礦山壓力對含水層下回采工作面的影響

董平

【摘 要】回采工作面是礦的主要生產(chǎn)場所，礦山壓力是影響回采工作面的重要因素，研究與分析礦山壓力規(guī)律是實現(xiàn)回采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)的分析了礦山壓力理論的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，研究了礦山壓力對含水層下回采工作面的影響，研究結(jié)果為礦山開采的設(shè)計提供一定的理論參考與智力支持。

【關(guān)鍵詞】礦山壓力 含水層 回采工作面

【中圖分類號】TD823.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0380-01

一、引言

礦山工程中，在采掘巷道或進行回采工作時破壞和改變了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，這種由于在地下開采活動在圍巖與支護物上所引起的力為礦山壓力。礦山壓力作用下，圍巖和支護物表現(xiàn)出圍巖變形、破落、離層、支架受力變化、煤巖突出、移動或破壞垮塌等力學(xué)宏觀現(xiàn)象，這就是礦山壓力顯現(xiàn)。礦山壓力通常來源于自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、膨脹壓力三部分，礦山壓力顯現(xiàn)形式主要涵蓋支架變形與折損、頂板下沉、支柱插入底板、頂板破碎、大面積冒落、底板膨脹鼓起等，引發(fā)了許多重大事故。以中國煤礦采掘頂板事故為例，其事故比例占整個煤礦安全事故的比重超過了 40%，影響的產(chǎn)量大約占總產(chǎn)量的5%。伴隨采礦工業(yè)與交叉科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦場向深部開采，應(yīng)力環(huán)境越來越復(fù)雜，人們逐步認識到研究礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律的重要性，理論上更深層次的研究礦山壓力的顯現(xiàn)規(guī)律，預(yù)防在實踐工程中由礦山壓力引發(fā)的相關(guān)事故。

二、礦山壓力理論的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

探究礦山壓力理論發(fā)展的歷史沿革，1928年，德國人哈克和吉里策爾認為回采工作空間的上方巖層處于自然平衡狀態(tài)形成了一個壓力拱，提出壓力拱假說；德國施托克在1916年通過假說來解釋頂板下沉與支架受力關(guān)系、周期來壓與來壓步距關(guān)系、工作區(qū)出現(xiàn)的周期來壓現(xiàn)象、工作面前方支承壓力。前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫提出鉸接巖塊假說，闡明了工作面上覆巖層的分帶情況，對支架和圍巖的相互作用做了較詳細的分析。國內(nèi)礦山壓力理論的研究現(xiàn)狀，錢鳴高院士主要研究了結(jié)構(gòu)的平衡條件與裂隙帶巖層形成結(jié)構(gòu)的可能性，構(gòu)建出上覆巖層開采后呈砌體梁式平衡的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；宋振騏院士在20世紀80年代，基于老頂傳遞力的概念“傳遞巖梁”假說；錢鳴高院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組憑借多年對頂板巖層控制的研究與實踐，提出巖層控制中的關(guān)鍵層理論。近年來，我國對礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、巖層控制、支架與圍巖關(guān)系等進行了深入的研究，對礦產(chǎn)開采的安全、高效生產(chǎn)提供了保證。分析礦山壓力理論的研究的發(fā)展趨勢，首先是精確化現(xiàn)有的采場礦山壓力理論，通過科學(xué)、精確、合理的采場礦山壓力理論來保證回采工作面的安全開采，其次是因地制宜來發(fā)展礦山壓力理論，最后是未來的采場礦山壓力理論向著應(yīng)對新的深井條件和減少對環(huán)境的破壞的方向發(fā)展。

三、礦山壓力對含水層下回采工作面的影響

正確分析和評價礦山壓力及礦山壓力顯現(xiàn)形式是確保含水層下回采工作面安全開采的關(guān)鍵。礦山工程中，回采工作時破壞和改變了原巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布形成的礦山壓力給含水層下回采工作面的安全施工帶來直接的影響，首先在周期來壓期間，煤體內(nèi)的支承壓力達到最大，導(dǎo)致對底板破壞嚴重；初次來壓期間，煤體內(nèi)的支承壓力達到最大，對底板破壞嚴重；開切眼附近；老頂?shù)拇竺娣e顯露，直接頂不能充分垮落，底板形成較大的自由面。其次工作面推進速度慢，工作面突然停止推進或在停采線處易突水以致含水層支承礦山壓力作用時間過長，易造成回采工作面的突水；最后在區(qū)段煤柱附近，由于頂板垮落不充分，導(dǎo)致固定支承壓力作用下底鼓，易造成突水。底板承壓水水壓成反比，即隨著底板承壓水水壓的增大，底板巖層的穩(wěn)定性降低。分析礦山壓力對含水層下回采工作面的影響，第一，采礦過程中的礦山壓力對工作面底板存在嚴重的破壞作用，在產(chǎn)生新裂隙同時導(dǎo)原有斷裂構(gòu)造活化，是礦山底板突水的關(guān)鍵誘導(dǎo)因素；第二，在臨界礦山壓力下，伴隨工作面寬度的拓寬，底板巖層的穩(wěn)定性相對降低；第三，礦山壓力對底板的破壞作用與工作面頂板巖體性質(zhì)相關(guān)，在工作面的頂板不容易冒落時，礦山壓力對底板的破壞作用越明顯，工作面越易出水。實踐礦山回采過程中通過縮短工作面長度來降低冒落高度，有效發(fā)揮防水煤巖柱的保護作用，進而實現(xiàn)含水層下的安全回采；第四，實踐經(jīng)驗表明，開采深度、采高和控頂距、礦層傾角、工作面推進速度以及支護材料與頂板管理的方法都是影響采煤工作面礦山壓力的重要因素，這些因素的科學(xué)設(shè)計與合理把握是保證回采工作面上安全生產(chǎn)的前提條件。

四、總結(jié)與建議

隨采礦工業(yè)與交叉科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦場逐步向深部開采，應(yīng)力環(huán)境變得異常復(fù)雜，含水層下回采工作面的安全生產(chǎn)對整個工程的穩(wěn)定運營有著重要的意義。為保證礦山壓力含水層下回采工作面的安全生產(chǎn)，首先，在理論上深入研究礦山壓力顯現(xiàn)的具體特征形式，分析含水層的載荷傳遞特性、含水層骨架顆粒的特征、含水層的滲透性能以及回采工作面的支護形式與支護強度；其次，回采方案的科學(xué)設(shè)計與規(guī)范執(zhí)行是工程安全生產(chǎn)的重要保證。方案設(shè)計中重要研究礦區(qū)合理的回采上限，分析上覆水體的規(guī)模、滲透性大小、上覆巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)、煤層本身的強度、開采方式、水體下保護層巖性、煤層本身的強度以及礦層底板的力學(xué)性質(zhì)等相關(guān)因素；最后，高度重視礦山壓力與支護質(zhì)量的監(jiān)測，通過精準的監(jiān)測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工，確保礦山壓力下回采工作面的安全生產(chǎn)。

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