煤礦開采中的地應力特點及其應用研究

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

（山東能源棗莊礦業集團，棗莊 277000）

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

0 引言

眾所周知，地球無時無刻不在自傳與公轉著，在地球各種運動的過程中便會產生多種天然的應力，這種應力潛藏于地層中，具有較大的能量以及工程破壞力[1]。原巖應力便是潛藏在沒有受過工程干擾的地層之中的一種天熱應力，當人們下井挖巷道的時候，原始的地應力就會受到干擾，從而形成一組新的應力在巷道圍巖之中，這一新的應力就被稱之為次生應力[2]。在煤礦開采的過程中，對巷道進行掘進，對工作面進行回采是其開采的主要活動形式，同其他的地下采礦工程一樣，研究與應用地應力的意義已經越來越突出，越來要重要的。

1 地應力概述

地應力又被稱之為巖體的絕對應力、初始應力，指的是潛藏在沒有受過工程干擾的地層之中的一種天然應力[3]。地球的自傳與公轉、地心引力、地幔熱對流、地球內部應力、板塊邊界受壓等各種地球運動的過程為地應力產生的主要原因。在已經發現的地應力中，重力應力與構造應力場為其主要的組成部分，當人們開始下井挖巷道的時候，原始的地應力就會受到干擾，從而形成一組新的應力在巷道圍巖之中，這一新的應力就被稱之為次生應力。巖石所處的地應力場與巖石表現出來的力學特性，直接決定著煤礦井下巷道圍巖的礦壓顯的特征[4]。

2 煤礦開采中的地應力特點

隨著社會經濟的不斷發展，科學技術也得到了不斷地提高，人們在礦山工程中對地應力的認識也在不斷地提高[5]。人們對礦山工程中的地應力有了一定的認識高度，便會對工程中的可能存在的地應力進行大量的檢測工作，這樣便為煤礦開采中的地應力特點的研究工作提供了一定的技術基礎。

單就地應力的特點來說，不同時期，應力作用的主應力方向表現出來的特點也是不同的。比如在喜馬拉雅構造時期，南北向為中國巖石圈的主要應力方向，其中北北東-南南西的走向為中國西部的主要應力方向，北北西-南南東為中國東部的主要應力方向；到了新構造時期，地應力方向發生了翻天覆地的變化[6]。只有新疆的大部分地區與青藏高原的西部的主要應力方向仍舊為北北東-南南西走向，中國北方大部分地區的主要應力方向已經有了全新的走向，即北東東-南西西至東西，中國南方大部分地區便衍變成為了北西-南東走向。將新疆大部分區域與青藏高原西部、中國北方發部分地區、中國南方大部分地區合并起來看，總體呈現出了一種放射狀散布的特點，這與之前構造期表現出來的構造應力場都是不一樣的。

就煤礦開采中的應力來說，煤礦開采的應力特點主要表現：

①地殼構造運動（水平方向）和垂直方向共同作用之后便會產生式原始應力場在巖層中，而且在水平面上，通常可以將地應力分成最小水平應力與最大水平應力；

②當埋的深度加深了，垂直應力也會有一定程度的增大，實測的自重應力和垂直應力在進行公示計算的時候，計算出來的結果應該是基本相符的；

③通常情況下，垂直應力都小于最大的水平應力，甚至有些時候，垂直應力會小于最小的水平應力；

④當埋的深度加深了，水平的應力也會有一定程度的增大；

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

⑥地球在進行地殼構造運動的過程中，往往會引起一定的水平應力，提供相似的三軸試驗中的圍壓的角色則由垂直方向中的自重應力扮演。當埋的深度加深了，由垂直應力提供出來的圍壓也會有一定程度的增大，這樣在巖層中的沿斷層或者其他不連續面沒有發生位移之前，其可以傳遞出來的水平應力也會有會隨之而增大[7]。

3 煤礦開采中的地應力應用

某礦區現有十對生產礦井，2012年原煤的總產量已經達到了6500 多萬噸，其采煤技術與綜合效益在國內都算是一流的水準。本文將這一礦區作為本文的礦井應力的研究與應用試驗區。

某礦區為北西西的軸向，傾伏方向為東。有3-16 度的地層傾角，通常為7 度，寬緩褶皺為其煤田內的主要構造，所有的斷層都不是很緊密。在生產過程中，小斷層帶來的影響比較大，因為煤層中很多都是正斷層，在頂板、底板的強度不夠高的粉砂巖、泥巖與鋁質泥巖的煤層中，密集在一起的小斷層產生不了很大的落差，這樣，頂板與底板就會更加破碎。在這種地質條件下，又沒有較為先進的煤巷錨桿支護的技術，卻必須對礦山開采的生產安全性進行保障。因此，對礦區的地應力進行現場的實測，并展開相關的試驗進行研究，具有一定的必要性。

首先要對原巖的應力的測點進行布置，并對鉆孔展開施工。對原巖的應力進行測量可以為煤礦井下的巷道提供一定的施工空間。通常測量都是在運輸大巷或者實體煤巷中進行，借用應力對鉆孔的深度進行解除，可以有效地避免地質構造較為復雜的部位。通過地應力對鉆孔進行測量的時候，通常需要35-45 度的仰角。

其次，可以運用應力解除法對原巖的應力進行測量。使用應力解除法的時候要選定好導孔的位置，鉆孔的仰角通常為35-45 度，與巷道寬度的相比，導孔的深度要超過巷道寬度至少三倍。然后要對鉆應力計進行孔安裝，并對鉆孔進行清理。在安裝應力計的時候，首先要對應力計的安裝位置進行確定，只有確定好了安裝位置，才可以展開準備工作，并在指定的位置進行安裝。安裝完了應力計之后，要在安裝次日對應力進行解除，粘結劑固化的時間至多不能超過17 個小時。

4 結語

綜上所述，地應力又被稱之為巖體的絕對應力、初始應力，指的是潛藏在沒有受過工程干擾的地層之中的一種天然應力。地應力是對工程巖中的體力學屬性進行確定，并對圍巖力學的定性展開分析與研究，實現巖土工程設計與施工科學化的重要前提。在煤礦開采的過程中，對巷道進行掘進，對工作面進行回采是其開采的主要活動形式，同其他的地下采礦工程一樣，研究與應用地應力的意義已經越來越突出，越來要重要的。因此，在煤礦開采的過程中，對地應力的特點及其應用展開分析與研究，具有一定的研究價值與工程價值，也具有一定的必要性以及意義。

[1]陳炳強.科學管理方法在煤礦中應用的新起點——記系統工程在煤礦開采中應用專題學術討論會[J].煤炭科學技術，2006（12）：5-7.

[2]康志華.煤礦開采中綜合機械化和機電一體化的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2013（09）：35-36.

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

[4]邱忠明.淺談機械化在煤礦開采中的應用[J].中國城市經濟，2011（06）：283.

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

[6]韓衛清.輕型低位放頂煤工藝在西山礦區的適應性分析[J].科技情報開發與經濟，2008（34）：68-70.

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