采掘过程中沿空留巷围岩应力演化分析

2015-03-25赵阳

河南科技 2015年9期

赵阳

（平顶山天安煤业七矿有限责任公司，河南平顶山 467000）

目前很多矿产资源掩埋程度较深，需要采取安全性和稳定性较好的采掘技术。相对而言，沿空留巷顾及很多实际情况，并且技术性较强。沿空留巷虽然在技术理论上获得了较大的成功，但部分工作仍然存在些许瑕疵［1］。本文主要对采掘过程中沿空留巷围岩应力演化进行讨论。

1 围岩应力演化数值模拟

在采掘过程中，围岩应力的演化影响因素很多，倘若直接在实践中探寻，不仅浪费时间，同时还会遇到未知的危险，造成客观上的损失。为此，我们应首先对围岩应力演化进行数值模拟，将模拟的结果与实际搜集的情况相结合。另一方面，在围岩应力演化数值模拟的过程中，需考虑到采掘工作的限制性条件，不可假设无任何阻碍［2］。

1.1 三维数值模拟试验设计

围岩应力演化需要大量的计算才能得到，虽然实际情况与理论可能存在差异，但演化计算的过程，会将所有的差异降到最低。在围岩应力演化数值模拟的过程中，首先应该对三维数值模拟试验进行设计。本文选择美国明尼苏达大学和美国Itasca Consulting Group Inc。共同开发的三维有限差分数值模拟计算程序来进行。另外，考虑到实际情况，同时也为了更加透彻地了解沿空留巷围岩应力的演化情况，主要对三种顶板条件下的围岩应力演化进行了研究，分别为厚直接顶、薄直接顶、无直接顶。具体设计如下：第一，调查沿空留巷工作的各项条件，观察是否有特殊情况，并对所有的条件进行整理分析，建立立体模型。第二，设计的模型尺寸应与现实工作相符合。第三，在模型底部的边界部分，应采取辅助性措施，例如，在垂直的方向上，固定位移。第四，左边和右边的边界部分，应在水平位置上进行固定。第四，由于各个煤层的岩层力学性质不同，因此了解实际情况后，才能进行相应的设定，并制作相应的统计表，按照相应的计算模型来计算［3］。

1.2 采掘过程的应力分布

采掘过程中，通过了解沿空留巷的围岩应力分布，可进一步确定采掘的强度和效率，对后续的采掘方案制定有较大的积极意义。经过长久的讨论和分析，认为采掘过程应力分布主要集中在以下几个方面：第一，超前支承应力、迎头支承应力、滞后支承应力。无论三种应力如何分布，其结果都是一样的。厚直接顶为最高，薄直接顶次之，无直接顶垫底。第二，随着掘进不断推进，侧向支撑应力也会呈现持续增大。表现的规律为：距离迎头越远，峰值越大。由此可见，在这种规律的作用下，与重新分配应力没有太大差异。且在整个过程中，随时间不断延长，应力峰值会持续增加。第三，对巷道实施掘进作业以后，煤岩体内应力会重新分部，巷道两侧所产生的侧向支承应力需要重点考虑［4］。

1.3 沿空留巷期间围岩应力的演化

采掘过程中，围岩应力的变化存在很多干扰因素。沿空留巷虽然是现阶段比较先进的技术，但仍然有疑惑没有解开，本文作者经过大量的研究和分析，认为沿空留巷期间围岩应力演化，主要集中在以下几项结论当中。第一，在工作面的前方位置，实体煤侧或者是工作面侧，无直接顶状态的支撑应力，必然低于薄直接顶以及厚直接顶的支撑应力。另外，薄直接顶与厚直接顶的差异不是很大。第二，在工作面的后方位置，当直接顶厚度减小时，其支承应力集中系数会持续增大。第三，在工作面的后方位置，在直接顶厚度减小的过程中，其支承应力的峰值会随着位置逐渐远离工作面，也就是说，直接顶厚度减少，支承应力峰值位置却深入煤体之中。

2 围岩应力分布规律原位实测研究

围岩应力分布规律原位实测工作属于实践性较强的工作，需要根据具体情况，适当变换方法。

2.1 充填体受力

沿空留巷是一种可行性较高的方法。首先，工作人员应采取有效的方法进行观测。多数情况下，技术人员会在充填墙体当中埋设压力，来完成墙体的受力观测。其次，压力计的选择尤为重要。第三，充填工作开始之前，应将压力计的位置设定好，一般会将压力计放在充填空间的上部，压力计表盘将会从侧面的模板上方引出。第四，通过上述的工作，可获得充填应力在工作面推进过程中的一些变化，总结出相应的规律。相对而言，充填体受力是比较简单的工作，但要把握好细节，否则很难保证充填体受力的效果。

2.2 煤体受力

充填体受力工作完成后，就需要观测煤体受力。煤矿处于深山内部，要想取得理想的煤体受力结果，第一，选择性能较高的应力计进行测量工作。第二，钻孔内的应力存在较大变化，此时可通过一些简单的措施来了解和处理。例如，在钻孔应力出现变化时，枕两面的包裹体，将会自动传递到应力枕内的液体当中。液体充当了媒介作用，该液体的压力会经过油管，传递到压力表，最终表现出相应的压力数值。

2.3 测站布置

在围岩应力分布规律原位实测工作中，充填体受力及媒体受力并不是特别复杂，最关键的是测站布置工作，不仅要充分利用之前的工作成果，还应考虑到最终的结果是否正确，能否持续搜集相应的信息或者资料。在此，采掘过程中沿空留巷围岩应力演化比较多样，不仅会对沿空留巷工作产生影响，同时还会对采掘的进度和质量造成影响。现阶段我国煤矿较多，深入采掘后，发现围岩应力表现出了突出的地域性特点，应根据当地的实际情况进行分析，借鉴周边成功案例和研究成果，来促进沿空留巷工作的顺利开展。