试论矿山压力影响因素与力学分析

马红涛

【摘 要】矿山工程中，由于采掘活动破坏和改变了原岩应力状态，引起应力重新分布，使围岩变形、离层、移动以及破坏垮塌等。工程实践中把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压力，简称矿压。矿山压力是采掘工程引起的，如果没有巷道开掘和采煤工作，就不存在矿山压力，采动前原岩应力是矿山压力产生的根源。希望通过本文的研究，对煤炭的科学开采提供一定的理论依据。

【关键词】煤矿开采；工作面；矿山压力；影响因素

煤炭在开采之前由于岩体静止，因而其应力一直维持平衡的状态，煤炭的开采过程直接将这种平衡状态打破，导致岩体内部重新进行了应力的分布，一旦新分配的应力超出了煤岩所能承受的极限时，便会导致开采工作面四周的岩体遭到破坏，此时将会导致工作面四周的煤在岩体中重新进行新应力场的排布，这种因煤炭开采过程而在煤体，岩体及其支护物方面所引起的力，即所谓的矿山压力。

1.自然条件对工作面矿山压力的影响

通常而言，自然条件对矿山压力具有直接影响，自然条件主要包括两个方面，一是煤层的厚度情况，厚度越大，开采时压力升高区的煤层支撑力会发生大幅地降低，因而煤的压缩总量将会越大，此时顶板岩层将会有预先下沉等情况的发生，这就导致工作面后顶板的稳定情况更差，因而煤的厚度越大将越易出现变形，此时应当确保开采工作面具有足够强度及稳定性的支护体系；二是开采区的围岩性质，例如围岩强度等条件。若顶板相对稳定，则对于支柱所带来的压力也更小，若顶板岩石稳定性不足，则其下沉量以及对支柱所带来的压力也会更大一些。若底板岩石相对较为坚硬，则只需确保支护体系的强度不影响顶板的压力分布即可，而可缩量应通过支柱进行承担。但是，当底板岩石强度不够时，此时其底很难承受顶板所带来的压力，因而很容易遭到破坏，出现支柱插人底板的情况，进而对煤矿的安全生产带来巨大的影响。若顶板足够坚硬，则其通常不会出现跨落的情况，但是应当注意的是，在裸露面积不断增大的情况下，一旦达到某极限时，将会导致顶板出现大面积的一次性跨落情况的发生，进而导致工作面支柱被大面积地推倒，后果十分严重。

2.生产条件对工作面矿山压力的影响

通常而言，控顶的距离将会对煤炭开采工作面的矿山压力带来较大程度的影响。因此，尽量将工作空间的宽度减少，同时借助于煤壁所带来的支撑作用，将会大幅度减少顶板的下沉量，降低采空区支柱方面的压力，这样即最大程度地降低了对顶板的破坏程度，确保了顶板岩石的完整性。由于顶板的下沉量同顶板的变形程度有关，变形程度越大，顶板离层情况也越严重，进而导致工作面的支柱压力越大。此外，煤矿生产过程中的工艺流程也会对矿山压力带来影响，尤其是对于顶板的下沉速度所带来的影响更大。据统计，在顶板受工序影响情况较小的情况下，此时其下沉速度几乎是停止的。而放顶及割煤工序等会加快顶板的下沉速度以及支柱压力的增长情况。通常而言，放顶过程中所引起的动力会加快顶板下沉的速度，据统计，顶板下沉总量的8%一30%是因放顶所造成的。而放顶之前的6m及其放顶之后的巧m对于顶板下沉速度的影响是最大的，对于此种情况而言，可借助于单体液压支柱来改善这种剧烈下沉的情况。此外，放顶过程中的顶板下沉速度还同顶板和底板岩体性质、开采煤炭的硬度、煤层的厚度、支护质量及其材料等因素有关。对于割煤过程而言，其对于顶板的下沉量有关，据统计，顶板下沉总量的巧%一45%是由于落煤所导致的，由于割煤过程使得暴露面积急速增加，因而导致了顶板的下沉速度不断增大。

3.开采工作面的推进速度对工作面矿山压力的影响

除了上述因素外，煤矿开采工作面的推进速度情况也会对开采工作面的矿山压力带来相当程度的影响。通常而言，工作面的推进速度大，则顶板的下沉速度也相对较大，不过，绝对下沉量以及由顶板带给支柱的压力相对较小，因而一定程度上增大了顶板的稳定程度。此外，顶板下沉量同顶板的控制时间方面也存在着一定的关系，控制时间越短会使得工作面的矿山压力移动速度增大，因而一定程度上对于煤壁完整性的提高具有一定作用。

4.顶板及支护材料等的管理办法对工作面矿山压力的影响

通常情况下，支架的支撑力几乎无法对上复岩层挠曲形状带来影响。因此，支柱起到两个作用即可，一方面是支撑作用，一方面是可压缩作用。支撑作用是最基本的要求，支柱应当能够确保直接顶的完整性，确保其不离层，而可缩性也很重要，但是，其必须能够适应上复岩体的挠曲程度。从目前的支护材料的应用来看，木柱无法适应纵向可缩性，HzwA支柱具有的可缩量过大，HzJA支柱则具有较适宜的可缩性，但是其支撑力相对较差，随着单体液压支柱的应用，顶板事故的发生率得到了大幅度地降低。

5.煤炭采空区的处理办法对工作面矿山压力的影响

在采空区的处理办法中，全部跨落法在顶板跨落之后可将采空区空间充满。若直接顶板跨落之后，无法实现采空区空间的完全充满时，应采用人为放顶方法，此时采用放大炮的效果相对较好。对于顶板较为坚硬的煤层而言，通常可采用木柱进行支撑，或采用局部进行充填的方法。

6.工作面顶板破断的力学分析

6.1采场开挖过程的顶板损伤特点

采场基本顶破坏的实质是不断开挖下的渐进破坏过程，岩石作为一种含有裂隙等缺陷的天然损伤材料，由于裂隙和缺陷的扩展是不可逆的，岩石具有明显的记忆特性，这种工艺过程对研究采场基本顶破断机理非常重要。例如神东矿区浅埋煤层工作面来压剧烈，发挥现代化采支设备的效能就应该从符合开挖工艺的分析手段人手仔细研究顶板破断机理。采场开挖工艺过程的主要特点是分步开挖引起的损伤积累，顶板的破断形态和垮距将受这种工艺过程的明显影响，浅埋煤层的顶板稳定性主要取决于基本顶关键层的稳定性。

6.2工作面顶板初次破断机理

采场岩体作为天然材料，是一种自然损伤体，随采空跨度的增加，顶板岩层中部下侧的拉应力区向开切眼侧发育，这是因为岩梁自开切眼侧逐渐向工作面煤壁延长，岩梁的中部是从开切眼侧逐渐向工作面侧发展，而基本顶中部点经历了一个反复受载累积损伤的过程。当岩梁长度接近极限跨距时，岩梁下部拉应力破坏区向上发展，使岩梁有效厚度变厚，在剪切作用下发生剪切破坏，破断点应靠近切眼侧，呈前长后短的非对称性。岩石力学研究认为岩体基本上属于非抗拉材料，岩石损伤力学的研究也发现岩石的微观破坏为拉破坏。

6.3工作面基本顶周期性破断机理

基本顶在经过初次破断后，由原来的固支岩梁变为一端悬空的悬臂岩梁，岩石的受拉破坏机理以及这种岩梁的形式，决定了基本顶的周期破坏形式，应该是随工作面的推进在工作面前方煤壁内某处形成达到抗拉强度时的拉应力后，再随工作面推进而逐渐使该处拉裂隙由上向下贯通到煤层，等待工作面煤壁推到此位置下而发生周期性破断。

7.结论

综上所述，煤炭开采过程中必须对上述因素进行考虑，以作全面掌握工作面矿山压力所呈现的规律，进而利用此规律来指导煤炭开采过程中出现的各种问题，及时采取有效的措施给予解决，以确保煤矿生产过程的安全性和稳定性。笔者通过对矿山工作面顶板破断的特性和机理的分析，以期使读者能够进一步的认识和理解煤矿开采工作面的矿山压力特征，并为日后的矿山压力研究工作提供一定的借鉴和参考。

【参考文献】

[1]郭奉贤主编.煤矿生产概论[M].煤炭工业出版社，2010，

[2]李鑫，孙学强，王晓燕.提升煤矿井下综采工作面单产措施浅析[J].中小企业管理与科技，2011（9）：264-264.