煤矿开采中的地应力特点与运用分析

杜智慧

（大同煤矿集团同生煤矿生产管理有限公司，山西 大同 037003）

1 概述

在煤矿开采中，矿井围岩作用力不仅包含有开采初期没有遭到破坏的原岩应力，也包含有开采时引发的一些次生应力。因此，要想深入、系统地了解煤矿开采区域中应力的分布状况，不仅应全面测量原岩应力，也应测量次生应力。测量得到的地应力数据能够给煤矿开采巷道以及工作面的支护提供重要参照。尤其是在煤矿深部，巷道掘进和巷道支护过程中地应力的大小和方向等因素的影响会逐渐增大。通过地应力的测试分析，能够为巷道掘进及布置提供可靠的参考，确保回采工作面高产、安全[1]。

2 煤矿开采中地应力的特点分析

所谓地应力指的是存在地壳之中没有受到工程扰动的自然应力，地应力也称为岩体初始应力、绝对应力或者是原岩应力。广义上讲，地应力指的是地球体内应力，由重力、地球自转等因素所产生的应力。瑞士著名地质学家Heim首次提出了地应力这一概念，并且将地应力假定为静水应力状态。前苏联科学家Tinhhk A H对这一假定进行了修订，他提出了岩体铅垂应力近似等于其上覆岩体的自重，即γH(γ为岩石重量，H为深度)，而水平应力则是μγH/(1-μ)(μ岩石泊松比)。煤矿开采中地应力会表现出一些特点：

2.1 地应力属于相对稳定的非稳定应力场

岩体结构所产生的地应力，拥有三个不同的方向，并且各个方向上的地压也存在差异，属于一种三维应力场，在水平方向上所表现出来的应力作用是对煤矿开采影响。在空间维度上，地应力变化程度也表现出一定的不同，通常对于面积相对小的区域，例如，煤矿开采的矿区，由其中一个地段至另外地段，不同地段所拥有用的应力大小以及方向等均存在差异，其中存在的偏差有时能够高达50%[2]。不过，要是对于面积相对大的区域来说，例如，华北区域中，由其中某一城市至另外城市，地应力主要的方向则未表现出太大差异。从时间维度上看，地应力发生波动的情况和人类各种活动比较，其变化能够忽略。不过，个别区域中由于地壳运动较为剧烈，导致地应力会出现相对大的波动。

2.2 铅垂应力和上覆岩的自重基本一致

能够从Heok[3]的研究中看出，当深度处于25～2700 m范围内，岩石重度铅垂应力σv和深度之间的关系表现为线形增加的趋势。

2.3 水平应力一般大于铅垂应力

根据Heok以往的研究数据来看，在相同的地点，水平主应力σh大小通常要较铅垂应力σv大，同时其所拥有的侧压系数值λ通常处于0.5～5.5范围内，很多都在0.8～1.5范围内。而国内相关研究所得出的侧压系数值λ通常处于0.8～3.0范围内，很多都在0.8～1.2范围内。

3 晋华宫矿原岩应力实测

3.1 工作面概况

晋华宫矿主采3号煤层，厚度值在4.5～6.4 m之间，煤层夹矸0～2层，其中泥岩、炭质泥岩相对多。工作面顶板岩石相对复杂，含有粉砂岩、砂质泥岩及泥岩等；底板岩石多为泥岩以及砂质泥岩。开采作业时，变形相对大的区域为4005以及1002工作面的巷道区域，其支护出现了非常严重的破损，虽经过多次的维修，也未能取得良好的支护效果，对作业面顺利开采造成了极为不利的影响。而通过地应力实测分析，则能让巷道掘进施工以及支护作业拥有更为科学与可靠的参考。

3.2 原岩应力测试位置设计

在测试位置设计中，应尽可能地确保测试位置分布较广，以更真实、有效地体现井田区域中的原岩应力；还应当结合煤矿区域中具体的地质环境，在4005巷道和1002巷道位置加设原岩应力测试点，见图1。

图1 4005巷及1002巷位置原岩应力测试点布置

在4005巷道共布设三个测试位置，其中1号测试点距巷道口950 m，2号测试点距巷道口670 m，3号测试点距巷道口350 m。在1002巷道之中，一共布设三个测试位置，其中14号测试点距巷道口650 m，5号测试点距巷道口450 m，3号测试点距巷道口150 m。

4 巷道原岩应力实测结果分析

为防止地应力对巷道带来的破坏作用，并更全面、深入地掌握矿区内地应力的分布情况，此次原岩应力实测工作依照矿井具体作业环境，共设置6个测试点来测试，该矿区内最大水平应力大于垂直应力，而且水平应力是矿区中的最大主应力，即在矿区中的最大主应力倾角值基本上接近水平方向。测量结果如表1所示。

表1 4005巷与1002巷原岩应力测试数据

通过上述数据可以看出，煤矿区域中原岩应力拥有下列特征：

1）在该区域中，原岩应力场所拥有的最大主应力属于水平应力，从表1中6号测点能够看出，区域中最小水平应力为3.2 MPa，而铅垂应力为5.16 MPa，说明最小主应力同样为水平应力。

2）在同一测试点处，最小水平主应力方向和最大水平主应力方向呈垂直分布。

3）通过实测得出，水平主应力中，其最大值是最小值的2.6～3.2倍。

5 地应力对现有巷道影响分析

晋华宫矿所掘巷道中，运输大巷、井筒及回风大巷采用锚网喷永久支护方式，个别的准备巷道，如第一与第二回风巷和皮带运输巷采用锚网支护方式。上述巷道基本上是沿着煤层的底板掘进，多属于煤巷。目前施工完成且处于使用的巷道，基本上和最大主应力方向平行。巷道的变形量相对较小，在巷道支护设计时无需开展二次维护工作，仅个别位置，因受到陷落柱的影响，需强化支护。

因不同区域地应力值及方向等均不同。因此，在各个盘区中巷道所拥有的稳定性也有所差异：① 准备开挖一些巷道，地应力作用对于一盘区所造成的影响最微弱；回采巷道与最大水平主应力平行，巷道结构拥有较好的稳定性。这些巷道掘进时变形较小，顶板管理简便。② 在四盘区，一些准备巷道设置的方向与最大水平主应力的方向相互垂直，虽然这些巷道两帮均强化了锚网支护，支撑力有所提升，但因受最大水平主应力的影响，导致顶板发生破坏问题，而且顶板破坏问题会越来越严重，使得深层顶板结构也会发生破坏，使岩体结构的塑性变形区域扩大，导致顶板的抗拉性能减弱。巷道常常发生冒顶落事故，个别区域依旧要进行二次维护。另外，在此区域，巷道的底板结构同样出现了一定变形，回采作业时，因为采动形成二次应力作用，导致巷道结构稳定性变差。应进一步的强化支护。

6 地应力在煤矿开采中的应用

通常情况下，煤矿开采多处于地质构造为褶皱相对宽缓的位置，断层也较少。但小断层在煤矿开采中却产生非常大影响，因很多煤层正断层，在强度相对较小的泥岩、粉岩等岩煤层之中，紧密联系的小断层会导致煤层形成很多小落差，使得煤层的底板结构和顶板结构均会产生变化，结构变得更为破碎。如不利用锚杆支护，便很难确保煤矿开采的安全性。因此，进行开采前，对现场地应力进行实测，分析地应力是否会对巷道造成破坏，以制定适宜的支护方式，确保开采的安全性。

7 结语

在煤炭进行开采中，发生地质灾害问题，主要是受到矿压因素的影响，而影响矿压最主要的因素便是地应力，因此，对于地应力进行全面、系统的测量显得极为重要。通过测试地应力具体情况，能为巷道设计和工作面支护提供更为可靠的依据。尤其是近年来，各大煤矿的开采深度不断增加，地应力对于巷道支护的影响不断增加，更应对地应力进行测试，确保巷道布置的科学性，确保煤矿开采的安全性。

〔1〕王 炯，冯正浩，孟志刚，等.红阳矿区地应力测量及其数值分析研究[J].采矿与安全工程学报，2017，34（1）：134-140.

〔2〕闫振雄，郭奇峰，马 东.弓长岭井下矿地应力现场实测及应用[J].金属矿山，2017（10）：149-154.

〔3〕Hoek E，Brown E.T.Underground Excavation in Rock[M].1980