陵川县关岭山煤矿152井田边界巷地压的测量

薛恩瑞，牛志平，张志民，刘志雄

（1.长治职业技术学院，山西 长治 046000；2.陵川崇安能源煤业有限公司，山西 晋城 048304）

陵川县关岭山煤矿152井田边界巷地压的测量

薛恩瑞1，牛志平2，张志民2，刘志雄2

（1.长治职业技术学院，山西 长治 046000；2.陵川崇安能源煤业有限公司，山西 晋城 048304）

介绍了用“支护条件下地压反分析边界元法计算程序系统”测算煤矿巷道地压的全过程：用收敛计测量巷道的收敛值，用线性回归法对原始数据进行处理，将处理后的数据输入计算程序系统算出地应力，再用正分析检验正确性；最后列出计算成果在工程中的实际应用，证明了这种地压测量方法的方便、灵活、是取得地应力场数据的重要手段。

地压；测量；边界元法

1 巷道概述

该巷工作面地质条件属简单类型。老顶为灰白色K2石灰岩，厚8.2 m～11.8 m，平均厚10.3 m，较硬，厚层状，局部节理发育，并有溶洞性含水；伪顶一般在0.1 m以下，为炭质活性炭泥岩，稳定性差。煤层底板为灰黑色泥砂岩、砂质泥岩，厚6.3 m～12.8m，均厚9.7m，硬度中等。这种围岩较完整时，应力应变近似直线关系，按线弹性问题计算，能准确地求得围岩的应力及变形情况。

2 巷道岩体变形和位移的监测

对岩石地下工程稳定性进行监测和预报，是保证工程设计、施工合理和安全生产的重要措施。著名的隧道新奥法施工技术，就把施工过程中的监测作为一条重要原则，通过监测分析对原设计参数进行优化，并指导下一步施工。凡能表征地压活动的物理量和自然现象均可作为监测的对象。地下工程测试中，位移量测（含收敛量测）是最有意义和最常用的项目，稳定可靠、简便经济，测试结果可直接指导施工、验证设计、评价围岩与支护的稳定性。

硐室内壁面两点连线方向的位移之和称为“收敛”，此项量测称“收敛量测”。收敛值为两次量测的距离之差。收敛量测是地下洞室施工监控量测的重要项目，收敛值是最基本的量测项目，必须量测准确、计算无误[1]。

开挖硐室，改变了岩体的初始应力状态，由于围岩应力重分布和洞壁应力释放的结果，使围岩产生了变形，洞壁有不同程度的向内净空位移。我们在开挖后的洞壁（含顶、底）上及时安设测点，采用收敛计观测其两点间的相对位移值，见图1和表1。

图1 计算简图

表1 现场测读记录表 /cm

3 数据处理

由于测点设置时间、位置、工作面推进、仪器性能、测试条件、人员等因素的影响，使测试数据存在偶然误差或上下波动，造成现场量测所得数据常有不同程度的离散性和漂移现象，很难直接用于反分析计算。必须采用数学方法对量测数据进行拟合处理，以某种函数形式表示，获得准确反映实际情况的典型曲线，找出测试数据随时间变化的规律，为监控设计提供重要信息。

本次测试中，我们使用一元线性回归法，研究被测物理量随时间呈线性变化的规律，主要用来解决两个问题：1）确定几个特定变量之间是否存在相关，若存在相关性，应找出它们之间的适合的数学表达式；2）根据一个或几个变量的值，预测或控制另一个变量的取值。数据处理结果，见如表2。

表2 数据处理结果表 /cm

4 计算方法

4.1 计算原理

计算原理是广义虎克定律。固体的应力状态与应变状态之间存在着一定的关系，是由材料的内在特征决定的，通称为本构关系或物理方程。线弹性本构关系的特点是：变形是可逆的，每一应力分量与应变各分量线性相关，反之亦然，这就是广义虎克定律。

4.2 弹性模量的确定

一般岩体工程中，岩体或某一岩层的弹性模量，通常用其岩石试件的室内测定值，再按现场岩体或岩层的结构完整性等条件，考虑一个折减系数修正后，作为岩体或岩层的弹性模量，这样处理随意性较大，缺乏依据。位移反分析法则是利用现场量测位移来反推系统（工程区域）的弹性模量，它可综合地反映岩体结构对岩石力学参数的影响和岩体结构模型与实际工程岩体的误差。

4.3 计算结果

152井田边界巷埋深160 m，围岩容重2.7×10-2MPa/m，泊桑比为0.2，收敛量测值均取自相应点的位移实测值（数据处理后）见表3，反算结果见表4，测点位置及计算简图见图1。

表3 根据表2数值可算出支护后增量值（收敛值） /cm

表4 地应力计算结果 /MPa

地应力分析在采矿工程中的重要意义，越来越被人们认识；因为井下巷道及硐室周围的应力分布及相应的支护要求，都与开挖前岩体中业已存在的地应力场有关。在原岩应力作用下开挖巷道，引起巷道应力重新分布，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶底板中转移；因此垂直应力的影响主要显现于两帮煤体，而水平应力的影响则主要显现于顶底板岩层。

5 正确性评价

对于反分析结果的正确性评价，只能用反分析所得的计算参数进行数值分析，将分析所得的位移值和工程实测结果相比较，根据二者的符合程度来判断。与反分析法不同，正分析法的输入值不是位移值，而是应力值，即表4中的原岩应力值，输出的是位移值，见表5。从比较结果知，二者相当吻合，证明原岩应力值的计算结果是可靠的。如果任意更换成另外一组应力值，结果将大不一样。

表5 计算位移值与实测位移值的比较 /cm

6 工程应用

6.1 确定巷道和采场的最佳断面形状和断面尺寸

只有掌握了具体工程区域的地应力条件，才能合理确定巷道和采场的最佳断面形状和断面尺寸。根据弹性力学理论，巷道和采场的最佳断面形状，由其断面内两个主应力的比值来决定。为了减少巷道和采场周边的应力集中现象，最理想的断面形状是一个椭圆，这个椭圆在水平和垂直方向的两个半轴长度之比与该断面内水平主应力和垂直主应力之比相等。这时，巷道和采场周边将处于均匀等压应力状态。这是一种最稳定的受力状态。测试断面的形状为矩形，它的长短边比为1.06，程序系统推荐的比值为1.115。参考弹性力学理想椭圆理论，应作适当调整。

6.2 为巷道稳定性评估提供依据

巷道围岩稳定性分类十分必要，分类目的在于：整理和传授岩石中开挖地下工程的经验，将分散的实践经验加以定量化的合理骨架，应用前人经验做为支护设计的桥梁；对工程岩体的优劣给予明确的区分和定性的评价，为岩体工程的勘察、设计、编制定额提供必要的基本依据。巷道围岩稳定性分类，通常考虑岩体完整性、结构面产状、岩石强度、地下水、地应力状况等地质因素；其中地应力实测和围岩物理力学性质测试是基础资料。

6.3 指导施工，预报险情

在施工监控中，以位移反分析法为核心的方法发展很快，已经成为当前解决岩石地下工程稳定性的重要工具；应在各巷道经常测量，分析数据、寻找规律，实现动态化的施工管理，为安全生产服务。

6.4 构造应力场的方向

陵川县境内有一个东西向断裂构造，分布于马圪当甘河一带，东西向展布，长约14km，断裂面倾角大于80°，北盘相对于南盘，向西移位100m～200 m，垂直面断距为10m～50m。所以关岭山煤矿拟定经常使用的巷道走向应垂直于这一大断层的走向；这样做，既能节省支护成本，又有利于围岩稳定。

7 结论

在硐室深埋的情况下，一般可把地应力简化为垂直地应力和水平地应力，加在岩体周边上。关岭山煤矿152巷道的埋深160m，垂直应力4.200 MPa，水平应力4.8144 MPa，测压系数1.115，在0.8至1.2之间。我国实测资料表明，测压系数在此范围内的比例达40%，小于0.8和大于1.2的比例各占30%。

［1］ 徐干成，白洪才，郑颖人，等.地下工程支护结构［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

［2］ 钱呜高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.北京：中国矿业大学出版社，2003.

［3］ 蔡美峰，何滿潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002.

Ground Pressure Measurement of No.152 Field Boundary Roadways in Guanlinshan Mine

XUE En-rui,NIU Zhi-ping,ZHANG Zhi-min,LIU Zhi-xiong(Department of Mining,Changzhi Vocational and Technological College,Changzhi Shanxi046000;Lingchuan Chong'an Energy Coal Co.,Changzhi Shanxi046000

The paper introduces the whole process using the calculation program of back analysis of ground pressure by means of Boundary Element Method under the condition of supporting to calculate the roadway ground pressure:to measure the convergence value with convergence gauge,to process the raw data with linear regression method,to calculate the ground pressure by input the processed data,and to check the correctness with positive analysis.At last,the author lists the real application and proves that the method is convenient,flexible and important to achieve the stress field data.

ground pressure;measurement;Boundary Element Method

TD326

A

1672-5050（2011）03-0057-03

2010-11-06

薛恩瑞（1946—），男，山西晋城人，大学本科，副教授，主要从事岩士工程的教学与研究工作。

刘新光