陵川縣關嶺山煤礦152井田邊界巷地壓的測量

薛恩瑞，牛志平，張志民，劉志雄

（1.長治職業技術學院，山西 長治 046000；2.陵川崇安能源煤業有限公司，山西 晉城 048304）

陵川縣關嶺山煤礦152井田邊界巷地壓的測量

薛恩瑞1，牛志平2，張志民2，劉志雄2

（1.長治職業技術學院，山西 長治 046000；2.陵川崇安能源煤業有限公司，山西 晉城 048304）

介紹了用“支護條件下地壓反分析邊界元法計算程序系統”測算煤礦巷道地壓的全過程：用收斂計測量巷道的收斂值，用線性回歸法對原始數據進行處理，將處理后的數據輸入計算程序系統算出地應力，再用正分析檢驗正確性；最后列出計算成果在工程中的實際應用，證明了這種地壓測量方法的方便、靈活、是取得地應力場數據的重要手段。

地壓；測量；邊界元法

1 巷道概述

該巷工作面地質條件屬簡單類型。老頂為灰白色K2石灰巖，厚8.2 m～11.8 m，平均厚10.3 m，較硬，厚層狀，局部節理發育，并有溶洞性含水；偽頂一般在0.1 m以下，為炭質活性炭泥巖，穩定性差。煤層底板為灰黑色泥砂巖、砂質泥巖，厚6.3 m～12.8m，均厚9.7m，硬度中等。這種圍巖較完整時，應力應變近似直線關系，按線彈性問題計算，能準確地求得圍巖的應力及變形情況。

2 巷道巖體變形和位移的監測

對巖石地下工程穩定性進行監測和預報，是保證工程設計、施工合理和安全生產的重要措施。著名的隧道新奧法施工技術，就把施工過程中的監測作為一條重要原則，通過監測分析對原設計參數進行優化，并指導下一步施工。凡能表征地壓活動的物理量和自然現象均可作為監測的對象。地下工程測試中，位移量測（含收斂量測）是最有意義和最常用的項目，穩定可靠、簡便經濟，測試結果可直接指導施工、驗證設計、評價圍巖與支護的穩定性。

硐室內壁面兩點連線方向的位移之和稱為“收斂”，此項量測稱“收斂量測”。收斂值為兩次量測的距離之差。收斂量測是地下洞室施工監控量測的重要項目，收斂值是最基本的量測項目，必須量測準確、計算無誤[1]。

開挖硐室，改變了巖體的初始應力狀態，由于圍巖應力重分布和洞壁應力釋放的結果，使圍巖產生了變形，洞壁有不同程度的向內凈空位移。我們在開挖后的洞壁（含頂、底）上及時安設測點，采用收斂計觀測其兩點間的相對位移值，見圖1和表1。

圖1 計算簡圖

表1 現場測讀記錄表 /cm

3 數據處理

由于測點設置時間、位置、工作面推進、儀器性能、測試條件、人員等因素的影響，使測試數據存在偶然誤差或上下波動，造成現場量測所得數據常有不同程度的離散性和漂移現象，很難直接用于反分析計算。必須采用數學方法對量測數據進行擬合處理，以某種函數形式表示，獲得準確反映實際情況的典型曲線，找出測試數據隨時間變化的規律，為監控設計提供重要信息。

本次測試中，我們使用一元線性回歸法，研究被測物理量隨時間呈線性變化的規律，主要用來解決兩個問題：1）確定幾個特定變量之間是否存在相關，若存在相關性，應找出它們之間的適合的數學表達式；2）根據一個或幾個變量的值，預測或控制另一個變量的取值。數據處理結果，見如表2。

表2 數據處理結果表 /cm

4 計算方法

4.1 計算原理

計算原理是廣義虎克定律。固體的應力狀態與應變狀態之間存在著一定的關系，是由材料的內在特征決定的，通稱為本構關系或物理方程。線彈性本構關系的特點是：變形是可逆的，每一應力分量與應變各分量線性相關，反之亦然，這就是廣義虎克定律。

4.2 彈性模量的確定

一般巖體工程中，巖體或某一巖層的彈性模量，通常用其巖石試件的室內測定值，再按現場巖體或巖層的結構完整性等條件，考慮一個折減系數修正后，作為巖體或巖層的彈性模量，這樣處理隨意性較大，缺乏依據。位移反分析法則是利用現場量測位移來反推系統（工程區域）的彈性模量，它可綜合地反映巖體結構對巖石力學參數的影響和巖體結構模型與實際工程巖體的誤差。

4.3 計算結果

152井田邊界巷埋深160 m，圍巖容重2.7×10-2MPa/m，泊桑比為0.2，收斂量測值均取自相應點的位移實測值（數據處理后）見表3，反算結果見表4，測點位置及計算簡圖見圖1。

表3 根據表2數值可算出支護后增量值（收斂值） /cm

表4 地應力計算結果 /MPa

地應力分析在采礦工程中的重要意義，越來越被人們認識；因為井下巷道及硐室周圍的應力分布及相應的支護要求，都與開挖前巖體中業已存在的地應力場有關。在原巖應力作用下開挖巷道，引起巷道應力重新分布，垂直應力向兩幫轉移，水平應力向頂底板中轉移；因此垂直應力的影響主要顯現于兩幫煤體，而水平應力的影響則主要顯現于頂底板巖層。

5 正確性評價

對于反分析結果的正確性評價，只能用反分析所得的計算參數進行數值分析，將分析所得的位移值和工程實測結果相比較，根據二者的符合程度來判斷。與反分析法不同，正分析法的輸入值不是位移值，而是應力值，即表4中的原巖應力值，輸出的是位移值，見表5。從比較結果知，二者相當吻合，證明原巖應力值的計算結果是可靠的。如果任意更換成另外一組應力值，結果將大不一樣。

表5 計算位移值與實測位移值的比較 /cm

6 工程應用

6.1 確定巷道和采場的最佳斷面形狀和斷面尺寸

只有掌握了具體工程區域的地應力條件，才能合理確定巷道和采場的最佳斷面形狀和斷面尺寸。根據彈性力學理論，巷道和采場的最佳斷面形狀，由其斷面內兩個主應力的比值來決定。為了減少巷道和采場周邊的應力集中現象，最理想的斷面形狀是一個橢圓，這個橢圓在水平和垂直方向的兩個半軸長度之比與該斷面內水平主應力和垂直主應力之比相等。這時，巷道和采場周邊將處于均勻等壓應力狀態。這是一種最穩定的受力狀態。測試斷面的形狀為矩形，它的長短邊比為1.06，程序系統推薦的比值為1.115。參考彈性力學理想橢圓理論，應作適當調整。

6.2 為巷道穩定性評估提供依據

巷道圍巖穩定性分類十分必要，分類目的在于：整理和傳授巖石中開挖地下工程的經驗，將分散的實踐經驗加以定量化的合理骨架，應用前人經驗做為支護設計的橋梁；對工程巖體的優劣給予明確的區分和定性的評價，為巖體工程的勘察、設計、編制定額提供必要的基本依據。巷道圍巖穩定性分類，通常考慮巖體完整性、結構面產狀、巖石強度、地下水、地應力狀況等地質因素；其中地應力實測和圍巖物理力學性質測試是基礎資料。

6.3 指導施工，預報險情

在施工監控中，以位移反分析法為核心的方法發展很快，已經成為當前解決巖石地下工程穩定性的重要工具；應在各巷道經常測量，分析數據、尋找規律，實現動態化的施工管理，為安全生產服務。

6.4 構造應力場的方向

陵川縣境內有一個東西向斷裂構造，分布于馬圪當甘河一帶，東西向展布，長約14km，斷裂面傾角大于80°，北盤相對于南盤，向西移位100m～200 m，垂直面斷距為10m～50m。所以關嶺山煤礦擬定經常使用的巷道走向應垂直于這一大斷層的走向；這樣做，既能節省支護成本，又有利于圍巖穩定。

7 結論

在硐室深埋的情況下，一般可把地應力簡化為垂直地應力和水平地應力，加在巖體周邊上。關嶺山煤礦152巷道的埋深160m，垂直應力4.200 MPa，水平應力4.8144 MPa，測壓系數1.115，在0.8至1.2之間。我國實測資料表明，測壓系數在此范圍內的比例達40%，小于0.8和大于1.2的比例各占30%。

［1］ 徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護結構［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］ 錢嗚高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京：中國礦業大學出版社，2003.

［3］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，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，山西晉城人，大學本科，副教授，主要從事巖士工程的教學與研究工作。

劉新光