采掘過(guò)程中沿空留巷圍巖應(yīng)力演化分析

趙 陽(yáng)

（平頂山天安煤業(yè)七礦有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000）

目前很多礦產(chǎn)資源掩埋程度較深，需要采取安全性和穩(wěn)定性較好的采掘技術(shù)。相對(duì)而言，沿空留巷顧及很多實(shí)際情況，并且技術(shù)性較強(qiáng)。沿空留巷雖然在技術(shù)理論上獲得了較大的成功，但部分工作仍然存在些許瑕疵［1］。本文主要對(duì)采掘過(guò)程中沿空留巷圍巖應(yīng)力演化進(jìn)行討論。

1 圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬

在采掘過(guò)程中，圍巖應(yīng)力的演化影響因素很多，倘若直接在實(shí)踐中探尋，不僅浪費(fèi)時(shí)間，同時(shí)還會(huì)遇到未知的危險(xiǎn)，造成客觀上的損失。為此，我們應(yīng)首先對(duì)圍巖應(yīng)力演化進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬的結(jié)果與實(shí)際搜集的情況相結(jié)合。另一方面，在圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬的過(guò)程中，需考慮到采掘工作的限制性條件，不可假設(shè)無(wú)任何阻礙［2］。

1.1 三維數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圍巖應(yīng)力演化需要大量的計(jì)算才能得到，雖然實(shí)際情況與理論可能存在差異，但演化計(jì)算的過(guò)程，會(huì)將所有的差異降到最低。在圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬的過(guò)程中，首先應(yīng)該對(duì)三維數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選擇美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)和美國(guó)Itasca Consulting Group Inc。共同開發(fā)的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬計(jì)算程序來(lái)進(jìn)行。另外，考慮到實(shí)際情況，同時(shí)也為了更加透徹地了解沿空留巷圍巖應(yīng)力的演化情況，主要對(duì)三種頂板條件下的圍巖應(yīng)力演化進(jìn)行了研究，分別為厚直接頂、薄直接頂、無(wú)直接頂。具體設(shè)計(jì)如下：第一，調(diào)查沿空留巷工作的各項(xiàng)條件，觀察是否有特殊情況，并對(duì)所有的條件進(jìn)行整理分析，建立立體模型。第二，設(shè)計(jì)的模型尺寸應(yīng)與現(xiàn)實(shí)工作相符合。第三，在模型底部的邊界部分，應(yīng)采取輔助性措施，例如，在垂直的方向上，固定位移。第四，左邊和右邊的邊界部分，應(yīng)在水平位置上進(jìn)行固定。第四，由于各個(gè)煤層的巖層力學(xué)性質(zhì)不同，因此了解實(shí)際情況后，才能進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，并制作相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)表，按照相應(yīng)的計(jì)算模型來(lái)計(jì)算［3］。

1.2 采掘過(guò)程的應(yīng)力分布

采掘過(guò)程中，通過(guò)了解沿空留巷的圍巖應(yīng)力分布，可進(jìn)一步確定采掘的強(qiáng)度和效率，對(duì)后續(xù)的采掘方案制定有較大的積極意義。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的討論和分析，認(rèn)為采掘過(guò)程應(yīng)力分布主要集中在以下幾個(gè)方面：第一，超前支承應(yīng)力、迎頭支承應(yīng)力、滯后支承應(yīng)力。無(wú)論三種應(yīng)力如何分布，其結(jié)果都是一樣的。厚直接頂為最高，薄直接頂次之，無(wú)直接頂墊底。第二，隨著掘進(jìn)不斷推進(jìn)，側(cè)向支撐應(yīng)力也會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)增大。表現(xiàn)的規(guī)律為：距離迎頭越遠(yuǎn)，峰值越大。由此可見，在這種規(guī)律的作用下，與重新分配應(yīng)力沒(méi)有太大差異。且在整個(gè)過(guò)程中，隨時(shí)間不斷延長(zhǎng)，應(yīng)力峰值會(huì)持續(xù)增加。第三，對(duì)巷道實(shí)施掘進(jìn)作業(yè)以后，煤巖體內(nèi)應(yīng)力會(huì)重新分部，巷道兩側(cè)所產(chǎn)生的側(cè)向支承應(yīng)力需要重點(diǎn)考慮［4］。

1.3 沿空留巷期間圍巖應(yīng)力的演化

采掘過(guò)程中，圍巖應(yīng)力的變化存在很多干擾因素。沿空留巷雖然是現(xiàn)階段比較先進(jìn)的技術(shù)，但仍然有疑惑沒(méi)有解開，本文作者經(jīng)過(guò)大量的研究和分析，認(rèn)為沿空留巷期間圍巖應(yīng)力演化，主要集中在以下幾項(xiàng)結(jié)論當(dāng)中。第一，在工作面的前方位置，實(shí)體煤側(cè)或者是工作面?zhèn)龋瑹o(wú)直接頂狀態(tài)的支撐應(yīng)力，必然低于薄直接頂以及厚直接頂?shù)闹螒?yīng)力。另外，薄直接頂與厚直接頂?shù)牟町惒皇呛艽蟆５诙诠ぷ髅娴暮蠓轿恢茫?dāng)直接頂厚度減小時(shí)，其支承應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)持續(xù)增大。第三，在工作面的后方位置，在直接頂厚度減小的過(guò)程中，其支承應(yīng)力的峰值會(huì)隨著位置逐漸遠(yuǎn)離工作面，也就是說(shuō)，直接頂厚度減少，支承應(yīng)力峰值位置卻深入煤體之中。

2 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律原位實(shí)測(cè)研究

圍巖應(yīng)力分布規(guī)律原位實(shí)測(cè)工作屬于實(shí)踐性較強(qiáng)的工作，需要根據(jù)具體情況，適當(dāng)變換方法。

2.1 充填體受力

沿空留巷是一種可行性較高的方法。首先，工作人員應(yīng)采取有效的方法進(jìn)行觀測(cè)。多數(shù)情況下，技術(shù)人員會(huì)在充填墻體當(dāng)中埋設(shè)壓力，來(lái)完成墻體的受力觀測(cè)。其次，壓力計(jì)的選擇尤為重要。第三，充填工作開始之前，應(yīng)將壓力計(jì)的位置設(shè)定好，一般會(huì)將壓力計(jì)放在充填空間的上部，壓力計(jì)表盤將會(huì)從側(cè)面的模板上方引出。第四，通過(guò)上述的工作，可獲得充填應(yīng)力在工作面推進(jìn)過(guò)程中的一些變化，總結(jié)出相應(yīng)的規(guī)律。相對(duì)而言，充填體受力是比較簡(jiǎn)單的工作，但要把握好細(xì)節(jié)，否則很難保證充填體受力的效果。

2.2 煤體受力

充填體受力工作完成后，就需要觀測(cè)煤體受力。煤礦處于深山內(nèi)部，要想取得理想的煤體受力結(jié)果，第一，選擇性能較高的應(yīng)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量工作。第二，鉆孔內(nèi)的應(yīng)力存在較大變化，此時(shí)可通過(guò)一些簡(jiǎn)單的措施來(lái)了解和處理。例如，在鉆孔應(yīng)力出現(xiàn)變化時(shí)，枕兩面的包裹體，將會(huì)自動(dòng)傳遞到應(yīng)力枕內(nèi)的液體當(dāng)中。液體充當(dāng)了媒介作用，該液體的壓力會(huì)經(jīng)過(guò)油管，傳遞到壓力表，最終表現(xiàn)出相應(yīng)的壓力數(shù)值。

2.3 測(cè)站布置

在圍巖應(yīng)力分布規(guī)律原位實(shí)測(cè)工作中，充填體受力及媒體受力并不是特別復(fù)雜，最關(guān)鍵的是測(cè)站布置工作，不僅要充分利用之前的工作成果，還應(yīng)考慮到最終的結(jié)果是否正確，能否持續(xù)搜集相應(yīng)的信息或者資料。在此，采掘過(guò)程中沿空留巷圍巖應(yīng)力演化比較多樣，不僅會(huì)對(duì)沿空留巷工作產(chǎn)生影響，同時(shí)還會(huì)對(duì)采掘的進(jìn)度和質(zhì)量造成影響。現(xiàn)階段我國(guó)煤礦較多，深入采掘后，發(fā)現(xiàn)圍巖應(yīng)力表現(xiàn)出了突出的地域性特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行分析，借鑒周邊成功案例和研究成果，來(lái)促進(jìn)沿空留巷工作的順利開展。

3 總結(jié)

本文對(duì)采掘過(guò)程中沿空留巷圍巖應(yīng)力演化進(jìn)行了討論，目前，圍巖應(yīng)力演化已經(jīng)得到確認(rèn)，沿空留巷工作不僅順利開展，還提高了工作的安全性和效率性。今后，需要進(jìn)一步對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究，通過(guò)健全采掘方案和技術(shù)體系，豐富研究理論，加強(qiáng)實(shí)踐，促進(jìn)我國(guó)礦產(chǎn)資源的開采和開發(fā)。

［1］闞甲廣，張農(nóng)，李寶玉，等.典型留巷頂板條件下巷旁充填體支護(hù)阻力分析［J］.巖土力學(xué)，2011（9）：2778-2784.

［2］闞甲廣，袁亮，張農(nóng)，等.留巷充填區(qū)域頂板承載性能研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011（9）：1429-1434.

［3］韓昌良，張農(nóng)，錢德雨，等.大采高沿空留巷頂板安全控制及跨高比優(yōu)化分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013（3）：348-354.

［4］康紅普，牛多龍，張鎮(zhèn)，等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010（10）：1977-1987.