馬紅濤

【摘 要】礦山工程中，由于采掘活動(dòng)破壞和改變了原巖應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布，使圍巖變形、離層、移動(dòng)以及破壞垮塌等。工程實(shí)踐中把存在于采掘空間周?chē)鷰r體內(nèi)和作用在支護(hù)物上的力稱為礦山壓力，簡(jiǎn)稱礦壓。礦山壓力是采掘工程引起的，如果沒(méi)有巷道開(kāi)掘和采煤工作，就不存在礦山壓力，采動(dòng)前原巖應(yīng)力是礦山壓力產(chǎn)生的根源。希望通過(guò)本文的研究，對(duì)煤炭的科學(xué)開(kāi)采提供一定的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】煤礦開(kāi)采；工作面；礦山壓力；影響因素

煤炭在開(kāi)采之前由于巖體靜止，因而其應(yīng)力一直維持平衡的狀態(tài)，煤炭的開(kāi)采過(guò)程直接將這種平衡狀態(tài)打破，導(dǎo)致巖體內(nèi)部重新進(jìn)行了應(yīng)力的分布，一旦新分配的應(yīng)力超出了煤巖所能承受的極限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致開(kāi)采工作面四周的巖體遭到破壞，此時(shí)將會(huì)導(dǎo)致工作面四周的煤在巖體中重新進(jìn)行新應(yīng)力場(chǎng)的排布，這種因煤炭開(kāi)采過(guò)程而在煤體，巖體及其支護(hù)物方面所引起的力，即所謂的礦山壓力。

1.自然條件對(duì)工作面礦山壓力的影響

通常而言，自然條件對(duì)礦山壓力具有直接影響，自然條件主要包括兩個(gè)方面，一是煤層的厚度情況，厚度越大，開(kāi)采時(shí)壓力升高區(qū)的煤層支撐力會(huì)發(fā)生大幅地降低，因而煤的壓縮總量將會(huì)越大，此時(shí)頂板巖層將會(huì)有預(yù)先下沉等情況的發(fā)生，這就導(dǎo)致工作面后頂板的穩(wěn)定情況更差，因而煤的厚度越大將越易出現(xiàn)變形，此時(shí)應(yīng)當(dāng)確保開(kāi)采工作面具有足夠強(qiáng)度及穩(wěn)定性的支護(hù)體系；二是開(kāi)采區(qū)的圍巖性質(zhì)，例如圍巖強(qiáng)度等條件。若頂板相對(duì)穩(wěn)定，則對(duì)于支柱所帶來(lái)的壓力也更小，若頂板巖石穩(wěn)定性不足，則其下沉量以及對(duì)支柱所帶來(lái)的壓力也會(huì)更大一些。若底板巖石相對(duì)較為堅(jiān)硬，則只需確保支護(hù)體系的強(qiáng)度不影響頂板的壓力分布即可，而可縮量應(yīng)通過(guò)支柱進(jìn)行承擔(dān)。但是，當(dāng)?shù)装鍘r石強(qiáng)度不夠時(shí)，此時(shí)其底很難承受頂板所帶來(lái)的壓力，因而很容易遭到破壞，出現(xiàn)支柱插人底板的情況，進(jìn)而對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大的影響。若頂板足夠堅(jiān)硬，則其通常不會(huì)出現(xiàn)跨落的情況，但是應(yīng)當(dāng)注意的是，在裸露面積不斷增大的情況下，一旦達(dá)到某極限時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頂板出現(xiàn)大面積的一次性跨落情況的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致工作面支柱被大面積地推倒，后果十分嚴(yán)重。

2.生產(chǎn)條件對(duì)工作面礦山壓力的影響

通常而言，控頂?shù)木嚯x將會(huì)對(duì)煤炭開(kāi)采工作面的礦山壓力帶來(lái)較大程度的影響。因此，盡量將工作空間的寬度減少，同時(shí)借助于煤壁所帶來(lái)的支撐作用，將會(huì)大幅度減少頂板的下沉量，降低采空區(qū)支柱方面的壓力，這樣即最大程度地降低了對(duì)頂板的破壞程度，確保了頂板巖石的完整性。由于頂板的下沉量同頂板的變形程度有關(guān)，變形程度越大，頂板離層情況也越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致工作面的支柱壓力越大。此外，煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的工藝流程也會(huì)對(duì)礦山壓力帶來(lái)影響，尤其是對(duì)于頂板的下沉速度所帶來(lái)的影響更大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在頂板受工序影響情況較小的情況下，此時(shí)其下沉速度幾乎是停止的。而放頂及割煤工序等會(huì)加快頂板的下沉速度以及支柱壓力的增長(zhǎng)情況。通常而言，放頂過(guò)程中所引起的動(dòng)力會(huì)加快頂板下沉的速度，據(jù)統(tǒng)計(jì)，頂板下沉總量的8%一30%是因放頂所造成的。而放頂之前的6m及其放頂之后的巧m對(duì)于頂板下沉速度的影響是最大的，對(duì)于此種情況而言，可借助于單體液壓支柱來(lái)改善這種劇烈下沉的情況。此外，放頂過(guò)程中的頂板下沉速度還同頂板和底板巖體性質(zhì)、開(kāi)采煤炭的硬度、煤層的厚度、支護(hù)質(zhì)量及其材料等因素有關(guān)。對(duì)于割煤過(guò)程而言，其對(duì)于頂板的下沉量有關(guān)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，頂板下沉總量的巧%一45%是由于落煤所導(dǎo)致的，由于割煤過(guò)程使得暴露面積急速增加，因而導(dǎo)致了頂板的下沉速度不斷增大。

3.開(kāi)采工作面的推進(jìn)速度對(duì)工作面礦山壓力的影響

除了上述因素外，煤礦開(kāi)采工作面的推進(jìn)速度情況也會(huì)對(duì)開(kāi)采工作面的礦山壓力帶來(lái)相當(dāng)程度的影響。通常而言，工作面的推進(jìn)速度大，則頂板的下沉速度也相對(duì)較大，不過(guò)，絕對(duì)下沉量以及由頂板帶給支柱的壓力相對(duì)較小，因而一定程度上增大了頂板的穩(wěn)定程度。此外，頂板下沉量同頂板的控制時(shí)間方面也存在著一定的關(guān)系，控制時(shí)間越短會(huì)使得工作面的礦山壓力移動(dòng)速度增大，因而一定程度上對(duì)于煤壁完整性的提高具有一定作用。

4.頂板及支護(hù)材料等的管理辦法對(duì)工作面礦山壓力的影響

通常情況下，支架的支撐力幾乎無(wú)法對(duì)上復(fù)巖層撓曲形狀帶來(lái)影響。因此，支柱起到兩個(gè)作用即可，一方面是支撐作用，一方面是可壓縮作用。支撐作用是最基本的要求，支柱應(yīng)當(dāng)能夠確保直接頂?shù)耐暾?，確保其不離層，而可縮性也很重要，但是，其必須能夠適應(yīng)上復(fù)巖體的撓曲程度。從目前的支護(hù)材料的應(yīng)用來(lái)看，木柱無(wú)法適應(yīng)縱向可縮性，HzwA支柱具有的可縮量過(guò)大，HzJA支柱則具有較適宜的可縮性，但是其支撐力相對(duì)較差，隨著單體液壓支柱的應(yīng)用，頂板事故的發(fā)生率得到了大幅度地降低。

5.煤炭采空區(qū)的處理辦法對(duì)工作面礦山壓力的影響

在采空區(qū)的處理辦法中，全部跨落法在頂板跨落之后可將采空區(qū)空間充滿。若直接頂板跨落之后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)采空區(qū)空間的完全充滿時(shí)，應(yīng)采用人為放頂方法，此時(shí)采用放大炮的效果相對(duì)較好。對(duì)于頂板較為堅(jiān)硬的煤層而言，通?？刹捎媚局M(jìn)行支撐，或采用局部進(jìn)行充填的方法。

6.工作面頂板破斷的力學(xué)分析

6.1采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程的頂板損傷特點(diǎn)

采場(chǎng)基本頂破壞的實(shí)質(zhì)是不斷開(kāi)挖下的漸進(jìn)破壞過(guò)程，巖石作為一種含有裂隙等缺陷的天然損傷材料，由于裂隙和缺陷的擴(kuò)展是不可逆的，巖石具有明顯的記憶特性，這種工藝過(guò)程對(duì)研究采場(chǎng)基本頂破斷機(jī)理非常重要。例如神東礦區(qū)淺埋煤層工作面來(lái)壓劇烈，發(fā)揮現(xiàn)代化采支設(shè)備的效能就應(yīng)該從符合開(kāi)挖工藝的分析手段人手仔細(xì)研究頂板破斷機(jī)理。采場(chǎng)開(kāi)挖工藝過(guò)程的主要特點(diǎn)是分步開(kāi)挖引起的損傷積累，頂板的破斷形態(tài)和垮距將受這種工藝過(guò)程的明顯影響，淺埋煤層的頂板穩(wěn)定性主要取決于基本頂關(guān)鍵層的穩(wěn)定性。

6.2工作面頂板初次破斷機(jī)理

采場(chǎng)巖體作為天然材料，是一種自然損傷體，隨采空跨度的增加，頂板巖層中部下側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)向開(kāi)切眼側(cè)發(fā)育，這是因?yàn)閹r梁自開(kāi)切眼側(cè)逐漸向工作面煤壁延長(zhǎng)，巖梁的中部是從開(kāi)切眼側(cè)逐漸向工作面?zhèn)劝l(fā)展，而基本頂中部點(diǎn)經(jīng)歷了一個(gè)反復(fù)受載累積損傷的過(guò)程。當(dāng)巖梁長(zhǎng)度接近極限跨距時(shí)，巖梁下部拉應(yīng)力破壞區(qū)向上發(fā)展，使巖梁有效厚度變厚，在剪切作用下發(fā)生剪切破壞，破斷點(diǎn)應(yīng)靠近切眼側(cè)，呈前長(zhǎng)后短的非對(duì)稱性。巖石力學(xué)研究認(rèn)為巖體基本上屬于非抗拉材料，巖石損傷力學(xué)的研究也發(fā)現(xiàn)巖石的微觀破壞為拉破壞。

6.3工作面基本頂周期性破斷機(jī)理

基本頂在經(jīng)過(guò)初次破斷后，由原來(lái)的固支巖梁變?yōu)橐欢藨铱盏膽冶蹘r梁，巖石的受拉破壞機(jī)理以及這種巖梁的形式，決定了基本頂?shù)闹芷谄茐男问?，?yīng)該是隨工作面的推進(jìn)在工作面前方煤壁內(nèi)某處形成達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)的拉應(yīng)力后，再隨工作面推進(jìn)而逐漸使該處拉裂隙由上向下貫通到煤層，等待工作面煤壁推到此位置下而發(fā)生周期性破斷。

7.結(jié)論

綜上所述，煤炭開(kāi)采過(guò)程中必須對(duì)上述因素進(jìn)行考慮，以作全面掌握工作面礦山壓力所呈現(xiàn)的規(guī)律，進(jìn)而利用此規(guī)律來(lái)指導(dǎo)煤炭開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，及時(shí)采取有效的措施給予解決，以確保煤礦生產(chǎn)過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。筆者通過(guò)對(duì)礦山工作面頂板破斷的特性和機(jī)理的分析，以期使讀者能夠進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解煤礦開(kāi)采工作面的礦山壓力特征，并為日后的礦山壓力研究工作提供一定的借鑒和參考。

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