礦山壓力與巖層控制研究現狀分析

賈 飛

（山東黃金地質礦產勘查有限公司，山東 煙臺 261400）

20世紀50年代首次提出采礦工程巖層控制的術語，主要指礦山頂板控制，因頂板支護失效導致冒頂事故頻發，成為威脅礦山開采的主要因素，隨著礦山開采的發展，其他問題不斷出現。70年代美國礦務局發起礦山壓力與巖層控制的相關研究，礦山壓力與巖層控制涉及巷幫及底鼓控制，沖擊礦壓等諸多問題。礦山開采破壞了周圍巖體中原始應力的平衡狀態，嚴重的會導致圍巖大范圍失穩，廣大學者經多年實踐研究，提出了系列的礦山壓力假說，對預測圍巖穩定性，確定合理支護提供了重要依據。

1 礦山壓力研究現狀

巖層控制研究是基于連續介質力學理論發展的學科，巖土力學解決土木工程領域的巖石力學參數等相關問題。采礦工程中的巖層控制研究是處理應用巖石力學特性的學科，在60年代被采礦工程專業采用，當時巖石力學研究不能完全滿足采礦的需求。2014年舉辦了第33屆礦山壓力與巖層控制國際會議，成為促進單位深入探討礦壓相關問題的主流會議[1]。巖層控制已成為業界普遍采用的標準術語，巖層控制研究解決了大量煤礦設計技術問題，巖層控制研究取得了長足的進步，但礦井采掘活動面向基于原始狀態的媒巖，缺少準確獲知其賦存特點與工程相應特征的技術手段。不能一味選擇良好的生產地質條件進行采掘活動，比重在不能全面準確獲悉煤層賦存情況下進行，保證井下硐室結構穩定，其他工程學科可選擇均質的人工合成材料，礦山壓力與巖層控制科學不同于其他學科，現階段巖層控制演技存在很多值得改進的地方。

2 巖層控制研究中的不足

（1）巖石力學特性。60年代時，巖石力學研究主要是在實驗室進行完整的巖樣力學性質測試，70年代，研究擴展到巖體強度測試，但未深入。目前在數值模擬中普遍采用4倍強度折減系數進行換算，使用強度折減系數進行換算具有任意性，其他方法只能適用于特定工程背景，過度依靠個人經驗控制參數。實驗室測得煤巖力學參數跨度較大，時間效應是影響巖石力學特性的重要因素，所有類型的巖石變形破壞特性表現出時間效應，很少有研究人員考慮此因素，一些巖層控制問題與時間因素密切相關，如液壓支架立柱壓力逐漸增大，上覆巖層隨時間推移下沉[2]。

（2）地質條件研究。采礦面向原位狀態的煤巖，采掘活動中無法提前預制巖石的力學特性，巖層控制研究中往往假設某一鉆孔揭示巖層柱狀與區域地層層序相同。煤礦井下地質條件變化莫測，普遍存在于地層的豎向垂直與水平方向。研究對象為較大的開采區域時，目前普遍采用線性插值法推測，大多巖層控制失效案例與地質相關。設計支護系統時，采區是基于某個地質條件而非支護區域的真實地質條件，為準確把握地質異常需開發新的地質探查技術，目前地球物探技術用以探查較大的地質構造，但效果不理想。如能將頂板錨桿鉆孔作地質勘探孔，則能實時探查地質條件變化，此技術的實現則可準確探查到重要地質條件變化。

（3）原巖應力。人們普遍認為高水平應力顯著影響巷道圍巖穩定，高水平應力普遍存在于井工開采的煤礦，美國煤田礦井進行原巖應力測試工作，表明水平應力大小與方向差異很大，嚴重制約了測試結果在分析礦壓問題時的適應性，無法分析各因子對測試結果的具體影響。如工程實驗地點未進行原巖應力測試，深入分析工程必須進行原巖應力測試。

（4）頂板錨桿支護。70年代起錨桿支護逐漸成為井工開采煤礦頂板支護的首選，錨固桿設計方法存在一定的應用缺陷，常見的5.5m寬的巷道錨固桿支護間距為1.2m×1.2m，采用此支護參數時很少有冒頂事故發生，但并未基于此提出合理的錨固桿支護理論，現階段錨固桿支護設計涉及到錨桿長度的選擇，中國礦井通常采用更大的支護強度[3]。懸吊梁理論與組合梁理論是矩形巷道中常用的錨桿支護理論，懸吊梁理論被廣泛接受與應用。數值模擬軟件采用數學方法模擬錨固桿結構單元，不同廠商生產錨固桿體與構件力學相應不完全相同，無法模擬錨固體力學行為差異。

（5）煤巖失穩。按連續介質力學理論定義的煤巖結構失效后，長期保持穩定，煤巖失穩現象經一定時間后停止，如何區分各種媒巖失穩達到自問需進一步研究。發生嚴重冒頂事故時，技術顧問給出改進支護設計的建議，但常忽略一些冒頂事故僅在某一特定地點發生，冒頂處理地質異常是造成冒頂事故的真正原因。

（6）地表沉陷。目前相關地表沉陷研究不夠深入，影響附著于上覆巖層上構筑物與水體，地下水徑流破壞是地表才沉陷帶來的影響之一。開采前必須開發現有多孔價值滲流模型對其進行計算，一些煤田基巖上方覆蓋可能蓄水的厚砂土層，對水飽與沙土可能會由覆巖裂縫帶涌入采掘空間，需要用三相耦合數學模型。美國中東部煤田很多管道受到長壁開采地表沉陷影響，地表沉陷對管道具體影響不明，采取前普遍將管道挖出避免受到破壞，但增大了開采成本。

（7）沖擊礦壓。沖擊礦壓是一種動力災害，大范圍巷幫破碎煤體被拋向巷道空間，甚至移動錨桿鉆進等大型設備，巖爆與煤層沖擊地壓研究始于50年代末，微震技術可及時監測定位高應力集中區，預防沖擊災害發生，布置微震檢波器前，技術人員需預估應力集中的區域，隨著采掘活動進行動態調整，微震技術通常代價高昂。礦壓觀測手段對研究巖層控制的采礦工程具有較強的說服力，大多的觀測結果并非完全一致，當觀測數據彼此有較大的偏差時，未深入挖掘數據偏差蘊藏的規律。沖擊礦壓由巖層高應力集中區內存儲大量能量釋放誘發，需研究生產實踐中解釋驗證此結論。

（8）液壓支架。液壓支架是一種機械，與煤柱強度計算公式相同，煤柱是靜態的，設計綜采液壓支架時僅考慮承載能力不夠，綜采液壓支架自身重量大，煤層地板松軟時底座易鉆第無法移架，液壓支架設計應綜合考慮，確定支架頂板荷載，確定地板比壓，目前液壓支架選型方法的研究僅限于頂板荷載決定。支架初撐壓力為額定阻力的40%～90%，大多學者認為初撐壓力高更好，但無明確的合理初撐力數值，液壓設計應綜合考慮額定阻力與初撐力的重要參數。支架頂梁面積并非相同，其他采煤國家仍為四柱與兩柱液壓支架并存的局面，如何描述支架的承載力非常重要。

3 結語

目前礦山壓力與巖層控制研究存在一定的不足，迫切需深入研究解決高產高效礦井生產中遇到的系列問題，本文探討了當前礦山壓力與巖層控制的研究現狀，巖石力學特征，煤巖失穩，沖擊低壓等巖層控制相關研究方向，促進巖層控制技術研究的進步。