煤礦開采中的地應力特點與運用分析

杜智慧

（大同煤礦集團同生煤礦生產管理有限公司，山西 大同 037003）

1 概述

在煤礦開采中，礦井圍巖作用力不僅包含有開采初期沒有遭到破壞的原巖應力，也包含有開采時引發的一些次生應力。因此，要想深入、系統地了解煤礦開采區域中應力的分布狀況，不僅應全面測量原巖應力，也應測量次生應力。測量得到的地應力數據能夠給煤礦開采巷道以及工作面的支護提供重要參照。尤其是在煤礦深部，巷道掘進和巷道支護過程中地應力的大小和方向等因素的影響會逐漸增大。通過地應力的測試分析，能夠為巷道掘進及布置提供可靠的參考，確保回采工作面高產、安全[1]。

2 煤礦開采中地應力的特點分析

所謂地應力指的是存在地殼之中沒有受到工程擾動的自然應力，地應力也稱為巖體初始應力、絕對應力或者是原巖應力。廣義上講，地應力指的是地球體內應力，由重力、地球自轉等因素所產生的應力。瑞士著名地質學家Heim首次提出了地應力這一概念，并且將地應力假定為靜水應力狀態。前蘇聯科學家Tinhhk A H對這一假定進行了修訂，他提出了巖體鉛垂應力近似等于其上覆巖體的自重，即γH(γ為巖石重量，H為深度)，而水平應力則是μγH/(1-μ)(μ巖石泊松比)。煤礦開采中地應力會表現出一些特點：

2.1 地應力屬于相對穩定的非穩定應力場

巖體結構所產生的地應力，擁有三個不同的方向，并且各個方向上的地壓也存在差異，屬于一種三維應力場，在水平方向上所表現出來的應力作用是對煤礦開采影響。在空間維度上，地應力變化程度也表現出一定的不同，通常對于面積相對小的區域，例如，煤礦開采的礦區，由其中一個地段至另外地段，不同地段所擁有用的應力大小以及方向等均存在差異，其中存在的偏差有時能夠高達50%[2]。不過，要是對于面積相對大的區域來說，例如，華北區域中，由其中某一城市至另外城市，地應力主要的方向則未表現出太大差異。從時間維度上看，地應力發生波動的情況和人類各種活動比較，其變化能夠忽略。不過，個別區域中由于地殼運動較為劇烈，導致地應力會出現相對大的波動。

2.2 鉛垂應力和上覆巖的自重基本一致

能夠從Heok[3]的研究中看出，當深度處于25～2700 m范圍內，巖石重度鉛垂應力σv和深度之間的關系表現為線形增加的趨勢。

2.3 水平應力一般大于鉛垂應力

根據Heok以往的研究數據來看，在相同的地點，水平主應力σh大小通常要較鉛垂應力σv大，同時其所擁有的側壓系數值λ通常處于0.5～5.5范圍內，很多都在0.8～1.5范圍內。而國內相關研究所得出的側壓系數值λ通常處于0.8～3.0范圍內，很多都在0.8～1.2范圍內。

3 晉華宮礦原巖應力實測

3.1 工作面概況

晉華宮礦主采3號煤層，厚度值在4.5～6.4 m之間，煤層夾矸0～2層，其中泥巖、炭質泥巖相對多。工作面頂板巖石相對復雜，含有粉砂巖、砂質泥巖及泥巖等；底板巖石多為泥巖以及砂質泥巖。開采作業時，變形相對大的區域為4005以及1002工作面的巷道區域，其支護出現了非常嚴重的破損，雖經過多次的維修，也未能取得良好的支護效果，對作業面順利開采造成了極為不利的影響。而通過地應力實測分析，則能讓巷道掘進施工以及支護作業擁有更為科學與可靠的參考。

3.2 原巖應力測試位置設計

在測試位置設計中，應盡可能地確保測試位置分布較廣，以更真實、有效地體現井田區域中的原巖應力；還應當結合煤礦區域中具體的地質環境，在4005巷道和1002巷道位置加設原巖應力測試點，見圖1。

圖1 4005巷及1002巷位置原巖應力測試點布置

在4005巷道共布設三個測試位置，其中1號測試點距巷道口950 m，2號測試點距巷道口670 m，3號測試點距巷道口350 m。在1002巷道之中，一共布設三個測試位置，其中14號測試點距巷道口650 m，5號測試點距巷道口450 m，3號測試點距巷道口150 m。

4 巷道原巖應力實測結果分析

為防止地應力對巷道帶來的破壞作用，并更全面、深入地掌握礦區內地應力的分布情況，此次原巖應力實測工作依照礦井具體作業環境，共設置6個測試點來測試，該礦區內最大水平應力大于垂直應力，而且水平應力是礦區中的最大主應力，即在礦區中的最大主應力傾角值基本上接近水平方向。測量結果如表1所示。

表1 4005巷與1002巷原巖應力測試數據

通過上述數據可以看出，煤礦區域中原巖應力擁有下列特征：

1）在該區域中，原巖應力場所擁有的最大主應力屬于水平應力，從表1中6號測點能夠看出，區域中最小水平應力為3.2 MPa，而鉛垂應力為5.16 MPa，說明最小主應力同樣為水平應力。

2）在同一測試點處，最小水平主應力方向和最大水平主應力方向呈垂直分布。

3）通過實測得出，水平主應力中，其最大值是最小值的2.6～3.2倍。

5 地應力對現有巷道影響分析

晉華宮礦所掘巷道中，運輸大巷、井筒及回風大巷采用錨網噴永久支護方式，個別的準備巷道，如第一與第二回風巷和皮帶運輸巷采用錨網支護方式。上述巷道基本上是沿著煤層的底板掘進，多屬于煤巷。目前施工完成且處于使用的巷道，基本上和最大主應力方向平行。巷道的變形量相對較小，在巷道支護設計時無需開展二次維護工作，僅個別位置，因受到陷落柱的影響，需強化支護。

因不同區域地應力值及方向等均不同。因此，在各個盤區中巷道所擁有的穩定性也有所差異：① 準備開挖一些巷道，地應力作用對于一盤區所造成的影響最微弱；回采巷道與最大水平主應力平行，巷道結構擁有較好的穩定性。這些巷道掘進時變形較小，頂板管理簡便。② 在四盤區，一些準備巷道設置的方向與最大水平主應力的方向相互垂直，雖然這些巷道兩幫均強化了錨網支護，支撐力有所提升，但因受最大水平主應力的影響，導致頂板發生破壞問題，而且頂板破壞問題會越來越嚴重，使得深層頂板結構也會發生破壞，使巖體結構的塑性變形區域擴大，導致頂板的抗拉性能減弱。巷道常常發生冒頂落事故，個別區域依舊要進行二次維護。另外，在此區域，巷道的底板結構同樣出現了一定變形，回采作業時，因為采動形成二次應力作用，導致巷道結構穩定性變差。應進一步的強化支護。

6 地應力在煤礦開采中的應用

通常情況下，煤礦開采多處于地質構造為褶皺相對寬緩的位置，斷層也較少。但小斷層在煤礦開采中卻產生非常大影響，因很多煤層正斷層，在強度相對較小的泥巖、粉巖等巖煤層之中，緊密聯系的小斷層會導致煤層形成很多小落差，使得煤層的底板結構和頂板結構均會產生變化，結構變得更為破碎。如不利用錨桿支護，便很難確保煤礦開采的安全性。因此，進行開采前，對現場地應力進行實測，分析地應力是否會對巷道造成破壞，以制定適宜的支護方式，確保開采的安全性。

7 結語

在煤炭進行開采中，發生地質災害問題，主要是受到礦壓因素的影響，而影響礦壓最主要的因素便是地應力，因此，對于地應力進行全面、系統的測量顯得極為重要。通過測試地應力具體情況，能為巷道設計和工作面支護提供更為可靠的依據。尤其是近年來，各大煤礦的開采深度不斷增加，地應力對于巷道支護的影響不斷增加，更應對地應力進行測試，確保巷道布置的科學性，確保煤礦開采的安全性。

〔1〕王 炯，馮正浩，孟志剛，等.紅陽礦區地應力測量及其數值分析研究[J].采礦與安全工程學報，2017，34（1）：134-140.

〔2〕閆振雄，郭奇峰，馬 東.弓長嶺井下礦地應力現場實測及應用[J].金屬礦山，2017（10）：149-154.

〔3〕Hoek E，Brown E.T.Underground Excavation in Rock[M].1980