采掘過程中沿空留巷圍巖應力演化分析

趙 陽

（平頂山天安煤業七礦有限責任公司，河南 平頂山 467000）

目前很多礦產資源掩埋程度較深，需要采取安全性和穩定性較好的采掘技術。相對而言，沿空留巷顧及很多實際情況，并且技術性較強。沿空留巷雖然在技術理論上獲得了較大的成功，但部分工作仍然存在些許瑕疵［1］。本文主要對采掘過程中沿空留巷圍巖應力演化進行討論。

1 圍巖應力演化數值模擬

在采掘過程中，圍巖應力的演化影響因素很多，倘若直接在實踐中探尋，不僅浪費時間，同時還會遇到未知的危險，造成客觀上的損失。為此，我們應首先對圍巖應力演化進行數值模擬，將模擬的結果與實際搜集的情況相結合。另一方面，在圍巖應力演化數值模擬的過程中，需考慮到采掘工作的限制性條件，不可假設無任何阻礙［2］。

1.1 三維數值模擬試驗設計

圍巖應力演化需要大量的計算才能得到，雖然實際情況與理論可能存在差異，但演化計算的過程，會將所有的差異降到最低。在圍巖應力演化數值模擬的過程中，首先應該對三維數值模擬試驗進行設計。本文選擇美國明尼蘇達大學和美國Itasca Consulting Group Inc。共同開發的三維有限差分數值模擬計算程序來進行。另外，考慮到實際情況，同時也為了更加透徹地了解沿空留巷圍巖應力的演化情況，主要對三種頂板條件下的圍巖應力演化進行了研究，分別為厚直接頂、薄直接頂、無直接頂。具體設計如下：第一，調查沿空留巷工作的各項條件，觀察是否有特殊情況，并對所有的條件進行整理分析，建立立體模型。第二，設計的模型尺寸應與現實工作相符合。第三，在模型底部的邊界部分，應采取輔助性措施，例如，在垂直的方向上，固定位移。第四，左邊和右邊的邊界部分，應在水平位置上進行固定。第四，由于各個煤層的巖層力學性質不同，因此了解實際情況后，才能進行相應的設定，并制作相應的統計表，按照相應的計算模型來計算［3］。

1.2 采掘過程的應力分布

采掘過程中，通過了解沿空留巷的圍巖應力分布，可進一步確定采掘的強度和效率，對后續的采掘方案制定有較大的積極意義。經過長久的討論和分析，認為采掘過程應力分布主要集中在以下幾個方面：第一，超前支承應力、迎頭支承應力、滯后支承應力。無論三種應力如何分布，其結果都是一樣的。厚直接頂為最高，薄直接頂次之，無直接頂墊底。第二，隨著掘進不斷推進，側向支撐應力也會呈現持續增大。表現的規律為：距離迎頭越遠，峰值越大。由此可見，在這種規律的作用下，與重新分配應力沒有太大差異。且在整個過程中，隨時間不斷延長，應力峰值會持續增加。第三，對巷道實施掘進作業以后，煤巖體內應力會重新分部，巷道兩側所產生的側向支承應力需要重點考慮［4］。

1.3 沿空留巷期間圍巖應力的演化

采掘過程中，圍巖應力的變化存在很多干擾因素。沿空留巷雖然是現階段比較先進的技術，但仍然有疑惑沒有解開，本文作者經過大量的研究和分析，認為沿空留巷期間圍巖應力演化，主要集中在以下幾項結論當中。第一，在工作面的前方位置，實體煤側或者是工作面側，無直接頂狀態的支撐應力，必然低于薄直接頂以及厚直接頂的支撐應力。另外，薄直接頂與厚直接頂的差異不是很大。第二，在工作面的后方位置，當直接頂厚度減小時，其支承應力集中系數會持續增大。第三，在工作面的后方位置，在直接頂厚度減小的過程中，其支承應力的峰值會隨著位置逐漸遠離工作面，也就是說，直接頂厚度減少，支承應力峰值位置卻深入煤體之中。

2 圍巖應力分布規律原位實測研究

圍巖應力分布規律原位實測工作屬于實踐性較強的工作，需要根據具體情況，適當變換方法。

2.1 充填體受力

沿空留巷是一種可行性較高的方法。首先，工作人員應采取有效的方法進行觀測。多數情況下，技術人員會在充填墻體當中埋設壓力，來完成墻體的受力觀測。其次，壓力計的選擇尤為重要。第三，充填工作開始之前，應將壓力計的位置設定好，一般會將壓力計放在充填空間的上部，壓力計表盤將會從側面的模板上方引出。第四，通過上述的工作，可獲得充填應力在工作面推進過程中的一些變化，總結出相應的規律。相對而言，充填體受力是比較簡單的工作，但要把握好細節，否則很難保證充填體受力的效果。

2.2 煤體受力

充填體受力工作完成后，就需要觀測煤體受力。煤礦處于深山內部，要想取得理想的煤體受力結果，第一，選擇性能較高的應力計進行測量工作。第二，鉆孔內的應力存在較大變化，此時可通過一些簡單的措施來了解和處理。例如，在鉆孔應力出現變化時，枕兩面的包裹體，將會自動傳遞到應力枕內的液體當中。液體充當了媒介作用，該液體的壓力會經過油管，傳遞到壓力表，最終表現出相應的壓力數值。

2.3 測站布置

在圍巖應力分布規律原位實測工作中，充填體受力及媒體受力并不是特別復雜，最關鍵的是測站布置工作，不僅要充分利用之前的工作成果，還應考慮到最終的結果是否正確，能否持續搜集相應的信息或者資料。在此，采掘過程中沿空留巷圍巖應力演化比較多樣，不僅會對沿空留巷工作產生影響，同時還會對采掘的進度和質量造成影響。現階段我國煤礦較多，深入采掘后，發現圍巖應力表現出了突出的地域性特點，應根據當地的實際情況進行分析，借鑒周邊成功案例和研究成果，來促進沿空留巷工作的順利開展。

3 總結

本文對采掘過程中沿空留巷圍巖應力演化進行了討論，目前，圍巖應力演化已經得到確認，沿空留巷工作不僅順利開展，還提高了工作的安全性和效率性。今后，需要進一步對相關領域進行研究，通過健全采掘方案和技術體系，豐富研究理論，加強實踐，促進我國礦產資源的開采和開發。

［1］闞甲廣，張農，李寶玉，等.典型留巷頂板條件下巷旁充填體支護阻力分析［J］.巖土力學，2011（9）：2778-2784.

［2］闞甲廣，袁亮，張農，等.留巷充填區域頂板承載性能研究［J］.煤炭學報，2011（9）：1429-1434.

［3］韓昌良，張農，錢德雨，等.大采高沿空留巷頂板安全控制及跨高比優化分析［J］.采礦與安全工程學報，2013（3）：348-354.

［4］康紅普，牛多龍，張鎮，等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護技術［J］.巖石力學與工程學報，2010（10）：1977-1987.