薛恩瑞，牛志平，張志民，劉志雄

（1.長治職業(yè)技術(shù)學院，山西 長治 046000；2.陵川崇安能源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048304）

陵川縣關(guān)嶺山煤礦152井田邊界巷地壓的測量

薛恩瑞1，牛志平2，張志民2，劉志雄2

（1.長治職業(yè)技術(shù)學院，山西 長治 046000；2.陵川崇安能源煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048304）

介紹了用“支護條件下地壓反分析邊界元法計算程序系統(tǒng)”測算煤礦巷道地壓的全過程：用收斂計測量巷道的收斂值，用線性回歸法對原始數(shù)據(jù)進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)輸入計算程序系統(tǒng)算出地應(yīng)力，再用正分析檢驗正確性；最后列出計算成果在工程中的實際應(yīng)用，證明了這種地壓測量方法的方便、靈活、是取得地應(yīng)力場數(shù)據(jù)的重要手段。

地壓；測量；邊界元法

1 巷道概述

該巷工作面地質(zhì)條件屬簡單類型。老頂為灰白色K2石灰?guī)r，厚8.2 m～11.8 m，平均厚10.3 m，較硬，厚層狀，局部節(jié)理發(fā)育，并有溶洞性含水；偽頂一般在0.1 m以下，為炭質(zhì)活性炭泥巖，穩(wěn)定性差。煤層底板為灰黑色泥砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚6.3 m～12.8m，均厚9.7m，硬度中等。這種圍巖較完整時，應(yīng)力應(yīng)變近似直線關(guān)系，按線彈性問題計算，能準確地求得圍巖的應(yīng)力及變形情況。

2 巷道巖體變形和位移的監(jiān)測

對巖石地下工程穩(wěn)定性進行監(jiān)測和預(yù)報，是保證工程設(shè)計、施工合理和安全生產(chǎn)的重要措施。著名的隧道新奧法施工技術(shù)，就把施工過程中的監(jiān)測作為一條重要原則，通過監(jiān)測分析對原設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，并指導(dǎo)下一步施工。凡能表征地壓活動的物理量和自然現(xiàn)象均可作為監(jiān)測的對象。地下工程測試中，位移量測（含收斂量測）是最有意義和最常用的項目，穩(wěn)定可靠、簡便經(jīng)濟，測試結(jié)果可直接指導(dǎo)施工、驗證設(shè)計、評價圍巖與支護的穩(wěn)定性。

硐室內(nèi)壁面兩點連線方向的位移之和稱為“收斂”，此項量測稱“收斂量測”。收斂值為兩次量測的距離之差。收斂量測是地下洞室施工監(jiān)控量測的重要項目，收斂值是最基本的量測項目，必須量測準確、計算無誤[1]。

開挖硐室，改變了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，由于圍巖應(yīng)力重分布和洞壁應(yīng)力釋放的結(jié)果，使圍巖產(chǎn)生了變形，洞壁有不同程度的向內(nèi)凈空位移。我們在開挖后的洞壁（含頂、底）上及時安設(shè)測點，采用收斂計觀測其兩點間的相對位移值，見圖1和表1。

圖1 計算簡圖

表1 現(xiàn)場測讀記錄表 /cm

3 數(shù)據(jù)處理

由于測點設(shè)置時間、位置、工作面推進、儀器性能、測試條件、人員等因素的影響，使測試數(shù)據(jù)存在偶然誤差或上下波動，造成現(xiàn)場量測所得數(shù)據(jù)常有不同程度的離散性和漂移現(xiàn)象，很難直接用于反分析計算。必須采用數(shù)學方法對量測數(shù)據(jù)進行擬合處理，以某種函數(shù)形式表示，獲得準確反映實際情況的典型曲線，找出測試數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律，為監(jiān)控設(shè)計提供重要信息。

本次測試中，我們使用一元線性回歸法，研究被測物理量隨時間呈線性變化的規(guī)律，主要用來解決兩個問題：1）確定幾個特定變量之間是否存在相關(guān)，若存在相關(guān)性，應(yīng)找出它們之間的適合的數(shù)學表達式；2）根據(jù)一個或幾個變量的值，預(yù)測或控制另一個變量的取值。數(shù)據(jù)處理結(jié)果，見如表2。

表2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果表 /cm

4 計算方法

4.1 計算原理

計算原理是廣義虎克定律。固體的應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀態(tài)之間存在著一定的關(guān)系，是由材料的內(nèi)在特征決定的，通稱為本構(gòu)關(guān)系或物理方程。線彈性本構(gòu)關(guān)系的特點是：變形是可逆的，每一應(yīng)力分量與應(yīng)變各分量線性相關(guān)，反之亦然，這就是廣義虎克定律。

4.2 彈性模量的確定

一般巖體工程中，巖體或某一巖層的彈性模量，通常用其巖石試件的室內(nèi)測定值，再按現(xiàn)場巖體或巖層的結(jié)構(gòu)完整性等條件，考慮一個折減系數(shù)修正后，作為巖體或巖層的彈性模量，這樣處理隨意性較大，缺乏依據(jù)。位移反分析法則是利用現(xiàn)場量測位移來反推系統(tǒng)（工程區(qū)域）的彈性模量，它可綜合地反映巖體結(jié)構(gòu)對巖石力學參數(shù)的影響和巖體結(jié)構(gòu)模型與實際工程巖體的誤差。

4.3 計算結(jié)果

152井田邊界巷埋深160 m，圍巖容重2.7×10-2MPa/m，泊桑比為0.2，收斂量測值均取自相應(yīng)點的位移實測值（數(shù)據(jù)處理后）見表3，反算結(jié)果見表4，測點位置及計算簡圖見圖1。

表3 根據(jù)表2數(shù)值可算出支護后增量值（收斂值） /cm

表4 地應(yīng)力計算結(jié)果 /MPa

地應(yīng)力分析在采礦工程中的重要意義，越來越被人們認識；因為井下巷道及硐室周圍的應(yīng)力分布及相應(yīng)的支護要求，都與開挖前巖體中業(yè)已存在的地應(yīng)力場有關(guān)。在原巖應(yīng)力作用下開挖巷道，引起巷道應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力向頂?shù)装逯修D(zhuǎn)移；因此垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)于兩幫煤體，而水平應(yīng)力的影響則主要顯現(xiàn)于頂?shù)装鍘r層。

5 正確性評價

對于反分析結(jié)果的正確性評價，只能用反分析所得的計算參數(shù)進行數(shù)值分析，將分析所得的位移值和工程實測結(jié)果相比較，根據(jù)二者的符合程度來判斷。與反分析法不同，正分析法的輸入值不是位移值，而是應(yīng)力值，即表4中的原巖應(yīng)力值，輸出的是位移值，見表5。從比較結(jié)果知，二者相當吻合，證明原巖應(yīng)力值的計算結(jié)果是可靠的。如果任意更換成另外一組應(yīng)力值，結(jié)果將大不一樣。

表5 計算位移值與實測位移值的比較 /cm

6 工程應(yīng)用

6.1 確定巷道和采場的最佳斷面形狀和斷面尺寸

只有掌握了具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確定巷道和采場的最佳斷面形狀和斷面尺寸。根據(jù)彈性力學理論，巷道和采場的最佳斷面形狀，由其斷面內(nèi)兩個主應(yīng)力的比值來決定。為了減少巷道和采場周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最理想的斷面形狀是一個橢圓，這個橢圓在水平和垂直方向的兩個半軸長度之比與該斷面內(nèi)水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力之比相等。這時，巷道和采場周邊將處于均勻等壓應(yīng)力狀態(tài)。這是一種最穩(wěn)定的受力狀態(tài)。測試斷面的形狀為矩形，它的長短邊比為1.06，程序系統(tǒng)推薦的比值為1.115。參考彈性力學理想橢圓理論，應(yīng)作適當調(diào)整。

6.2 為巷道穩(wěn)定性評估提供依據(jù)

巷道圍巖穩(wěn)定性分類十分必要，分類目的在于：整理和傳授巖石中開挖地下工程的經(jīng)驗，將分散的實踐經(jīng)驗加以定量化的合理骨架，應(yīng)用前人經(jīng)驗做為支護設(shè)計的橋梁；對工程巖體的優(yōu)劣給予明確的區(qū)分和定性的評價，為巖體工程的勘察、設(shè)計、編制定額提供必要的基本依據(jù)。巷道圍巖穩(wěn)定性分類，通常考慮巖體完整性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石強度、地下水、地應(yīng)力狀況等地質(zhì)因素；其中地應(yīng)力實測和圍巖物理力學性質(zhì)測試是基礎(chǔ)資料。

6.3 指導(dǎo)施工，預(yù)報險情

在施工監(jiān)控中，以位移反分析法為核心的方法發(fā)展很快，已經(jīng)成為當前解決巖石地下工程穩(wěn)定性的重要工具；應(yīng)在各巷道經(jīng)常測量，分析數(shù)據(jù)、尋找規(guī)律，實現(xiàn)動態(tài)化的施工管理，為安全生產(chǎn)服務(wù)。

6.4 構(gòu)造應(yīng)力場的方向

陵川縣境內(nèi)有一個東西向斷裂構(gòu)造，分布于馬圪當甘河一帶，東西向展布，長約14km，斷裂面傾角大于80°，北盤相對于南盤，向西移位100m～200 m，垂直面斷距為10m～50m。所以關(guān)嶺山煤礦擬定經(jīng)常使用的巷道走向應(yīng)垂直于這一大斷層的走向；這樣做，既能節(jié)省支護成本，又有利于圍巖穩(wěn)定。

7 結(jié)論

在硐室深埋的情況下，一般可把地應(yīng)力簡化為垂直地應(yīng)力和水平地應(yīng)力，加在巖體周邊上。關(guān)嶺山煤礦152巷道的埋深160m，垂直應(yīng)力4.200 MPa，水平應(yīng)力4.8144 MPa，測壓系數(shù)1.115，在0.8至1.2之間。我國實測資料表明，測壓系數(shù)在此范圍內(nèi)的比例達40%，小于0.8和大于1.2的比例各占30%。

［1］ 徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］ 錢嗚高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.北京：中國礦業(yè)大學出版社，2003.

［3］ 蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2002.

Ground Pressure Measurement of No.152 Field Boundary Roadways in Guanlinshan Mine

XUE En-rui,NIU Zhi-ping,ZHANG Zhi-min,LIU Zhi-xiong(Department of Mining,Changzhi Vocational and Technological College,Changzhi Shanxi046000;Lingchuan Chong'an Energy Coal Co.,Changzhi Shanxi046000

The paper introduces the whole process using the calculation program of back analysis of ground pressure by means of Boundary Element Method under the condition of supporting to calculate the roadway ground pressure:to measure the convergence value with convergence gauge,to process the raw data with linear regression method,to calculate the ground pressure by input the processed data,and to check the correctness with positive analysis.At last,the author lists the real application and proves that the method is convenient,flexible and important to achieve the stress field data.

ground pressure;measurement;Boundary Element Method

TD326

A

1672-5050（2011）03-0057-03

2010-11-06

薛恩瑞（1946—），男，山西晉城人，大學本科，副教授，主要從事巖士工程的教學與研究工作。

劉新光