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煤矿开采中的地应力研究 孙守增1，王 峰2，于展绅1 （济南澳科矿山工程科技有限公司，山东 济南 250031；2. 兖矿集团 南屯煤矿，山东 邹城 273516） ［摘 要］ 地应力是引起各种岩土工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性， 进行围岩力学定性分析，实现岩土工程设计和施工科学化的必要前提。在我国采矿领域，传统的采掘 和施工多数是根据经验进行，一直没有对地应力进行系统的研究。鉴于此，从矿井地应力实测方法、 地应力分布特点及地应力对采矿的影响等方面进行了系统的分析和研究。 ［关键词］ 地应力；分布特征；采矿 ［中图分类号］TD311 ［文献标识码］B ［文章编号］1006-6225（2005）03-0007-02 Study of earth stress in coal mining ［收稿日期］2005 -03 -16 ［作者简介］孙守增（1962 - ） ，男，山东临沂人，硕士，高级工程师，主要从事矿井地应力、巷道支护和矿井水文地质研究工作。 1 矿井地应力的基本概念及其形成 原岩应力是存在于地层中的未受工程扰动的天 然应力，它的形成主要与地球的各种运动过程有 关。当在地下开挖巷道后，巷道所在位置及其附近 的原始地应力受到扰动，在巷道围岩中出现一组新 的应力，这种应力成为次生应力。从采矿工程的角 度来看，岩石所受的应力既有原岩应力，也有次生 应力。煤矿井下巷道围岩的矿压显现特征取决于岩 石的力学特性和岩石所处的地应力场。 地应力在采矿工程中的重要意义已越来越清楚 地为人们所认识，因为井下巷道、硐室周围的应力 分布以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。 2 原岩应力实测 分布特征及其对开采的影响 原位测量，是目前取得各种工程需要不同深度 原岩应力可靠资料的唯一方法。现有的地应力实测 方法很多，但比较常用的方法可以归纳为 3 类，主 要包括应力解除法、水压致裂法、应力恢复法。从 测量的准确性、施工难易程度和应用的广泛性等方 面分析，钻孔应力解除法是矿井原岩应力实测的优 选方法。特别是煤矿，由于有一系列开拓、采准巷 道和硐室可以利用，能够非常方便地接近地下所需 测定的各点，应力解除法进行测量不但能提供最准 确的可靠的原岩应力数据，而且在经济上是最合理 的。 通过对现有矿区原岩应力实测结果的总结，并 结合理论上的分析，逐步揭示了矿井原岩应力一些 基本特点和分布规律垂直应力随埋深的增加而增 大，实测的垂直应力与自重应力公式计算的应力基 本相符；最大水平应力普遍大于垂直应力，有时最 小水平应力亦大于垂直应力；水平应力随埋深的增 加而增大；最大水平应力与最小水平应力往往相差 较大（σhmax / σ hmin 1. 25 ～ 2. 5） ，使得水平应力的 影响具有明显的方向性。 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，因而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。 方向呈正交关系的最大水平主应力分量 σhmax 和最小水平主应力分量 σhmin在量值上通常相差较 大（σhmax1. 25 ～2. 5σhmin） ，这使得水平应力对巷 道顶、底板影响具有明显的方向性； 按与最大水平主应力成不同角度掘进的巷道将 经受不同程度的应力集中的影响，相应地巷道状况 也会有显著的差别，主要表现在当巷道掘进方向 与最大水平主应力平行时，受水平应力影响最小， 对顶底板的稳定最有利；当巷道掘进方向与最大水 平主应力垂直时，受水平应力影响最大，对顶底板 的稳定最为不利；与最大水平主应力以一定角度斜 交的巷道，巷道一侧出现应力集中而另一侧应力释 放，因而顶底板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。 如果已知矿井所在位置的地应力较高，并且已 经掌握了最大水平主应力的方向，则在矿井开拓布 置规划阶段，就应当将多数巷道沿最有利的方向掘 进，从而主动避开高水平应力对巷道的不利影响， 避免盲目布置巷道而带来的巷道状况恶化问题。 7 第 10 卷 第 3 期（总第 64 期） 2005 年 6 月 煤 矿 开 采 Coal Mining Technology Vo1. 10 No. 3（Series No. 64） June 2005 3 矿井次生应力实测 监测及分布特征 对于煤矿开采，作用于围岩的除原岩应力 （Original Stress）外，还有采掘活动引起的次生应 力（Mining Induced Stress） ，这是煤矿开采活动区 别于其他岩土工程的最显著的特点。因此，除进行 矿井原岩应力的实测和研究工作外，还应在采动影 响范围内进行次生应力的实测和研究工作，以掌握 采动影响范围内的次生应力分布和围岩力学性质的 变化。 为确定次生应力的分布规律，一般采用实测和 监测两种方法，在已受采动影响的位置安装次生应 力实测传感器进行实测，在工作面回采前安装监测 应力传感器监测工作面回采过程的应力变化。 次生应力实测方法仍然采用世界上应用最广 泛、最成熟的方法 钻孔应力解除法。 为掌握次生应力的分布规律，描绘出垂直应力 及水平应力在巷道横断面方向的分布曲线，应在采 空区影响的范围内均匀布设测点。为使各测点的应 力具有可对比性，各测点应布置在同一岩层中，至 少有1 个测点布置在受采空区影响范围以外。 由于地质及采矿条件的不同，顶板冒落及上覆 岩层移动存在差别，由此而产生的应力分布形态亦 不同，千篇一律采用围岩支承压力分布曲线确定应 力集中区位置，其结果与实际或相一致或相偏离， 必然产生沿空巷道的支护有时容易，有时困难，这 一点已被国内许多煤矿的生产实际所证实。因此， 现阶段为准确确定沿空巷道围岩的应力状态，必须 进行次生应力实测。 国内外矿井次生应力的研究和实测表明，现阶 段要准确掌握次生应力状态的分布，在沿空侧布置 次生应力测点进行实测是非常必要的，也是最可靠 的手段。 为监测次生应力随工作面推进的变化过程，在 沿空巷道内安装应力监测传感器，其安装位置距工 作面的距离至少500m 以上。 回采工作破坏了采场围岩的原始应力平衡状 态，引起岩体内应力重新分布和应力集中。在采空 区两侧的煤体上，出现垂直应力的重新分布。垂直 应力分布的形态是紧邻采空区的煤体中布置巷道的 重要依据。为减小沿空巷道的变形，除加强支护措 施外，巷道布置的位置应尽量避开由于开采引起的 应力集中区，特别是支承压力的峰值部位。 朝向工作面所形成空间的水平应力释放与垂直 应力集中结合起来，对工作面前方的岩石破裂具有 很大的影响。 4 地应力实测及应用 为研究矿区地应力，本文选择了代表我国开采 技术水平的兖州矿区为矿井地应力的研究和应用试 验区。 在矿区内共布置了 22 个原岩应力实测点，应 用钻孔应力解除法测量。从测量结果可以看出，兖 州矿区原岩应力分布存在以下的规律所有测点中 最大主应力与水平面的夹角均小于 30，平均夹角 为 12. 7，最小主应力与水平面的夹角除测点 1， 5，7，10 外亦均小于 30，说明最大主应力为水平 应力，最小主应力也为水平应力；最大水平主应力 与最小水平主应力在方向上成 90角，即二者在方 向上成正交关系；最大水平主应力为最小水平主应 力的 2. 17 倍，二者在量值上相差较大，这使得水 平应力的影响具有明显的方向性；除测点 1，9， 10 外，最大水平主应力的方向总体为东东南-北西 西向到近东西向，测点 1，9，10 最大水平主应力 为东北-西南向，与处在局部构造（向斜轴部）有 关；实测的最大水平主应力和最小水平主应力均随 深度的增加而增大；垂直应力随深度成线性增长， 其值与按上覆岩层密度和埋深计算出的垂直应力略 小；最大水平主应力普遍大于垂直应力。 兖州矿区的地应力以水平应力为主，而非垂直 应力为主，这就意味着影响井下巷道的稳定性主要 为水平应力。方向呈正交关系的最大水平主应力分 量 σhmax和最小水平主应力分量 σhmin在量值上通常 相差较大（σhmax 2. 17σhmin） ，这使得水平应力对 巷道顶、底板影响具有明显的方向性。矿区内的南 屯煤矿、兴隆庄煤矿、东滩煤以及其他煤矿井下巷 道的破坏特征明显受巷道轴向与最大水平主应力方 向之间夹角大小的影响。当巷道轴向与最大水平主 应力方向平行时，受水平应力影响最小，对顶底板 的稳定最有利。当巷道轴向与最大水平主应力垂直 时，受水平应力影响最大，对顶底板的稳定最为不 利。与最大水平主应力以一定角度斜交的巷道，巷 道一侧出现应力集中而另一侧应力释放，因而顶底 板的变形破坏会偏向巷道的某一侧。当巷道布置处 于不利情况时，提前采取相关的技术措施以保证巷 道的稳定性。 次生应力的实测选择在矿区的沿空巷道内进 行，一般分别在实体煤侧和小煤柱侧安装应力计实 测次生应力的分布。实测表明，由于巷道条件、围 （下转26 页） 8 总第 64 期煤 矿 开 采2005 年第 3 期 安装 1 个反向立柱，通过反向立柱和支架底座，使 底板对支架产生足够的反作用力。反向立柱活塞杆 端头与底板间留有一定的间隙，一方面避免移架时 反向立柱与底板产生摩擦；另一方面，活柱回缩时 带上来的岩粉、煤屑有排放空间。反向活塞杆长度 应等于或略大于软底岩层厚度，让反向立柱能支撑 到硬底，使支架底座对顶板有足够的支撑力。反向 立柱安装在前立柱两侧，对保证支架平衡有利，并 能给安装液压控制设备、人员操作、行人、通风等 创造足够的空间。 1顶板；2软底；3硬底； 4正向立柱；5反向立柱；6掩护板 图 2 带反向立柱的掩护式液压支架 正、反向立柱液压管路的联接方式如图 3 所 示。正、反向立柱油缸腔用油管联通，安装控制阀 和限压阀，并与主管路联通。当供油管使正向立柱 的活柱升起并接触顶板时，反向立柱活柱开始向底 板支撑并插入底板，以减少支架底座对底板压力， 保证支架不被压入底板，并有较稳定的工作阻力。 当支架正常工作时，顶板来压使正向立柱油压升 高，反向立柱油压也将升高，活柱向底板伸长，直 至反向立柱达到较硬底板上，增加底座对正向立柱 的支撑力。移架时，正、反向立柱同步收回活柱， 当正向立柱卸压后应停止活柱回缩，保证反向立柱 继续回缩，直至活柱全部回缩到反向立柱腔内。所 以，在控制油路中应设一个控制阀来完成此动作。 1反向立柱；2正向立柱；3主油路；4控制阀； 5断路开关；6回油断路阀；7安全阀 图 3 正反向油路系统 4 结束语 选用比压低的液压支架、阻止底板遇水软化、 加快工作面推进速度这 3 项措施，在生产实践中取 得了较好的效果，积累了丰富的经验。但是，仍有 一些软底煤层综采工作面回采很困难，使以上 3 项 措施无法发挥作用。经过近 3 年在鹤岗、阜新等几 个矿务局的现场实践证明，选用带反向立柱的液压 支架，对解决软底煤层综采工作面支护问题十分有 效。可以预见，带反向立柱液压支架是今后回采软 底煤层研究和发展的方向。 ［参考文献］ ［1］陈庆缘. 煤矿液压支架设计和使用［M］. 赤峰内蒙古科学 技术出版社，1999. ［2］ 邢福康 . 煤炭支护手册［M］. 北京煤炭工业出版社， 1993. ［3］徐永圻 . 中国采煤方法［M］. 徐州中国矿业大学出版社， 1991. ［责任编辑邹正立 ］ （上接 8 页） 岩性质及开采条件的不同，垂直应力峰值距采空区 的距离各不相同。次生应力实测说明，不同地点的 垂直应力分布特点存在明显的差异，进行次生应力 实测是现阶段掌握次生应力分布的可靠手段。 次生应力实测完成后，随即安装次生应力监测 传感器以监测围岩应力随工作面推进过程中的变 化。针对兖州矿区的采矿地质条件，一般在次生应 力监测传感器距回采工作面 300m 即开始监测，随 着距回采工作面距离的变小，监测频度逐渐增大。 监测结果表明，次生应力在工作面推进过程 中，随距工作面距离的变化而变化。一般情况下， 工作面前方 150m 至工作面前方 18m 阶段，次生应 力呈不断增加趋势，尤其在工作面前方 60 ～ 18m， 次生应力增加的幅度较为显著，此阶段过后，随着 工作面推进次生应力呈急剧减小的趋势。 沿空巷道的次生应力实测结果和工作面推进过 程中的次生应力监测结果为分析围岩的特性提供了 三维应力状态，同时也为我国进一步进行采动影响 条件下的三维应力测量研究打下了良好基础。 ［责任编辑邹正立］ 62 总第 64 期煤 矿 开 采2005 年第 3 期