矿山压力对采准巷道的影响初探陈萌萌

矿山压力对采准巷道的影响初探摘要：根据大学期间所学专业课知识，以及根据国内外有关采矿方面的书籍、报刊和杂志，研究总结国内外矿山压力特别是冲击地压对采准巷道产生的影响和遇到的一些难题。在对采准巷道矿山压力显现规律及开采技术的研究与分析，结合所学知识，针对矿山压力对深部开采的影响增大这一难题进行重点研究，通过对深井矿压的研究与分析，我国在矿山压力方面取得了不错的成绩。关键词：冲击地压；矿压显现；深井开采MinepressureinfluenceonminingquasiAbstract:accordingtotheknowledgelearnedduringcollegespecializedcourse,andaccordingtothebooks,newspapersandmagazinesaboutminingathomeandabroad,theresearchsummaryofminepressureathomeandabroadespeciallyimpactpressureontheimpactofminingquasiandmeetsomeoftheproblems.Appearedinforminingquasitheminepressureregularityandtheresearchandanalysisofminingtechnology,combinedwiththeknowledge,inviewoftheminepressureindeepmininginfluenceincreasingstudiesfocusonthisproblem,andthroughresearchandanalysisofthedeepwellrockpressure,miningpressureinChinahasachievedgoodresults.Keywords:impactpressure;Minepressureappear;Deepmining第一章国内外现状地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤，岩发生破坏，这种情况将持续到煤，岩内部重新达到新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围的煤，岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场，这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤，岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压，岩压等等1冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式，可以定义为：矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的以突然急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单地说，冲击地压就是煤（岩）体的突然破坏现象。如同装在煤岩体中的大量炸药爆炸一样，煤或岩石突然被抛出造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并伴有大量声响和岩体震动，最大震级可达3.8级以上，有时在几公里范围内的地面都能感觉到，形成大量煤尘和强烈的空气波。在瓦斯煤层，往往还伴有大量瓦斯涌出。冲击地压发生前，一般没有明显的宏观预兆，多数是由爆破引发的，发生时间短暂，震动冲击时间在几秒至几十秒之中。发生在岩巷、金属矿和地下隧道中的冲击地压叫岩爆，表现为岩巷和隧道周边岩石成片状破裂，岩片向坑道内弹射，伴有声响，顶板掉块，底板拱起，洞壁严重破坏，甚至大量岩石崩落。我国最早有记录的冲击地压发生于1933年抚顺矿务局的胜利矿。之后，随着开采深度的增加和开采范围的增大，北京矿务局、开滦矿务局、阜新矿务局、枣庄矿务局、四川天池煤矿等局矿都发生了冲击地压。截至2000年的不完全统计，我国有冲击地压问题的煤矿达50个左右，已发生的破坏性冲击地压达近3000多次，震级从里氏震级0.58级至3.8级，造成严重的危害，伤亡数百人。冲击地压几乎遍布世界各采矿国家，即几乎所有采矿国家都不同程度地遭受冲击地压的危害。世界有记载的第一次冲击地压发生在1738年英国的南史塔福煤田。之后前苏联、南非、德国、美国、加拿大、波兰、法国、日本、印度、捷克、匃牙利、保加利亚、奥地利、新西兰和安哥拉等都记录到冲击地压。目前煤矿冲击地压最严重的国家是前苏联、波兰、德国，而防治冲击地压发生最有成效的也是这三个国家。许多国家对冲击地压防治问题都给予了极大的关注，同时也加强了重点研究和防治。1977年国际岩石力学局成立了冲击地压研究机构，加强了对冲击地压类型，成因和机理，防治手段的研究，效果比较显著。2前苏联约在60年前，开始出现冲击地压现象。首次发生在煤层中的冲击地压是上世纪40年代，首次发生在金属矿层中的冲击地压是上世纪60年代，始发深度大多在180～400M之间，涉及的矿务局近30个，涉及的煤矿大约260个左右，据不完全统计发生冲击地压1000多次，金属矿发生岩爆500次左右。前苏联根据本国冲击地压发生的条件，积极地进行了近40年的研究，现冲击地压是年发生次数已减少到原先的二分之一至三分之一。冲击地压是波兰煤矿重大灾害之一，全国近60%的煤矿具有冲击危险。大约50%的煤炭产量来自有冲击危险的煤层。始发深度为400米。在1949年一年内就发生冲击地压350次，1950～1960年期间，平均每年发生226次。1961～1965年每年平均发生88次。1966～1970年每年平均发生29次。在以后的多年里，平均每年大约发生20次。仅1949～1982年间，就发生冲击地压3097次，造成401人死亡，12万米井巷破坏。冲击地压对德国采矿业的危害也是非常严重的。鲁尔矿区是德国主要矿区，也是冲击矿压发生的主要矿区，据记载，早在19世纪末就已发生过冲击地压地。据统计在所有煤区中只要顶板为坚硬岩层且巷道或工作面的位置造成应力集中，都可能引起冲击地压。到20世纪末德国的平均开采深度已超过1000米，冲击地压等一系列安全问题更为突出。发生在850～1000米深度上的冲击地压数占75%左右，最大的抛出煤量达2000立方米。发生冲击地压的煤层顶板多为5～40米厚的砂岩或其它坚硬岩层。预测预报和防治措施的钻屑法、钻孔卸压法就是由德国研究实验成功的成果，在国际上享有盛誉。美国矿井出现的冲击地压多由于房柱式短壁开采所引起。后引进了中国的长壁式开采技术，就冲击地压问题得到了有效的缓解。冲击地压的危害极大。一般级别的冲击地压只在局部范围内造成破坏。强烈的冲击地压则可能成为整个工作面甚至全矿井的灾害。尤其是发生在采掘过程3中的冲击地压，危害更大。主要是冲击波和强烈震动引起的片帮冒顶、支架折损、摧毁设施、堵塞巷道、破坏设备，从而造成有同程度的人员伤亡，破坏生产和震坏地面房屋，进而可能引起煤尘和瓦斯突出或爆炸。其例枚不胜举。这都说明开展冲击地压的基本知识教育，加强冲击地压煤层的安全生产管理，深入开展冲击地压的预测和防治研究是十分必要的，尤其在我国煤矿事故频繁发生，世界广泛关注我国煤矿安全生产的今天，更有其政治意义和实际意义。第二章矿山压力显现规律及开采技术1.掘进巷道引起的围岩应力分布巷道未开掘之前，岩体处于原始应力状态，巷道开掘之后，应力即开始重新分布，巷道围岩内出现应力集中现象，当巷道围岩强度小于围岩应力，围岩则产生塑性变形，并向岩体深部发展。如图2-1所示。图2-1圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布p-原始应力；σt-切向应力；σr-经向应力；p1-支护阻力；a-巷道半径；R-塑性区半径；A-破裂区；B-塑性区；C-弹性区；D-原始应力区巷道围岩一般分为四个区：破裂区A，塑性区B，弹性区C，原始应力区D。4（一）回采工作面周围应力重新分布煤层开采以后，已采空地区上方岩层重量将向采空区周围有支承能力的地方转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图2～2）。工作面前方形成的超前支承压力，随着工作面推进而不断向前移动，故又称超前移动支承压力。工作面沿倾斜向上或向下两侧及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，不随工作面推进而发生明显变化，故称为固定支承压力。图2－2采空区周围应力重新分布的概貌1–工作面前方超前支承压力；2、3、4–沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力支承压力的显现特征通常以其分布范围、分布形式和峰值大小来表示，所谓峰值是指支承压力显现区集中应力的最大值。对于超前移动支承压力，其峰值可能比原岩应力γH增高1～3倍，即应力集中系数K=2～4，对于固定性支承压力一般K=2～3。在离工作面一定距离的后方采空区内，出现峰值较小（K=1～1.3）。在工作面与两侧回采巷道交岔处的拐角上，形成峰值很高的叠加支承压力（即超前移动支承压力与固定支承压力的叠加）如图2～3所示。此处应力集中系数K=5～7，有时甚至更高。5图2–3煤层凸出角处的叠合支承压力以上几种支承压力除应力集中程度不同外，其影响范围和分布形式也有所不同。如图2～4。一般来说，超前支承压力峰值位置深入煤体内的距离约为2～10M。其影响范围视具体情况不同，可达工作面前方20～30M至90～100M。两侧固定支承压力深入煤体的距离较远，而影响范围则较小。集中应力的形成对顶板稳定性影响极大，从而给顶板的管理带来了较大的困难。图2–4回采工作面周围支承压力在煤层平面内分布示意图在垂直煤层层面方向的分布范围及其一般规律如图2－5所示。该图表明，顶板岩层距离煤层越近，支承压力的集中程度就越高。距离越远，应力集中程度即会逐渐降低。支承压力的峰值位置和其影响范围也随煤层距离的变化而有所变化。6图2–5支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图1–采动影响带边界；2–支承压力区；3–卸载区边界为了减轻或避免支承压力对巷道的危害和改善采区巷道维护状况，就必须掌握回采工作面周围支承压力的分布规律，并了解它对采区巷道的影响特点。（二）采区平巷沿走向矿压显现规律掌握沿煤层走向方向的矿压显现规律，对于正确选择巷道的支架类型确定合理的支护参数，控制矿压，改善巷道维护状况有重要意义。生产实践与多年观测，工作面上、下平巷中矿压显现规律如下：如图2～6所示。此例以本区段工作面采完后留下供下区段工作面复用的下部运输顺槽为例，从巷道开始掘进到开采工作完全结束（即为两个工作面服务）巷道报废的全过程中，矿压显现共分为五个阶段：图2–6工作面下部顺槽顶底板移动的全过程曲线1–移动速度曲线；2–移近量曲线7Ⅰ、巷道掘进阶段在煤层或岩层内开掘巷道，破坏了原始应力平衡状态，即会引起应力重新分布，围岩会产生移动和变形。剧烈期每天的移动速度为几十毫米，稳定期一般，＜1毫米。Ⅱ、无采掘影响阶段这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起的，即变形量是时间的函数。变形量极小，巷道基本稳定。Ⅲ、采动影响阶段由于回采，围岩应力再次引起重新分布。加之空顶面积较大，导致矿压显现剧烈。工作面前方（Ⅲ前）每天移近速度为十几毫米，占总移近量的10～15%；工作面后方（Ⅲ后），每天移近速度为20～60毫米。这个阶段的移近量占总移近量的50～60%左右。Ⅳ、采动影响稳定阶段该阶段使巷道围岩重新进入相对稳定的阶段，平均移动速度比无采掘影响阶段稍大一些。仅占总移近量的5～8%。Ⅴ、二次采动影响阶段由于回采，重新引起顶板岩层失稳和运动，比一次采动影响稍大一些，占总移近量的20－25％。根据采区平巷的矿压显现规律的研究可知，采区平巷从掘进到报废的整个服务期内顶底板总移近量U总为：U总=UO+v0T0+U1+v1T1+U2式中：UO、U1和U2－由掘巷、一次采动和二次采动引起的顶底板移近量，ｍｍ；V0、V1－无采掘影响期和一次采动后稳定期内顶底板移近速度，ｍｍ／ｄ；8T0、T1－无采掘影响期和一次、二次采动影响间隔期的时间，ｄ。（三）采区斜巷沿倾斜矿压显现规律掌握沿煤层倾斜方向的矿压显现规律，对于正确选择采区巷道位置，确定合理的护巷煤柱尺寸或采用无煤柱护巷方法等都有重要意义。通过多年井下观测，巷道内从煤体边缘向煤体深部可分为三个不同的矿压显现带（图2-7）图2–7采区斜巷中沿倾