深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术分析

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[摘 要]矿井开采深度近年来不断加深，巷道以及采场的地应力水平也在不断提升。深部煤矿应力分布会影响到深部煤矿的应力支护问题，因此研究深部煤矿的应力支护问题，必须对深部高应力的软岩巷道变形破坏的特征进行研究与总结，进而确认地应力方向对巷道围岩稳定性的控制，优化巷道围岩控制技术，以此来优化深部煤矿采掘的工程进展。本文从巷道稳定性控制技术的研究出发，以安居煤矿深部巷道的变形特点来进行理论分析，最终形成了数值模型。

[关键词]深部煤矿；应力分布特征；巷道围岩控制；技术分析

中图分类号：TD353.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0056-02

近年来，矿井开采的深度不断加深，巷道以及采场四周的地应力水平也相对提高。软岩的巷道地压出现剧烈显现，从而严重破坏了巷道围岩的组织，深部高应力软岩巷道的支护力不足，最终导致深部高应力软岩巷道变形，影响了深部煤矿的开采进程。[1]本文从巷道稳定性控制技术的研究出发，以安居煤矿深部巷道的变形特点来进行理论分析，最终形成了数值模型，综合现场的原岩应力的测量，最终敲定了安居煤矿巷道围岩四周原岩应力的分布特征，进而结合岩土三维分析软件研究了深部巷道围岩稳定技术。

1.我国深部煤矿地区地应力场分布特征分析

1.1深部煤矿地区地应力测量与分析方法

目前我国各大煤矿区对深部煤矿地区的地应力场的分布特征缺乏清晰、准确的认知，在系统认识方面也有所不足。[2]目前可直接在深部煤矿地区地应力场分布研究过程中进行使用的数据仍然不足，很多煤矿深部井下工程如支护问题以及冲击地压防治问题等等，在过去较少考虑到地应力以及地应力场这组重要参数。随着煤矿地区的深度加深，巷道破坏越来越严重，地应力量值也越来越大，且其破坏力量也越来越明显，因为最后巷道变形程度更不易控制，持续挖掘容易导致深部煤矿地区塌方，从而危害到人类与财产安全。[3]

我国深部煤矿地区的地应力场的分布特征迫切需要得到相关材料科学研究者的重视，对其进行全面、完整的分析与总结，最终为深部煤矿开采工作提供坚实的安全防护。近几年深部煤矿地区地应力测量过程中，主要应用空心包体法来测量我国深部煤矿地区的地应力数据。[4]一定条件下也可使用水压致裂法，此后我国研究者经过整理600米到1500米深部煤矿地区的数据，排除特殊地质测量环境数据后，发现深部煤矿地区的地应力测量分析方法主要有以下几种：一般的地质可使用水压致裂法进行测量，结合应力解除法，可将深部煤矿地区的地应力数据测量统计出来。

1.2 深部煤矿地区地应力量值调查

为了便于结合水压致裂法一起对深部煤矿地区的地应力量值进行调查，调研者必须将其获取的数据转换成水平和垂直方向的应力量值。[5]如下图1空间三维应力量值转换在空心包头状态下的转换图，空心包体下的三维应力状态是四面八方来的，进而将其转换成水压致裂状态下的三维应力显示状态，每个力的方向都与物体的平面形成了固定、可测量、可计算的角度。其中分为水平测量方向与垂直测量方向。

水平方向向上的应力量值应为最大水平，向下的应力量值应为最小水平；转换方法需要统计空心包体地应力的三个应力方向的量值，S1、S2、S3与三个方位角度α1、α2、α3，另外再统计三个倾向角度的值β1、β2、β3，将这9个应力量值构成张量，按照以下矩阵进行转换：

最终结果为：

σHmax=A+B （1-1）

σHmin=A-B （1-2）

而垂直方向的应力量值计算方式一般情况下采用以下公式即可：

σv=γH （1-3）

1.3深部煤矿地区的地应力方向特征

通过对我国深部煤矿地区进行地应力量值测量，发现我国煤矿深部地区的地应力方向呈现出以下特征：我国地应力实际测量的数据表明，岩层中的水平应力量值具有明显的方向特征，且不同的方向呈现出显著的差异。同时，最大水平应力角度下量值明显高于垂直应力，较浅位置的煤矿地区的地应力值也出现了这样的情况。

2.我国深部煤矿地区巷道围岩控制技术分析

2.1深部煤矿地区巷道围岩支护原理

深部煤矿地区的巷道布置与围岩支护原理过去只注重自重应力对其稳定性的影响，因此在实际的勘探过程中认为巷道周围的岩石结构的破坏主要是因为垂直应力的运动情况造成。而构造应力带来的地压作用则被忽视，导致这种认知的原因可能是因为过去勘探者对巷道围岩所在的原岩层的实际测量工作不足以及认知不到位。

由于深部煤矿地区巷道围岩支护原理的存在，因此岩层中的水平应力导致的侧压随后被发现，在倾斜的矩形或者倒梯形的巷道中容易称为破坏岩层的决定性因素。

2.2 深部煤矿地区应用实例

2.2.1巷道围岩控制模拟方案

本文从巷道稳定性控制技术的研究出发，以安居煤矿深部巷道的变形特点来进行理论分析，最终形成了数值模型，综合现场的原岩应力的测量，最终敲定了安居煤矿巷道围岩四周原岩应力的分布特征，进而结合岩土三维分析软件研究了深部巷道围岩稳定技术。

2.2.2巷道围岩控制模拟结果分析

同等应力值条件下巷道围岩周围产生的变形程度是不同的，水平应力条件下，巷道围岩产生的变形破坏情况也不尽相同。尤其是巷道围岩内应力集中的区域与分散的区域所受的变形程度也不同。

由此可见，地应力不仅受到自重应力影响，也受到构造应力的影响。本文中的水平应力下，构造应力影响了巷道的方向的定义，使其产生了一定的夹角。巷道轴线方向下，若与水平应力的最大水平方向处于正交状态，则围岩四周的应力将达到较大的集中度。

2.2.3巷道围岩支护的方案设计

在设计巷道围岩支护方案的过程中，勘探者必须考虑到尽可能地不沿着岩层背斜顶部以及向斜底部进行设计，使得岩层断层的巷道布置方向与其平行，并与断层带或背斜岩层垂直。

2.2.4巷道围岩矿压的监测结果与分析

随着巷道围岩矿压向深部煤矿地区转移，一般情况下，构造应力与自重应力的量值不断加大时，巷道围岩四周的破坏因素也会受到多种因素影响，如垂直应力、水平应力，因此要做好巷道围岩矿压的结果监测工作。同时要随着开采深度的增加，做好巷道变形的破坏因素分析，着重对地应力进行监测与分析。

3.结论

矿井开采深度近年来不断加深，巷道以及采场的地应力水平也在不断提升。软岩的巷道地压日渐产生剧烈显现，巷道围岩的破坏日益严重，因此深部煤矿应力的支护问题越来越受到研究者的关注。为了便于结合水压致裂法一起对深部煤矿地区的地应力量值进行调查，调研者必须将其获取的数据转换成水平和垂直方向的应力量值。深部煤矿地区的地应力不仅受到自重应力影响，也受到构造应力的影响。本文中的水平应力下，构造应力影响了巷道的方向的定义，使其产生了一定的夹角。在设计巷道围岩支护方案的过程中，勘探者必须考虑到尽可能地不沿着岩层背斜顶部以及向斜底部进行设计，使得岩层断层的巷道布置方向与其平行，并与断层带或背斜岩层垂直。

参考文献

[1] 周钢，李玉寿，吴振业.大屯矿区地应力测量与特征分析[J].煤炭学报.2010，2（03）：76-78.

[2] 康红普，等著.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[M].科学出版社，2013：101-102.

[3] 付东波，齐庆新，秦海涛，毛德兵，尹希文，卢振龙，宋永斌.采动应力监测系统的设计[J].煤矿开采.2009，3（06）：65-66.

[4] 康红普，王金华，高富强.掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系[J].煤炭学报.2009，6（12）：112-113.

[5] 康红普，林健，颜立新，张晓，吴拥政，司林坡.山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究[J].地球物理学报.2009，4（07）：89-92.