松軟時(shí)底座易鉆第無(wú)法移架，液壓支架設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，確定支架頂板荷載，確定地板比壓，目前液壓支架選型方法的研究?jī)H限于頂板荷載決定。支架初撐壓力為額定阻力的40%～90%，大多學(xué)者認(rèn)為初撐壓力高更好，但無(wú)明確的合理初撐力數(shù)值，液壓設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮額定阻力與初撐力的重要參數(shù)。支架頂梁面積并非相同，其他采煤國(guó)家仍為四柱與兩柱液壓支架并存的局面，如何描述支架的承載力非常重要。

3 結(jié)語(yǔ)

目前礦山壓力與巖層控制研究存在一定的不足，迫切需深入研究解決高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)中遇到的系列問(wèn)題，本文探討了當(dāng)前礦山壓力與巖層控制的研究現(xiàn)狀，巖石力學(xué)特征，煤巖失穩(wěn)，沖擊低壓等巖層控制相關(guān)研究方向，促進(jìn)巖層控制技術(shù)研究的進(jìn)步。