矿山压力对含水层下回采工作面的影响

董平

【摘 要】回采工作面是矿的主要生产场所，矿山压力是影响回采工作面的重要因素，研究与分析矿山压力规律是实现回采工作面安全生产的关键环节。本文系统的分析了矿山压力理论的研究现状与发展趋势，研究了矿山压力对含水层下回采工作面的影响，研究结果为矿山开采的设计提供一定的理论参考与智力支持。

【关键词】矿山压力 含水层 回采工作面

【中图分类号】TD823.9 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0380-01

一、引言

矿山工程中，在采掘巷道或进行回采工作时破坏和改变了原岩的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，这种由于在地下开采活动在围岩与支护物上所引起的力为矿山压力。矿山压力作用下，围岩和支护物表现出围岩变形、破落、离层、支架受力变化、煤岩突出、移动或破坏垮塌等力学宏观现象，这就是矿山压力显现。矿山压力通常来源于自重应力、构造应力、膨胀压力三部分，矿山压力显现形式主要涵盖支架变形与折损、顶板下沉、支柱插入底板、顶板破碎、大面积冒落、底板膨胀鼓起等，引发了许多重大事故。以中国煤矿采掘顶板事故为例，其事故比例占整个煤矿安全事故的比重超过了 40%，影响的产量大约占总产量的5%。伴随采矿工业与交叉科学技术的不断发展，矿场向深部开采，应力环境越来越复杂，人们逐步认识到研究矿山压力显现规律的重要性，理论上更深层次的研究矿山压力的显现规律，预防在实践工程中由矿山压力引发的相关事故。

二、矿山压力理论的研究现状与发展趋势

探究矿山压力理论发展的历史沿革，1928年，德国人哈克和吉里策尔认为回采工作空间的上方岩层处于自然平衡状态形成了一个压力拱，提出压力拱假说；德国施托克在1916年通过假说来解释顶板下沉与支架受力关系、周期来压与来压步距关系、工作区出现的周期来压现象、工作面前方支承压力。前苏联库兹涅佐夫提出铰接岩块假说，阐明了工作面上覆岩层的分带情况，对支架和围岩的相互作用做了较详细的分析。国内矿山压力理论的研究现状，钱鸣高院士主要研究了结构的平衡条件与裂隙带岩层形成结构的可能性，构建出上覆岩层开采后呈砌体梁式平衡的结构力学模型；宋振骐院士在20世纪80年代，基于老顶传递力的概念“传递岩梁”假说；钱鸣高院士领导的课题组凭借多年对顶板岩层控制的研究与实践，提出岩层控制中的关键层理论。近年来，我国对矿山压力显现规律、岩层控制、支架与围岩关系等进行了深入的研究，对矿产开采的安全、高效生产提供了保证。分析矿山压力理论的研究的发展趋势，首先是精确化现有的采场矿山压力理论，通过科学、精确、合理的采场矿山压力理论来保证回采工作面的安全开采，其次是因地制宜来发展矿山压力理论，最后是未来的采场矿山压力理论向着应对新的深井条件和减少对环境的破坏的方向发展。

三、矿山压力对含水层下回采工作面的影响

正确分析和评价矿山压力及矿山压力显现形式是确保含水层下回采工作面安全开采的关键。矿山工程中，回采工作时破坏和改变了原岩的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布形成的矿山压力给含水层下回采工作面的安全施工带来直接的影响，首先在周期来压期间，煤体内的支承压力达到最大，导致对底板破坏严重；初次来压期间，煤体内的支承压力达到最大，对底板破坏严重；开切眼附近；老顶的大面积显露，直接顶不能充分垮落，底板形成较大的自由面。其次工作面推进速度慢，工作面突然停止推进或在停采线处易突水以致含水层支承矿山压力作用时间过长，易造成回采工作面的突水；最后在区段煤柱附近，由于顶板垮落不充分，导致固定支承压力作用下底鼓，易造成突水。底板承压水水压成反比，即随着底板承压水水压的增大，底板岩层的稳定性降低。分析矿山压力对含水层下回采工作面的影响，第一，采矿过程中的矿山压力对工作面底板存在严重的破坏作用，在产生新裂隙同时导原有断裂构造活化，是矿山底板突水的关键诱导因素；第二，在临界矿山压力下，伴随工作面宽度的拓宽，底板岩层的稳定性相对降低；第三，矿山压力对底板的破坏作用与工作面顶板岩体性质相关，在工作面的顶板不容易冒落时，矿山压力对底板的破坏作用越明显，工作面越易出水。实践矿山回采过程中通过缩短工作面长度来降低冒落高度，有效发挥防水煤岩柱的保护作用，进而实现含水层下的安全回采；第四，实践经验表明，开采深度、采高和控顶距、矿层倾角、工作面推进速度以及支护材料与顶板管理的方法都是影响采煤工作面矿山压力的重要因素，这些因素的科学设计与合理把握是保证回采工作面上安全生产的前提条件。

四、总结与建议

随采矿工业与交叉科学技术的不断发展，矿场逐步向深部开采，应力环境变得异常复杂，含水层下回采工作面的安全生产对整个工程的稳定运营有着重要的意义。为保证矿山压力含水层下回采工作面的安全生产，首先，在理论上深入研究矿山压力显现的具体特征形式，分析含水层的载荷传递特性、含水层骨架颗粒的特征、含水层的渗透性能以及回采工作面的支护形式与支护强度；其次，回采方案的科学设计与规范执行是工程安全生产的重要保证。方案设计中重要研究矿区合理的回采上限，分析上覆水体的规模、渗透性大小、上覆岩层的岩石力学性质、煤层本身的强度、开采方式、水体下保护层岩性、煤层本身的强度以及矿层底板的力学性质等相关因素；最后，高度重视矿山压力与支护质量的监测，通过精准的监测数据来指导施工，确保矿山压力下回采工作面的安全生产。

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