矿山压力与岩层控制研究现状分析

贾 飞

（山东黄金地质矿产勘查有限公司，山东 烟台 261400）

20世纪50年代首次提出采矿工程岩层控制的术语，主要指矿山顶板控制，因顶板支护失效导致冒顶事故频发，成为威胁矿山开采的主要因素，随着矿山开采的发展，其他问题不断出现。70年代美国矿务局发起矿山压力与岩层控制的相关研究，矿山压力与岩层控制涉及巷帮及底鼓控制，冲击矿压等诸多问题。矿山开采破坏了周围岩体中原始应力的平衡状态，严重的会导致围岩大范围失稳，广大学者经多年实践研究，提出了系列的矿山压力假说，对预测围岩稳定性，确定合理支护提供了重要依据。

1 矿山压力研究现状

岩层控制研究是基于连续介质力学理论发展的学科，岩土力学解决土木工程领域的岩石力学参数等相关问题。采矿工程中的岩层控制研究是处理应用岩石力学特性的学科，在60年代被采矿工程专业采用，当时岩石力学研究不能完全满足采矿的需求。2014年举办了第33届矿山压力与岩层控制国际会议，成为促进单位深入探讨矿压相关问题的主流会议[1]。岩层控制已成为业界普遍采用的标准术语，岩层控制研究解决了大量煤矿设计技术问题，岩层控制研究取得了长足的进步，但矿井采掘活动面向基于原始状态的媒岩，缺少准确获知其赋存特点与工程相应特征的技术手段。不能一味选择良好的生产地质条件进行采掘活动，比重在不能全面准确获悉煤层赋存情况下进行，保证井下硐室结构稳定，其他工程学科可选择均质的人工合成材料，矿山压力与岩层控制科学不同于其他学科，现阶段岩层控制演技存在很多值得改进的地方。

2 岩层控制研究中的不足

（1）岩石力学特性。60年代时，岩石力学研究主要是在实验室进行完整的岩样力学性质测试，70年代，研究扩展到岩体强度测试，但未深入。目前在数值模拟中普遍采用4倍强度折减系数进行换算，使用强度折减系数进行换算具有任意性，其他方法只能适用于特定工程背景，过度依靠个人经验控制参数。实验室测得煤岩力学参数跨度较大，时间效应是影响岩石力学特性的重要因素，所有类型的岩石变形破坏特性表现出时间效应，很少有研究人员考虑此因素，一些岩层控制问题与时间因素密切相关，如液压支架立柱压力逐渐增大，上覆岩层随时间推移下沉[2]。

（2）地质条件研究。采矿面向原位状态的煤岩，采掘活动中无法提前预制岩石的力学特性，岩层控制研究中往往假设某一钻孔揭示岩层柱状与区域地层层序相同。煤矿井下地质条件变化莫测，普遍存在于地层的竖向垂直与水平方向。研究对象为较大的开采区域时，目前普遍采用线性插值法推测，大多岩层控制失效案例与地质相关。设计支护系统时，采区是基于某个地质条件而非支护区域的真实地质条件，为准确把握地质异常需开发新的地质探查技术，目前地球物探技术用以探查较大的地质构造，但效果不理想。如能将顶板锚杆钻孔作地质勘探孔，则能实时探查地质条件变化，此技术的实现则可准确探查到重要地质条件变化。

（3）原岩应力。人们普遍认为高水平应力显著影响巷道围岩稳定，高水平应力普遍存在于井工开采的煤矿，美国煤田矿井进行原岩应力测试工作，表明水平应力大小与方向差异很大，严重制约了测试结果在分析矿压问题时的适应性，无法分析各因子对测试结果的具体影响。如工程实验地点未进行原岩应力测试，深入分析工程必须进行原岩应力测试。

（4）顶板锚杆支护。70年代起锚杆支护逐渐成为井工开采煤矿顶板支护的首选，锚固杆设计方法存在一定的应用缺陷，常见的5.5m宽的巷道锚固杆支护间距为1.2m×1.2m，采用此支护参数时很少有冒顶事故发生，但并未基于此提出合理的锚固杆支护理论，现阶段锚固杆支护设计涉及到锚杆长度的选择，中国矿井通常采用更大的支护强度[3]。悬吊梁理论与组合梁理论是矩形巷道中常用的锚杆支护理论，悬吊梁理论被广泛接受与应用。数值模拟软件采用数学方法模拟锚固杆结构单元，不同厂商生产锚固杆体与构件力学相应不完全相同，无法模拟锚固体力学行为差异。

（5）煤岩失稳。按连续介质力学理论定义的煤岩结构失效后，长期保持稳定，煤岩失稳现象经一定时间后停止，如何区分各种媒岩失稳达到自问需进一步研究。发生严重冒顶事故时，技术顾问给出改进支护设计的建议，但常忽略一些冒顶事故仅在某一特定地点发生，冒顶处理地质异常是造成冒顶事故的真正原因。

（6）地表沉陷。目前相关地表沉陷研究不够深入，影响附着于上覆岩层上构筑物与水体，地下水径流破坏是地表才沉陷带来的影响之一。开采前必须开发现有多孔价值渗流模型对其进行计算，一些煤田基岩上方覆盖可能蓄水的厚砂土层，对水饱与沙土可能会由覆岩裂缝带涌入采掘空间，需要用三相耦合数学模型。美国中东部煤田很多管道受到长壁开采地表沉陷影响，地表沉陷对管道具体影响不明，采取前普遍将管道挖出避免受到破坏，但增大了开采成本。

（7）冲击矿压。冲击矿压是一种动力灾害，大范围巷帮破碎煤体被抛向巷道空间，甚至移动锚杆钻进等大型设备，岩爆与煤层冲击地压研究始于50年代末，微震技术可及时监测定位高应力集中区，预防冲击灾害发生，布置微震检波器前，技术人员需预估应力集中的区域，随着采掘活动进行动态调整，微震技术通常代价高昂。矿压观测手段对研究岩层控制的采矿工程具有较强的说服力，大多的观测结果并非完全一致，当观测数据彼此有较大的偏差时，未深入挖掘数据偏差蕴藏的规律。冲击矿压由岩层高应力集中区内存储大量能量释放诱发，需研究生产实践中解释验证此结论。

（8）液压支架。液压支架是一种机械，与煤柱强度计算公式相同，煤柱是静态的，设计综采液压支架时仅考虑承载能力不够，综采液压支架自身重量大，煤层地板松软时底座易钻第无法移架，液压支架设计应综合考虑，确定支架顶板荷载，确定地板比压，目前液压支架选型方法的研究仅限于顶板荷载决定。支架初撑压力为额定阻力的40%～90%，大多学者认为初撑压力高更好，但无明确的合理初撑力数值，液压设计应综合考虑额定阻力与初撑力的重要参数。支架顶梁面积并非相同，其他采煤国家仍为四柱与两柱液压支架并存的局面，如何描述支架的承载力非常重要。

3 结语

目前矿山压力与岩层控制研究存在一定的不足，迫切需深入研究解决高产高效矿井生产中遇到的系列问题，本文探讨了当前矿山压力与岩层控制的研究现状，岩石力学特征，煤岩失稳，冲击低压等岩层控制相关研究方向，促进岩层控制技术研究的进步。