煤矿开采中的地应力特点及其应用研究

王振WANG Zhen；张磊ZHANG Lei；牛宏亮NIU Hong-liang

（山东能源枣庄矿业集团，枣庄 277000）

（Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co.，Ltd.，Zaozhuang 277000，China）

0 引言

众所周知，地球无时无刻不在自传与公转着，在地球各种运动的过程中便会产生多种天然的应力，这种应力潜藏于地层中，具有较大的能量以及工程破坏力[1]。原岩应力便是潜藏在没有受过工程干扰的地层之中的一种天热应力，当人们下井挖巷道的时候，原始的地应力就会受到干扰，从而形成一组新的应力在巷道围岩之中，这一新的应力就被称之为次生应力[2]。在煤矿开采的过程中，对巷道进行掘进，对工作面进行回采是其开采的主要活动形式，同其他的地下采矿工程一样，研究与应用地应力的意义已经越来越突出，越来要重要的。

1 地应力概述

地应力又被称之为岩体的绝对应力、初始应力，指的是潜藏在没有受过工程干扰的地层之中的一种天然应力[3]。地球的自传与公转、地心引力、地幔热对流、地球内部应力、板块边界受压等各种地球运动的过程为地应力产生的主要原因。在已经发现的地应力中，重力应力与构造应力场为其主要的组成部分，当人们开始下井挖巷道的时候，原始的地应力就会受到干扰，从而形成一组新的应力在巷道围岩之中，这一新的应力就被称之为次生应力。岩石所处的地应力场与岩石表现出来的力学特性，直接决定着煤矿井下巷道围岩的矿压显的特征[4]。

2 煤矿开采中的地应力特点

随着社会经济的不断发展，科学技术也得到了不断地提高，人们在矿山工程中对地应力的认识也在不断地提高[5]。人们对矿山工程中的地应力有了一定的认识高度，便会对工程中的可能存在的地应力进行大量的检测工作，这样便为煤矿开采中的地应力特点的研究工作提供了一定的技术基础。

单就地应力的特点来说，不同时期，应力作用的主应力方向表现出来的特点也是不同的。比如在喜马拉雅构造时期，南北向为中国岩石圈的主要应力方向，其中北北东-南南西的走向为中国西部的主要应力方向，北北西-南南东为中国东部的主要应力方向；到了新构造时期，地应力方向发生了翻天覆地的变化[6]。只有新疆的大部分地区与青藏高原的西部的主要应力方向仍旧为北北东-南南西走向，中国北方大部分地区的主要应力方向已经有了全新的走向，即北东东-南西西至东西，中国南方大部分地区便衍变成为了北西-南东走向。将新疆大部分区域与青藏高原西部、中国北方发部分地区、中国南方大部分地区合并起来看，总体呈现出了一种放射状散布的特点，这与之前构造期表现出来的构造应力场都是不一样的。

就煤矿开采中的应力来说，煤矿开采的应力特点主要表现：

①地壳构造运动（水平方向）和垂直方向共同作用之后便会产生式原始应力场在岩层中，而且在水平面上，通常可以将地应力分成最小水平应力与最大水平应力；

②当埋的深度加深了，垂直应力也会有一定程度的增大，实测的自重应力和垂直应力在进行公示计算的时候，计算出来的结果应该是基本相符的；

③通常情况下，垂直应力都小于最大的水平应力，甚至有些时候，垂直应力会小于最小的水平应力；

④当埋的深度加深了，水平的应力也会有一定程度的增大；

⑤通常情况下，最小水平应力与最大的水平应力的差距比较大，造成水平应力受方向性的影响较为严重的局面；

⑥地球在进行地壳构造运动的过程中，往往会引起一定的水平应力，提供相似的三轴试验中的围压的角色则由垂直方向中的自重应力扮演。当埋的深度加深了，由垂直应力提供出来的围压也会有一定程度的增大，这样在岩层中的沿断层或者其他不连续面没有发生位移之前，其可以传递出来的水平应力也会有会随之而增大[7]。

3 煤矿开采中的地应力应用

某矿区现有十对生产矿井，2012年原煤的总产量已经达到了6500 多万吨，其采煤技术与综合效益在国内都算是一流的水准。本文将这一矿区作为本文的矿井应力的研究与应用试验区。

某矿区为北西西的轴向，倾伏方向为东。有3-16 度的地层倾角，通常为7 度，宽缓褶皱为其煤田内的主要构造，所有的断层都不是很紧密。在生产过程中，小断层带来的影响比较大，因为煤层中很多都是正断层，在顶板、底板的强度不够高的粉砂岩、泥岩与铝质泥岩的煤层中，密集在一起的小断层产生不了很大的落差，这样，顶板与底板就会更加破碎。在这种地质条件下，又没有较为先进的煤巷锚杆支护的技术，却必须对矿山开采的生产安全性进行保障。因此，对矿区的地应力进行现场的实测，并展开相关的试验进行研究，具有一定的必要性。

首先要对原岩的应力的测点进行布置，并对钻孔展开施工。对原岩的应力进行测量可以为煤矿井下的巷道提供一定的施工空间。通常测量都是在运输大巷或者实体煤巷中进行，借用应力对钻孔的深度进行解除，可以有效地避免地质构造较为复杂的部位。通过地应力对钻孔进行测量的时候，通常需要35-45 度的仰角。

其次，可以运用应力解除法对原岩的应力进行测量。使用应力解除法的时候要选定好导孔的位置，钻孔的仰角通常为35-45 度，与巷道宽度的相比，导孔的深度要超过巷道宽度至少三倍。然后要对钻应力计进行孔安装，并对钻孔进行清理。在安装应力计的时候，首先要对应力计的安装位置进行确定，只有确定好了安装位置，才可以展开准备工作，并在指定的位置进行安装。安装完了应力计之后，要在安装次日对应力进行解除，粘结剂固化的时间至多不能超过17 个小时。

4 结语

综上所述，地应力又被称之为岩体的绝对应力、初始应力，指的是潜藏在没有受过工程干扰的地层之中的一种天然应力。地应力是对工程岩中的体力学属性进行确定，并对围岩力学的定性展开分析与研究，实现岩土工程设计与施工科学化的重要前提。在煤矿开采的过程中，对巷道进行掘进，对工作面进行回采是其开采的主要活动形式，同其他的地下采矿工程一样，研究与应用地应力的意义已经越来越突出，越来要重要的。因此，在煤矿开采的过程中，对地应力的特点及其应用展开分析与研究，具有一定的研究价值与工程价值，也具有一定的必要性以及意义。

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[5]逯建刚，梁志明.薄煤层综采机械化装备配套的若干技术研究[J].科技信息，2011（10）：97-99.

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