浅析矿压理论在深部开采巷道支护中的应用

彭余生

（开滦能源化工股份吕家坨矿业分公司，河北省唐山市，063107）

浅析矿压理论在深部开采巷道支护中的应用

彭余生

（开滦能源化工股份吕家坨矿业分公司，河北省唐山市，063107）

依据应力重新分布理论，简要分析了采动应力场调整的空间和时间特性，通过经典案例分析和经验总结，阐述公司在解决深部矿井巷道支护的做法和效果。

矿压理论 空间三带 时空特性 总结应用

随着吕家坨矿业分公司井下煤炭开采强度和开采深度的不断加大，原岩地应力也在不断增大，地压问题越来越突出，特别是全面实现水旱转型期间，对巷道断面的要求越来越大，如何加强支护已经成为安全生产环境、设备运行环境和质量标准化等方面亟待解决的主要问题之一。

1 应力场重新调整的空间特性和时间特性

由于煤系地层是一个连续实体，进行采掘工程导致应力场重新分布可以通过实体之间的接触相互传导。开始上覆煤层工作面开采后形成的应力场会传导到该煤层底板一直传导到下覆的各个煤层。理想状态下单一煤层的应力向底板传导情况见图1。

从图1中看到：煤柱下方应力值明显大于回采工作面采空区的下方应力值，非常明显的看出了增压区和减压区向底板进而向下覆煤层的传递。

相应的本煤层工作面开采后形成的应力场同样也向上覆煤层传导，工作面开采后，应力场的空间分布和调整是三维的、立体的。应力场调整后空间分布情况见图2。

图1 单一煤层的应力向底板传导情况

从图2中可以明显的看出应力场重新调整的空间特性：工作面开采后，以回采工作面为中心形成一个断面近似“钟”形的立体减压空间，对上覆区域和下覆区域起到一定的卸压作用；在立体减压空间以外则为立体增压空间；对顶板的影响偏小而对底板的影响范围偏大；应力场中应力最小的位置是实体煤与采空区的交界处附近。

图2 应力场调整后空间分布情况图

应力场的重新分布不仅具有空间特性，而且存在明显的时间特性。通常从应力场开始重新调整到发生围岩断裂变形、引起强烈的矿压显现是有一段时间的，这是第一次应力场重新调整的过程；当围岩发生断裂变形本身基本失去抵抗作用后，应力场将会进行第二次重新调整，如此循环，最终达到应力场的平衡状态。即应力场的调整具有一定的时间周期。如该公司6171下工作面两巷，基本上都是在巷道掘进3个月左右的时间后，巷道开始全面来压的。其实是从两巷开始掘进的那一刻就已经开始了应力场的重新调整了，经过3个月左右的时间围岩开始进行断裂变形进而开始矿压显现的过程。

在回采工作面的推进过程中，这种应力场重新调整的时间特性也是非常明显的。比如5475工作面开采后30天左右的时间大巷才有初步压力显现。

应力场重新调整的时空特性是客观存在的，认真、细致地研究它的时空特性、合理应用时空特性将会很好地指导我们的具体工作，往往达到事半功倍的出奇效果。

2 主动让压支护理论在采掘巷道支护中的应用分析

合理理解和运用应力场重新调整时空特性，对井下采掘工程将会有相当大的影响，特别是公司当前开采深度已经到－950m的情况更显得重要。“加强支护、保证安全生产所需的工作空间”是井工开采矿井中的永恒主题，如何加强支护有许多方法。从应力场重新调整时空特性的角度分析加强巷道支护有如下几种方法。

2.1 抵抗应力（抗压）

基本原理是提高支架本身的支撑能力或增加支护密度，用强化支护的手段去抑制或减少围岩移动，增强巷道抗变形能力以对付矿压的作用。基本措施是增大型钢重量，提高支架承载能力，增加支护密度。优点是巷道布置地点及掘巷时间可不受限制，缺点是要消耗大量支护材料，支护劳动量大，开采费用大幅度提高。

5323运输巷采用密集木柱来加强巷道的支护强度，支架型钢从25U变成29U就属于这种类型。

2.2 忍让应力（让压）

基本原理是在采用适当支护措施和保持支架本身不遭受严重损坏的前提下，容忍围岩产生一定变形，以释放掉一些能量（也称应力释放）。基本措施是采用有一定工作阻力的大可缩量支架为巷道受压收缩预留备用断面容忍巷道底臌，然后进行卧底。优缺点是可在一定程度上利用围岩自承力，减轻支架受载，对生产极为有利，但会增加支架结构的复杂性或多支出掘进和卧底费用。

2.3 躲避应力（躲压）

基本原理是将巷道布置在应力经重新分布后岩体已处于卸载状态的天然低应力区，从时间上或空间上躲开高应力的作用。基本措施是在煤体边缘或煤体下方的低压区内布置巷道，错过高压作用的时间，等压力充分稳定后再掘巷。优缺点是可在不同程度上减轻巷道受压，有利于支护工作，但有时要多开一些辅助巷道（如联络眼等），或要求延迟掘进时间。如6172上工作面的成功回采、5377工作面8＃煤层运输中间眼采空区下掘进、5484工作面两巷布置在7＃煤层采空区下方，都利用躲避应力的原理。

2.4 转移应力（移压）

基本原理是通过人为方法使巷道围岩受到松动，形成卸载槽孔或其他形式的卸载空间，迫使载荷转移到离巷道较远的地点，达到减轻巷道受压的目的。基本措施是在巷帮或底板中形成卸载槽孔掘进或在巷旁故意留出卸载空间。优缺点是巷道布置地点及掘进时间可不受限制，但要增加与采用卸压措施有关的额外费用。如在5323运输巷掘进处理煤体瓦斯问题时，采用了人为调整应力、转移应力的大直径超前钻孔的方法，在控制瓦斯上取得了较好的效果。

2.5 甩掉应力（甩压）

基本原理是利用应力场重新调整的时间特性原理，在围岩还没有发生断裂变形之前，就离开这个区域。与放炮过程不能引起瓦斯爆炸的原理相同，在尚未点燃瓦斯之前，放炮过程已经结束一样。基本措施是提高速度和保证质量。优缺点是可以很好的控制应力，但是对队伍、管理要求非常高。

公司6172上工作面的回采过程非常明显地体现出了甩压的原理。

3 经典案例分析

3.1 6172上工作面的开采

3.1.1 工作面情况简述

6172上工作面三面属于孤岛煤柱、高应力区域，与之相邻的5370工作面于2000年回采完毕，6172工作面于2003年回采完毕，6171工作面于2002年回采完毕。

设计走向360 m，工作面倾斜长度90 m，煤层厚度3.5 m，实际回采厚度在2.5 m左右。煤层倾角13～14°。工作面内部除存在部分断层外还有6条5370工作面的废弃巷道（废弃巷道合计全长397 m）纵横交错占据了该工作面50%的区域。废弃巷道中大部分的支架没有回收。

6172上工作面于2005年10月份开始回采到2006年2月份基本结束。在回采的过程中运输巷压力很小，属于免维护巷道；轨道巷压力较大，但仍然可以控制在允许的范围之内。

3.1.2 获得成功的因素分析

（1）运输巷位置。

选定在应力场中压力较小的位置，达到了躲压的效果，基本消除了在采掘工作过程中的巷道维护工作。

根据应力场空间特性理论：应力场中应力最小的位置是实体煤与采空区的交届处附近，同时考虑到通风和掘进的要求，将该工作面运输巷位置确定在与6172工作面采空区相距2 m的位置，通过实际情况看，在掘进和回采过程中基本没有压力显现。为安全生产、设备运行提供了必要的空间。

（2）轨道巷位置。

布置在了应力较大的位置，运用忍让应力的方法使巷道的维护获得了成功。

由于6172上工作面上部的5370工作面煤柱呈现不规则状态，不可能将轨道巷布置在完全躲避应力的位置，因此采用了里半部躲避应力和外半部忍让应力的方法选择轨道巷的位置，使采掘过程中巷道维护工作达到最小的状态，在实际回采的过程中，通过对轨道巷外半部局部卧底的方式，较好地解决了巷道维护问题，达到了安全生产必须的断面条件。

（3）效果。

按照应力场调整的时间特性可知：如果推采速度超过应力场调整后矿压的显现速度，也就是说当围岩还没有发生断裂变形时，就完成推采过程是可以将压力显现过程甩在后面的；从岩石应力应变全程曲线上来讲，就是在峰前区区间内完成推采工作，就可以很理想地解决由于巷道压力显现、采面压力显现造成难于维护或维护费用增大的问题。

6172上工作面在推采的过程中，推采速度比较快，保证了在围岩发生断裂变形之前完成回采－移架－放顶过程，也就是说将围岩的断裂变形过程放到了采空区里面，达到了甩压的作用和效果。

3.1.3 影响6172上工作面推采速度的因素

工作面设计时，利用了应力场调整的时空特性，在运输巷位置选择和优化的过程时，采用了躲压的方法将其布置在应力最小的空间位置，基本避免了回采过程中巷道维修；轨道巷位置选择时，采用了躲压和忍压相结合的方法，将其布置在应力相对较小的位置，减小了回采过程中的巷道维修量；工作面倾斜长度比较小，只有90 m，每割一刀煤所占用的时间较短。

在生产组织过程中，加强现场管理，保证了正规循环和必要推进速度。

3.2 5377工作面的开采

3.2.1 工作面情况简述

5377工作面位于－800 m三采区域，上部是5373水采工作面采空区和5375旱采工作面采空区，煤柱呈现不规则的状态分布；下部是6171工作面采空区，煤柱呈现规则状态分布。

该工作面设计走向长度为1200 m，倾斜工作面长度60 m，煤层厚度为3.5～4.5 m，煤层倾角13°左右。实际工作面走向长度只掘进了880 m，倾斜长度60 m。

3.2.2 开采效果不理想的因素分析

工作面两巷的位置选择中，没有很好地考虑应力场调整的时空特性，导致两巷在掘进的过程中压力显现强烈、变形严重，无法正常掘进，被迫提前开切眼回采。

（1）运输巷位置分析。

运输巷下部是6171工作面采空区，属于规则煤柱，按照应力场调整时空特性应力最小的部位应该是煤柱的边缘部位，一般在2～3 m的煤柱范围内是压力较小的空间。而运输巷的实际位置是6 m以里的位置，这个位置正好是应力较大的位置。

如果运输巷的位置也和6172上工作面一样，留设2 m小煤柱或者更小的小煤柱，运输巷可能就是另外的一种情景了。后来掘进的8＃煤层运煤中间眼的实践佐证了这种推论和假设。

（2）轨道巷位置分析。

轨道巷上部是5373水采工作面采空区和5375旱采工作面采空区，煤柱呈现不规则的状态分布，轨道巷设计位置与采空区最近的煤柱是4 m，而其余80%煤柱都在8 m以上。这个位置正好是在应力场调整过程中压力最大的区域。后来在掘进和回采的过程中，尽管采取强度较大的忍压措施——扩帮和卧底，但是由于工作面走向长度较大、推采速度较慢，也很难改变被动局面。

（3）按照应力场调整时空特性理论推想。

该工作面顶板属中砂岩，构造简单，如果在选择轨道巷、运输巷空间位置时考虑应力场调整时空特性，和6172上工作面一样尽量将两巷布置在减压带范围内的话，5377工作面将会给公司的生产和安全工作带来与之相反的好效果。

4 结论

通过对吕家坨矿业分公司5年多在巷道支护方面的实践分析，深入研究应力场调整的时空特性并将其和生产工艺过程紧密地结合起来，用理论指导实践。按照应力场调整的时空特性规律，在抗压、躲压、忍压、移压和甩压这5种方法中，抗压属于“硬”的范围，在井下有些地点就必须采用抗压的方式来解决支护问题，它是“巧”的基础；其余4种均属于“巧”的范畴，“巧”只有在“硬”的基础上才能获得更好的效果。宜硬则硬，宜巧则巧，因地制宜，将“硬”和“巧”有机的结合起来，是解决深部开采巷道维护的根本途径。

从2005年到现在，利用矿压的原理和理论支护方式，解决了深部开采巷道的维护问题，取得了非常理想的实际效果：

（1）根据抗压的原理，逐步研究合理的支护参数，提高支护系统的抗压效果。对公司金属拱型支架的型钢进行了升级，从过去的25U提高到29U，解决了架棚巷道的支护强度；锚注技术的引进解决了永久巷道的支护问题，5年来公司利用锚注技术解决永久巷道2500 m；在煤巷局部高应力地段引进与尝试使用注浆锚索技术解决采准巷道800 m。

（2）根据躲压的原理，在有条件的地点继续布置小煤柱沿空掘巷。使用小煤柱沿空掘巷技术13430 m，节省巷道维护费用6715万元，多回收煤炭资源53.43万t，节省资源费801.45万元，增加销售收入39438.82万元。

（3）根据让压原理，在不能布置小煤柱沿空掘巷的地点通过卧底等方式维持必要的安全和生产所需断面及空间。

（4）根据甩压的原理，结合当前公司回采队伍的素质和地质条件，分析、研究和总结合理的工作面面长，确保工作面的推进速度的合理性。经过几年的水旱转型、设备升级，提高了工作面的推采速度，保证了在峰前区完成回采的工作。

（5）根据移压的原理，逐步研究和试验改变局部应力场的临时应急措施。如掘进减压巷或保留巷道达到减压作用等。同时公司也正在尝试在巷道压力较大的地点采用深孔放炮技术，解决巷道压力问题的新方法。

［1］ 钱鸣高，刘听成.矿山压力及控制［M］.北京：煤炭工业出版社，1994

［2］ 闫立章.用相似模拟物理模型研究矿山压力［J］.矿业安全与环保，2009（4）

［3］ 编委会.煤矿矿井支护与防冒顶综合技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2009

［4］ 倪兴华.地应力研究与应用［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

Analysis on application of strata pressure theory to roadway supporting during deep mining

Peng Yusheng
（Lvjiatuo Mining Company，Kailuan Energy Chemical Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei，063107，China）

The roadway supporting ways were analyzed by using spatial three-zone theory and stress－redistribution theory，which are based on strata pressure theory.The roadway supporting problems during deep mining were solved by using new permanent roadway control measures on the new position in the roadway.The detailed measures and final effects of roadway supporting during deep mining were described via analysis of classical cases executed in the company and corresponding experience.

strata pressure theory，spatial three zones，space-time characteristics，summary and application

TD31

B

彭余生（1970－），男，高级工程师，1993年7月毕业于河北煤矿学院地下采煤专业，现任开滦能源化工股份吕家坨矿业分公司经理。

（责任编辑 张艳华）