采场矿压与矿压显现的理论研究

郭 伟

采场矿压与矿压显现的理论研究

郭 伟

(晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 046605)

总结了矿压相关理论与知识，并对采场矿压的一般规律进行了研究。研究的内容主要是矿压的基本概念、矿压的来源，其中包括上覆岩层的重力与岩体膨胀应力、矿压显现的一般规律，综述了老顶的初次来压、采场的周期来压与顶板压力的估算、矿压显现的基本规律以及影响矿压的主要影响因素，其中包括采高与控顶距、工作面推进速度。

矿山压力;矿压显现;影响因素

岩体在受到矿山开采活动影响之前，原岩应力处于平衡状态。巷道掘进或进行矿山开采时，原岩应力平衡状态被破坏，从而导致岩体的内部应力重新分布，直到平衡状态形成［1］。由于受到采矿作业的影响，在巷道及其周围的岩体所形成的力和作用在巷道支护物上的力统称为矿山压力。巷道在矿压的作用下会导致各种力学变化，使巷硐周围岩体和支护物产生种种力学现象，称之为矿山压力显现。

1 引起矿山压力的因素

1.1 上覆岩层的重力

1) 垂直应力：σz=γZ式中：

σz—垂直应力，单位立方体上覆岩层的重力，kN/m2;

Z—该点的垂深，m;

γ—上覆岩层的容重，kN/m3。

2)水平应力：σx=σy

即：σx=σy=μ/(1－μσz)=λγZ式中：

σz、σy—水平应力;

μ—岩石的泊松比;

λ—原岩体的侧压力系数。

1.2 岩体膨胀应力

式中：

σT—由于温度的升高而导致岩石的膨胀产生的应力;

β—岩体的线膨胀系数;

α—岩体的温升梯度;

Z—垂直深度，m;

E—岩体的弹性模量。

2 矿山压力显现

工作面中的煤及其岩层随着开挖的进行，应力将重新分布。在采动的边界部位将会承受着比较高的应力作用，煤及岩体受力状况会发生明显的改变［2］。当承受的压力值并没有超出极限强度时，围岩将会处于比较稳定状态;而采动边界部位的煤及岩体所承受的压力超过极限强度时，围岩处于不稳定状态，产生煤及岩体的破坏和顶板下沉等矿山压力现象。煤及岩层在开采后，由于矿压作用而表现出来的支架变形、围岩产生运动等现象，称之为矿山压力显现。

3 矿山压力显现规律

3.1 概 述

在实际生产过程中，回采工作面常有一系列矿山压力现象，并且习惯上用这些现象作为衡量矿山压力程度显现的指标。一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对的移近量。随着工作面的推进，顶底板处于不断移动的状态［3］。

3.2 老顶的初次来压

当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳，可能伴随滑落失稳，如图1所示，从而导致工作面顶板的急剧下沉。

图1 老顶断裂成岩块后的转动

3.3 采场的周期来压

周期来压的表现形式有顶板的快速下沉，顶板的下沉量增大;支柱所受载荷增加，还会引起煤壁片帮、顶板发生台阶下沉等现象。晋城煤业集团赵庄煤业九层一区段工作面周期来压时的特征，见表1。

表1 顶板周期来压特征表

当上覆岩层存在多层坚硬岩层时，对采场来压产生影响的可能不只是邻近煤层的第一层坚硬岩层，破断后会影响采场来压显现，从而导致采场周期来压步距并不是每次都相等［4］。

3.4 顶板压力的估算

工作面支架受力情况可简化，一个是直接顶的载荷，第二个是老顶通过直接顶作用于支架的载荷。

1)直接顶载荷Q1。

式中：

∑h—直接顶厚;

L1—悬顶距;

γ—体积力。

2)老顶的载荷Q2。

a)以直接顶载荷的倍数估算。

式中：

n—老顶来压与平时压力强度的比值，称为增载系数，取2。

式中：

M—采高;

Kp—碎胀系数。

b)用控制老顶变形失稳的位移量来计算。

式中：

△h0—实测所得回采工作面顶板下沉量;

△hi—要求控制的回采工作面顶板下沉量;

K0—顶板下沉量为△h0时，老顶岩梁在控顶距范围内的作用力。

上述各种估算法，各有其试用条件，所以不同的情况可以选用不同的估算法。

4 影响矿山压力显现的因素

4.1 采高与控顶距

影响上覆岩层破坏状况的重要因素之一就是采高。随着工作面的开采，上覆岩层移动的规律可用曲线表示，曲线是按照Sx=Sm(1－e－axb)的关系变化。而曲线的性质不会随着工作面中的支架的支撑能力的变化而改变［5］。这种关系表示见图2。

图2 覆岩层移动与工作面空间顶板下沉的关系

图中，▭为煤壁支撑区的影响角。其关系为：

令 S0=0，∑h=m/(Kp－1)

式中：

L0—移动曲线中最大曲率点的距离;

L—控顶距;

S0、SL—L0、L范围内的岩层与顶板的下沉量。

由此可知，回采工作面顶板下沉量大小与控顶距和采高的大小成正比。

4.2 工作面推进速度

工作面的推进速度对顶板下沉量的影响，也可用顶板下沉量s与时间t的坐标关系表示。从一般的分析可知，因为支撑力对煤壁的压裂过程以及在采空区的压实过程，均为时间过程;并且上覆岩层破断后，岩块间的相互咬合也经常要经历失稳阶段以及极限平衡状态［6］。因此，反映在工作面，顶板下沉也是一个时间过程。一般在工作面测定的“s－t”曲线见图3。

在工作面中进行落煤与放顶时，顶板下沉表现最为剧烈，平时则比较缓和。

图3 工作面实际测定“s－t”曲线

5 结语

在大多数情况下，矿山压力和矿山压力显现对地下开采工作造成一定的危害。为了不影响地下开采工作有序正常的进行，保障安全生产，一定要运用各种有效的措施把矿山压力显现控制在安全的范围内，然而对于那些有利于地下矿山开采的矿山压力显现，应当合理的利用。

［1］ 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003：45－50.

［2］ 宋占国.煤矿采场矿压的一般规律理论研究［J］.煤炭技术，2009，28(2)：59－62.

［3］ 刘长友，钱鸣高，曹胜根，等.采场支架阻力与顶板下沉量关系的研究［J］.矿山压力与顶板管理，1997(3－4)：13－15.

［4］ 邹喜正，李华祥.构造应力对巷道布置影响的理论分析［J］.煤炭设计，1998(11)：17－19.

［5］ 钱鸣高，缪协兴，何富连.采场”砌体梁”结构的关键块分析［J］.煤炭学报，1994(6)：557－563.

［6］ 许家林，钱鸣高.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用［J］.中国矿业大学学报，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 伟(1984—)，男，山西高平人，2006年毕业于山西省煤炭职业技术学院，助理工程师，主要从事煤矿开采技术管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com