采場礦壓與礦壓顯現的理論研究

郭 偉

采場礦壓與礦壓顯現的理論研究

郭 偉

(晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 046605)

總結了礦壓相關理論與知識，并對采場礦壓的一般規律進行了研究。研究的內容主要是礦壓的基本概念、礦壓的來源，其中包括上覆巖層的重力與巖體膨脹應力、礦壓顯現的一般規律，綜述了老頂的初次來壓、采場的周期來壓與頂板壓力的估算、礦壓顯現的基本規律以及影響礦壓的主要影響因素，其中包括采高與控頂距、工作面推進速度。

礦山壓力;礦壓顯現;影響因素

巖體在受到礦山開采活動影響之前，原巖應力處于平衡狀態。巷道掘進或進行礦山開采時，原巖應力平衡狀態被破壞，從而導致巖體的內部應力重新分布，直到平衡狀態形成［1］。由于受到采礦作業的影響，在巷道及其周圍的巖體所形成的力和作用在巷道支護物上的力統稱為礦山壓力。巷道在礦壓的作用下會導致各種力學變化，使巷硐周圍巖體和支護物產生種種力學現象，稱之為礦山壓力顯現。

1 引起礦山壓力的因素

1.1 上覆巖層的重力

1) 垂直應力：σz=γZ式中：

σz—垂直應力，單位立方體上覆巖層的重力，kN/m2;

Z—該點的垂深，m;

γ—上覆巖層的容重，kN/m3。

2)水平應力：σx=σy

即：σx=σy=μ/(1－μσz)=λγZ式中：

σz、σy—水平應力;

μ—巖石的泊松比;

λ—原巖體的側壓力系數。

1.2 巖體膨脹應力

式中：

σT—由于溫度的升高而導致巖石的膨脹產生的應力;

β—巖體的線膨脹系數;

α—巖體的溫升梯度;

Z—垂直深度，m;

E—巖體的彈性模量。

2 礦山壓力顯現

工作面中的煤及其巖層隨著開挖的進行，應力將重新分布。在采動的邊界部位將會承受著比較高的應力作用，煤及巖體受力狀況會發生明顯的改變［2］。當承受的壓力值并沒有超出極限強度時，圍巖將會處于比較穩定狀態;而采動邊界部位的煤及巖體所承受的壓力超過極限強度時，圍巖處于不穩定狀態，產生煤及巖體的破壞和頂板下沉等礦山壓力現象。煤及巖層在開采后，由于礦壓作用而表現出來的支架變形、圍巖產生運動等現象，稱之為礦山壓力顯現。

3 礦山壓力顯現規律

3.1 概 述

在實際生產過程中，回采工作面常有一系列礦山壓力現象，并且習慣上用這些現象作為衡量礦山壓力程度顯現的指標。一般指煤壁到采空區邊緣裸露的頂底板相對的移近量。隨著工作面的推進，頂底板處于不斷移動的狀態［3］。

3.2 老頂的初次來壓

當老頂懸露達到極限跨距時，老頂斷裂形成三鉸拱式的平衡，同時發生已破斷的巖塊回轉失穩，可能伴隨滑落失穩，如圖1所示，從而導致工作面頂板的急劇下沉。

圖1 老頂斷裂成巖塊后的轉動

3.3 采場的周期來壓

周期來壓的表現形式有頂板的快速下沉，頂板的下沉量增大;支柱所受載荷增加，還會引起煤壁片幫、頂板發生臺階下沉等現象。晉城煤業集團趙莊煤業九層一區段工作面周期來壓時的特征，見表1。

表1 頂板周期來壓特征表

當上覆巖層存在多層堅硬巖層時，對采場來壓產生影響的可能不只是鄰近煤層的第一層堅硬巖層，破斷后會影響采場來壓顯現，從而導致采場周期來壓步距并不是每次都相等［4］。

3.4 頂板壓力的估算

工作面支架受力情況可簡化，一個是直接頂的載荷，第二個是老頂通過直接頂作用于支架的載荷。

1)直接頂載荷Q1。

式中：

∑h—直接頂厚;

L1—懸頂距;

γ—體積力。

2)老頂的載荷Q2。

a)以直接頂載荷的倍數估算。

式中：

n—老頂來壓與平時壓力強度的比值，稱為增載系數，取2。

式中：

M—采高;

Kp—碎脹系數。

b)用控制老頂變形失穩的位移量來計算。

式中：

△h0—實測所得回采工作面頂板下沉量;

△hi—要求控制的回采工作面頂板下沉量;

K0—頂板下沉量為△h0時，老頂巖梁在控頂距范圍內的作用力。

上述各種估算法，各有其試用條件，所以不同的情況可以選用不同的估算法。

4 影響礦山壓力顯現的因素

4.1 采高與控頂距

影響上覆巖層破壞狀況的重要因素之一就是采高。隨著工作面的開采，上覆巖層移動的規律可用曲線表示，曲線是按照Sx=Sm(1－e－axb)的關系變化。而曲線的性質不會隨著工作面中的支架的支撐能力的變化而改變［5］。這種關系表示見圖2。

圖2 覆巖層移動與工作面空間頂板下沉的關系

圖中，?為煤壁支撐區的影響角。其關系為：

令 S0=0，∑h=m/(Kp－1)

式中：

L0—移動曲線中最大曲率點的距離;

L—控頂距;

S0、SL—L0、L范圍內的巖層與頂板的下沉量。

由此可知，回采工作面頂板下沉量大小與控頂距和采高的大小成正比。

4.2 工作面推進速度

工作面的推進速度對頂板下沉量的影響，也可用頂板下沉量s與時間t的坐標關系表示。從一般的分析可知，因為支撐力對煤壁的壓裂過程以及在采空區的壓實過程，均為時間過程;并且上覆巖層破斷后，巖塊間的相互咬合也經常要經歷失穩階段以及極限平衡狀態［6］。因此，反映在工作面，頂板下沉也是一個時間過程。一般在工作面測定的“s－t”曲線見圖3。

在工作面中進行落煤與放頂時，頂板下沉表現最為劇烈，平時則比較緩和。

圖3 工作面實際測定“s－t”曲線

5 結語

在大多數情況下，礦山壓力和礦山壓力顯現對地下開采工作造成一定的危害。為了不影響地下開采工作有序正常的進行，保障安全生產，一定要運用各種有效的措施把礦山壓力顯現控制在安全的范圍內，然而對于那些有利于地下礦山開采的礦山壓力顯現，應當合理的利用。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003：45－50.

［2］ 宋占國.煤礦采場礦壓的一般規律理論研究［J］.煤炭技術，2009，28(2)：59－62.

［3］ 劉長友，錢鳴高，曹勝根，等.采場支架阻力與頂板下沉量關系的研究［J］.礦山壓力與頂板管理，1997(3－4)：13－15.

［4］ 鄒喜正，李華祥.構造應力對巷道布置影響的理論分析［J］.煤炭設計，1998(11)：17－19.

［5］ 錢鳴高，繆協興，何富連.采場”砌體梁”結構的關鍵塊分析［J］.煤炭學報，1994(6)：557－563.

［6］ 許家林，錢鳴高.巖層采動裂隙分布在綠色開采中的應用［J］.中國礦業大學學報，2004，2(33)：141－144，149.

The Theory Study of Stope Rock Pressure and Pressure Behavior

Guo Wei

This article summarizes the theory and knowledge of mining pressure and studies the general rules on stope rock pressure.The main content of the study is the basic concepts of rock pressure，rock pressure source，including the gravity and rock inflation stress of overlying strata，the general rule of the pressure behavior，reviews first weighting of the main roof，the periodic weighting of stope and the estimation of roof pressure，the basic rule of rock pressure behavior and mine influence factors of rock pressure，including mining height，roof control distance and the advancing speed of mining face.

Mine rock pressure;Mine rock pressure behavior;Factors

TD326

A

1672－0652(2012)02－0026－03

2011－12－28

郭 偉(1984—)，男，山西高平人，2006年畢業于山西省煤炭職業技術學院，助理工程師，主要從事煤礦開采技術管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com