淺析礦壓理論在深部開采巷道支護中的應用

彭余生

（開灤能源化工股份呂家坨礦業分公司，河北省唐山市，063107）

淺析礦壓理論在深部開采巷道支護中的應用

彭余生

（開灤能源化工股份呂家坨礦業分公司，河北省唐山市，063107）

依據應力重新分布理論，簡要分析了采動應力場調整的空間和時間特性，通過經典案例分析和經驗總結，闡述公司在解決深部礦井巷道支護的做法和效果。

礦壓理論 空間三帶 時空特性 總結應用

隨著呂家坨礦業分公司井下煤炭開采強度和開采深度的不斷加大，原巖地應力也在不斷增大，地壓問題越來越突出，特別是全面實現水旱轉型期間，對巷道斷面的要求越來越大，如何加強支護已經成為安全生產環境、設備運行環境和質量標準化等方面亟待解決的主要問題之一。

1 應力場重新調整的空間特性和時間特性

由于煤系地層是一個連續實體，進行采掘工程導致應力場重新分布可以通過實體之間的接觸相互傳導。開始上覆煤層工作面開采后形成的應力場會傳導到該煤層底板一直傳導到下覆的各個煤層。理想狀態下單一煤層的應力向底板傳導情況見圖1。

從圖1中看到：煤柱下方應力值明顯大于回采工作面采空區的下方應力值，非常明顯的看出了增壓區和減壓區向底板進而向下覆煤層的傳遞。

相應的本煤層工作面開采后形成的應力場同樣也向上覆煤層傳導，工作面開采后，應力場的空間分布和調整是三維的、立體的。應力場調整后空間分布情況見圖2。

圖1 單一煤層的應力向底板傳導情況

從圖2中可以明顯的看出應力場重新調整的空間特性：工作面開采后，以回采工作面為中心形成一個斷面近似“鐘”形的立體減壓空間，對上覆區域和下覆區域起到一定的卸壓作用；在立體減壓空間以外則為立體增壓空間；對頂板的影響偏小而對底板的影響范圍偏大；應力場中應力最小的位置是實體煤與采空區的交界處附近。

圖2 應力場調整后空間分布情況圖

應力場的重新分布不僅具有空間特性，而且存在明顯的時間特性。通常從應力場開始重新調整到發生圍巖斷裂變形、引起強烈的礦壓顯現是有一段時間的，這是第一次應力場重新調整的過程；當圍巖發生斷裂變形本身基本失去抵抗作用后，應力場將會進行第二次重新調整，如此循環，最終達到應力場的平衡狀態。即應力場的調整具有一定的時間周期。如該公司6171下工作面兩巷，基本上都是在巷道掘進3個月左右的時間后，巷道開始全面來壓的。其實是從兩巷開始掘進的那一刻就已經開始了應力場的重新調整了，經過3個月左右的時間圍巖開始進行斷裂變形進而開始礦壓顯現的過程。

在回采工作面的推進過程中，這種應力場重新調整的時間特性也是非常明顯的。比如5475工作面開采后30天左右的時間大巷才有初步壓力顯現。

應力場重新調整的時空特性是客觀存在的，認真、細致地研究它的時空特性、合理應用時空特性將會很好地指導我們的具體工作，往往達到事半功倍的出奇效果。

2 主動讓壓支護理論在采掘巷道支護中的應用分析

合理理解和運用應力場重新調整時空特性，對井下采掘工程將會有相當大的影響，特別是公司當前開采深度已經到－950m的情況更顯得重要。“加強支護、保證安全生產所需的工作空間”是井工開采礦井中的永恒主題，如何加強支護有許多方法。從應力場重新調整時空特性的角度分析加強巷道支護有如下幾種方法。

2.1 抵抗應力（抗壓）

基本原理是提高支架本身的支撐能力或增加支護密度，用強化支護的手段去抑制或減少圍巖移動，增強巷道抗變形能力以對付礦壓的作用。基本措施是增大型鋼重量，提高支架承載能力，增加支護密度。優點是巷道布置地點及掘巷時間可不受限制，缺點是要消耗大量支護材料，支護勞動量大，開采費用大幅度提高。

5323運輸巷采用密集木柱來加強巷道的支護強度，支架型鋼從25U變成29U就屬于這種類型。

2.2 忍讓應力（讓壓）

基本原理是在采用適當支護措施和保持支架本身不遭受嚴重損壞的前提下，容忍圍巖產生一定變形，以釋放掉一些能量（也稱應力釋放）。基本措施是采用有一定工作阻力的大可縮量支架為巷道受壓收縮預留備用斷面容忍巷道底臌，然后進行臥底。優缺點是可在一定程度上利用圍巖自承力，減輕支架受載，對生產極為有利，但會增加支架結構的復雜性或多支出掘進和臥底費用。

2.3 躲避應力（躲壓）

基本原理是將巷道布置在應力經重新分布后巖體已處于卸載狀態的天然低應力區，從時間上或空間上躲開高應力的作用。基本措施是在煤體邊緣或煤體下方的低壓區內布置巷道，錯過高壓作用的時間，等壓力充分穩定后再掘巷。優缺點是可在不同程度上減輕巷道受壓，有利于支護工作，但有時要多開一些輔助巷道（如聯絡眼等），或要求延遲掘進時間。如6172上工作面的成功回采、5377工作面8＃煤層運輸中間眼采空區下掘進、5484工作面兩巷布置在7＃煤層采空區下方，都利用躲避應力的原理。

2.4 轉移應力（移壓）

基本原理是通過人為方法使巷道圍巖受到松動，形成卸載槽孔或其他形式的卸載空間，迫使載荷轉移到離巷道較遠的地點，達到減輕巷道受壓的目的。基本措施是在巷幫或底板中形成卸載槽孔掘進或在巷旁故意留出卸載空間。優缺點是巷道布置地點及掘進時間可不受限制，但要增加與采用卸壓措施有關的額外費用。如在5323運輸巷掘進處理煤體瓦斯問題時，采用了人為調整應力、轉移應力的大直徑超前鉆孔的方法，在控制瓦斯上取得了較好的效果。

2.5 甩掉應力（甩壓）

基本原理是利用應力場重新調整的時間特性原理，在圍巖還沒有發生斷裂變形之前，就離開這個區域。與放炮過程不能引起瓦斯爆炸的原理相同，在尚未點燃瓦斯之前，放炮過程已經結束一樣。基本措施是提高速度和保證質量。優缺點是可以很好的控制應力，但是對隊伍、管理要求非常高。

公司6172上工作面的回采過程非常明顯地體現出了甩壓的原理。

3 經典案例分析

3.1 6172上工作面的開采

3.1.1 工作面情況簡述

6172上工作面三面屬于孤島煤柱、高應力區域，與之相鄰的5370工作面于2000年回采完畢，6172工作面于2003年回采完畢，6171工作面于2002年回采完畢。

設計走向360 m，工作面傾斜長度90 m，煤層厚度3.5 m，實際回采厚度在2.5 m左右。煤層傾角13～14°。工作面內部除存在部分斷層外還有6條5370工作面的廢棄巷道（廢棄巷道合計全長397 m）縱橫交錯占據了該工作面50%的區域。廢棄巷道中大部分的支架沒有回收。

6172上工作面于2005年10月份開始回采到2006年2月份基本結束。在回采的過程中運輸巷壓力很小，屬于免維護巷道；軌道巷壓力較大，但仍然可以控制在允許的范圍之內。

3.1.2 獲得成功的因素分析

（1）運輸巷位置。

選定在應力場中壓力較小的位置，達到了躲壓的效果，基本消除了在采掘工作過程中的巷道維護工作。

根據應力場空間特性理論：應力場中應力最小的位置是實體煤與采空區的交屆處附近，同時考慮到通風和掘進的要求，將該工作面運輸巷位置確定在與6172工作面采空區相距2 m的位置，通過實際情況看，在掘進和回采過程中基本沒有壓力顯現。為安全生產、設備運行提供了必要的空間。

（2）軌道巷位置。

布置在了應力較大的位置，運用忍讓應力的方法使巷道的維護獲得了成功。

由于6172上工作面上部的5370工作面煤柱呈現不規則狀態，不可能將軌道巷布置在完全躲避應力的位置，因此采用了里半部躲避應力和外半部忍讓應力的方法選擇軌道巷的位置，使采掘過程中巷道維護工作達到最小的狀態，在實際回采的過程中，通過對軌道巷外半部局部臥底的方式，較好地解決了巷道維護問題，達到了安全生產必須的斷面條件。

（3）效果。

按照應力場調整的時間特性可知：如果推采速度超過應力場調整后礦壓的顯現速度，也就是說當圍巖還沒有發生斷裂變形時，就完成推采過程是可以將壓力顯現過程甩在后面的；從巖石應力應變全程曲線上來講，就是在峰前區區間內完成推采工作，就可以很理想地解決由于巷道壓力顯現、采面壓力顯現造成難于維護或維護費用增大的問題。

6172上工作面在推采的過程中，推采速度比較快，保證了在圍巖發生斷裂變形之前完成回采－移架－放頂過程，也就是說將圍巖的斷裂變形過程放到了采空區里面，達到了甩壓的作用和效果。

3.1.3 影響6172上工作面推采速度的因素

工作面設計時，利用了應力場調整的時空特性，在運輸巷位置選擇和優化的過程時，采用了躲壓的方法將其布置在應力最小的空間位置，基本避免了回采過程中巷道維修；軌道巷位置選擇時，采用了躲壓和忍壓相結合的方法，將其布置在應力相對較小的位置，減小了回采過程中的巷道維修量；工作面傾斜長度比較小，只有90 m，每割一刀煤所占用的時間較短。

在生產組織過程中，加強現場管理，保證了正規循環和必要推進速度。

3.2 5377工作面的開采

3.2.1 工作面情況簡述

5377工作面位于－800 m三采區域，上部是5373水采工作面采空區和5375旱采工作面采空區，煤柱呈現不規則的狀態分布；下部是6171工作面采空區，煤柱呈現規則狀態分布。

該工作面設計走向長度為1200 m，傾斜工作面長度60 m，煤層厚度為3.5～4.5 m，煤層傾角13°左右。實際工作面走向長度只掘進了880 m，傾斜長度60 m。

3.2.2 開采效果不理想的因素分析

工作面兩巷的位置選擇中，沒有很好地考慮應力場調整的時空特性，導致兩巷在掘進的過程中壓力顯現強烈、變形嚴重，無法正常掘進，被迫提前開切眼回采。

（1）運輸巷位置分析。

運輸巷下部是6171工作面采空區，屬于規則煤柱，按照應力場調整時空特性應力最小的部位應該是煤柱的邊緣部位，一般在2～3 m的煤柱范圍內是壓力較小的空間。而運輸巷的實際位置是6 m以里的位置，這個位置正好是應力較大的位置。

如果運輸巷的位置也和6172上工作面一樣，留設2 m小煤柱或者更小的小煤柱，運輸巷可能就是另外的一種情景了。后來掘進的8＃煤層運煤中間眼的實踐佐證了這種推論和假設。

（2）軌道巷位置分析。

軌道巷上部是5373水采工作面采空區和5375旱采工作面采空區，煤柱呈現不規則的狀態分布，軌道巷設計位置與采空區最近的煤柱是4 m，而其余80%煤柱都在8 m以上。這個位置正好是在應力場調整過程中壓力最大的區域。后來在掘進和回采的過程中，盡管采取強度較大的忍壓措施——擴幫和臥底，但是由于工作面走向長度較大、推采速度較慢，也很難改變被動局面。

（3）按照應力場調整時空特性理論推想。

該工作面頂板屬中砂巖，構造簡單，如果在選擇軌道巷、運輸巷空間位置時考慮應力場調整時空特性，和6172上工作面一樣盡量將兩巷布置在減壓帶范圍內的話，5377工作面將會給公司的生產和安全工作帶來與之相反的好效果。

4 結論

通過對呂家坨礦業分公司5年多在巷道支護方面的實踐分析，深入研究應力場調整的時空特性并將其和生產工藝過程緊密地結合起來，用理論指導實踐。按照應力場調整的時空特性規律，在抗壓、躲壓、忍壓、移壓和甩壓這5種方法中，抗壓屬于“硬”的范圍，在井下有些地點就必須采用抗壓的方式來解決支護問題，它是“巧”的基礎；其余4種均屬于“巧”的范疇，“巧”只有在“硬”的基礎上才能獲得更好的效果。宜硬則硬，宜巧則巧，因地制宜，將“硬”和“巧”有機的結合起來，是解決深部開采巷道維護的根本途徑。

從2005年到現在，利用礦壓的原理和理論支護方式，解決了深部開采巷道的維護問題，取得了非常理想的實際效果：

（1）根據抗壓的原理，逐步研究合理的支護參數，提高支護系統的抗壓效果。對公司金屬拱型支架的型鋼進行了升級，從過去的25U提高到29U，解決了架棚巷道的支護強度；錨注技術的引進解決了永久巷道的支護問題，5年來公司利用錨注技術解決永久巷道2500 m；在煤巷局部高應力地段引進與嘗試使用注漿錨索技術解決采準巷道800 m。

（2）根據躲壓的原理，在有條件的地點繼續布置小煤柱沿空掘巷。使用小煤柱沿空掘巷技術13430 m，節省巷道維護費用6715萬元，多回收煤炭資源53.43萬t，節省資源費801.45萬元，增加銷售收入39438.82萬元。

（3）根據讓壓原理，在不能布置小煤柱沿空掘巷的地點通過臥底等方式維持必要的安全和生產所需斷面及空間。

（4）根據甩壓的原理，結合當前公司回采隊伍的素質和地質條件，分析、研究和總結合理的工作面面長，確保工作面的推進速度的合理性。經過幾年的水旱轉型、設備升級，提高了工作面的推采速度，保證了在峰前區完成回采的工作。

（5）根據移壓的原理，逐步研究和試驗改變局部應力場的臨時應急措施。如掘進減壓巷或保留巷道達到減壓作用等。同時公司也正在嘗試在巷道壓力較大的地點采用深孔放炮技術，解決巷道壓力問題的新方法。

［1］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及控制［M］.北京：煤炭工業出版社，1994

［2］ 閆立章.用相似模擬物理模型研究礦山壓力［J］.礦業安全與環保，2009（4）

［3］ 編委會.煤礦礦井支護與防冒頂綜合技術手冊［M］.北京：煤炭工業出版社，2009

［4］ 倪興華.地應力研究與應用［M］.北京：煤炭工業出版社，2007

Analysis on application of strata pressure theory to roadway supporting during deep mining

Peng Yusheng
（Lvjiatuo Mining Company，Kailuan Energy Chemical Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei，063107，China）

The roadway supporting ways were analyzed by using spatial three-zone theory and stress－redistribution theory，which are based on strata pressure theory.The roadway supporting problems during deep mining were solved by using new permanent roadway control measures on the new position in the roadway.The detailed measures and final effects of roadway supporting during deep mining were described via analysis of classical cases executed in the company and corresponding experience.

strata pressure theory，spatial three zones，space-time characteristics，summary and application

TD31

B

彭余生（1970－），男，高級工程師，1993年7月畢業于河北煤礦學院地下采煤專業，現任開灤能源化工股份呂家坨礦業分公司經理。

（責任編輯 張艷華）