矿山压力对采准巷道的影响初探 陈萌萌

矿山压力对采准巷道的影响初探摘要：根据大学期间所学专业课知识，以及根据国内外有关采矿方面的书籍、报刊和杂志，研究总结国内外矿山压力特别是冲击地压对采准巷道产生的影响和遇到的一些难题。

在对采准巷道矿山压力显现规律及开采技术的研究与分析，结合所学知识，针对矿山压力对深部开采的影响增大这一难题进行重点研究，通过对深井矿压的研究与分析，我国在矿山压力方面取得了不错的成绩。

关键词：冲击地压；矿压显现；深井开采
Mine pressure influence on mining quasi Abstract: according to the knowledge learned during college specialized course, and according to the books, newspapers and magazines about mining at home and abroad, the research summary of mine pressure at home and abroad especially impact pressure on the impact of mining quasi and meet some of the problems. Appeared in for mining quasi the mine pressure regularity and the research and analysis of mining technology, combined with the knowledge, in view of the mine pressure in deep mining influence increasing studies focus on this problem, and through research and analysis of the deep well rock pressure, mining pressure in China has achieved good results.
Key words: impact pressure; Mine pressure appear; Deep mining
第一章国内外现状
地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤，岩发生破坏，这种情况将持续到煤，岩内部重新达到新的应力平衡为止。

此时，巷道和回采工作面周围的煤，岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场，这种由于在地下进行采掘活动而在井巷，硐室及回采工作面周围煤，岩体中和支护物上所引起的力，就叫矿山压力，简称矿压，也叫地压，岩压等等
冲击地压是矿山压力的一种特殊显现形式，可以定义为：矿山井巷和采场周围煤岩体，由于变形能的释放而产生的以突然急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。

简单地说，冲击地压就是煤（岩）体的突然破坏现象。

如同装在煤岩体中的大量炸药爆炸一样，煤或岩石突然被抛出造成支架折损、片帮冒顶、巷道堵塞、伤及人员，并伴有大量声响和岩体震动，最大震级可达3.8级以上，有时在几公里范围内的地面都能感觉到，形成大量煤尘和强烈的空气波。

在瓦斯煤层，往往还伴有大量瓦斯涌出。

冲击地压发生前，一般没有明显的宏观预兆，多数是由爆破引发的，发生时间短暂，震动冲击时间在几秒至几十秒之中。

发生在岩巷、金属矿和地下隧道中的冲击地压叫岩爆，表现为岩巷和隧道周边岩石成片状破裂，岩片向坑道内弹射，伴有声响，顶板掉块，底板拱起，洞壁严重破坏，甚至大量岩石崩落。

我国最早有记录的冲击地压发生于1933年抚顺矿务局的胜利矿。

之后，随着开采深度的增加和开采范围的增大，北京矿务局、开滦矿务局、阜新矿务局、枣庄矿务局、四川天池煤矿等局矿都发生了冲击地压。

截至2000年的不完全统计，我国有冲击地压问题的煤矿达50个左右，已发生的破坏性冲击地压达近3000多次，震级从里氏震级0.58级至3.8级，造成严重的危害，伤亡数百人。

冲击地压几乎遍布世界各采矿国家，即几乎所有采矿国家都不同程度地遭受冲击地压的危害。

世界有记载的第一次冲击地压发生在1738年英国的南史塔福煤田。

之后前苏联、南非、德国、美国、加拿大、波兰、法国、日本、印度、捷克、匃牙利、保加利亚、奥地利、新西兰和安哥拉等都记录到冲击地压。

目前煤矿冲击地压最严重的国家是前苏联、波兰、德国，而防治冲击地压发生最有成效的也是这三个国家。

许多国家对冲击地压防治问题都给予了极大的关注，同时也加强了重点研究和防治。

1977年国际岩石力学局成立了冲击地压研究机构，加强了对冲击地压类型，成因和机理，防治手段的研究，效果比较显著。

前苏联约在60年前，开始出现冲击地压现象。

首次发生在煤层中的冲击地压是上世纪40年代，首次发生在金属矿层中的冲击地压是上世纪60年代，始发深度大多在180～400M 之间，涉及的矿务局近30个，涉及的煤矿大约260个左右，据不完全统计发生冲击地压1000多次，金属矿发生岩爆500次左右。

前苏联根据本国冲击地压发生的条件，积极地进行了近40年的研究，现冲击地压是年发生次数已减少到原先的二分之一至三分之一。

冲击地压是波兰煤矿重大灾害之一，全国近60%的煤矿具有冲击危险。

大约50%的煤炭产量来自有冲击危险的煤层。

始发深度为400米。

在1949年一年内就发生冲击地压350次，1950～1960年期间，平均每年发生226次。

1961～1965年每年平均发生88次。

1966～1970年每年平均发生29次。

在以后的多年里，平均每年大约发生20次。

仅1949～1982年间，就发生冲击地压3097次，造成401人死亡，12万米井巷破坏。

冲击地压对德国采矿业的危害也是非常严重的。

鲁尔矿区是德国主要矿区，也是冲击矿压发生的主要矿区，据记载，早在19世纪末就已发生过冲击地压地。

据统计在所有煤区中只要顶板为坚硬岩层且巷道或工作面的位置造成应力集中，都可能引起冲击地压。

到20世纪末德国的平均开采深度已超过1000米，冲击地压等一系列安全问题更为突出。

发生在850～1000米深度上的冲击地压数占75%左右，最大的抛出煤量达2000立方米。

发生冲击地压的煤层顶板多为5～40米厚的砂岩或其它坚硬岩层。

预测预报和防治措施的钻屑法、钻孔卸压法就是由德国研究实验成功的成果，在国际上享有盛誉。

美国矿井出现的冲击地压多由于房柱式短壁开采所引起。

后引进了中国的长壁式开采技术，就冲击地压问题得到了有效的缓解。

冲击地压的危害极大。

一般级别的冲击地压只在局部范围内造成破坏。

强烈的冲击地压则可能成为整个工作面甚至全矿井的灾害。

尤其是发生在采掘过程
中的冲击地压，危害更大。

主要是冲击波和强烈震动引起的片帮冒顶、支架折损、摧毁设施、堵塞巷道、破坏设备，从而造成有同程度的人员伤亡，破坏生产和震坏地面房屋，进而可能引起煤尘和瓦斯突出或爆炸。

其例枚不胜举。

这都说明开展冲击地压的基本知识教育，加强冲击地压煤层的安全生产管理，深入开展冲击地压的预测和防治研究是十分必要的，尤其在我国煤矿事故频繁发生，世界广泛关注我国煤矿安全生产的今天，更有其政治意义和实际意义。

第二章矿山压力显现规律及开采技术
1.掘进巷道引起的围岩应力分布
巷道未开掘之前，岩体处于原始应力状态，巷道开掘之后，应力即开始重新分布，巷道围岩内出现应力集中现象，当巷道围岩强度小于围岩应力，围岩则产生塑性变形，并向岩体深部发展。

如图2-1所示。

图2-1 圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布
p-原始应力；σt-切向应力；σr-经向应力；p1-支护阻力；a-巷道半径；R-塑性区半径；
A-破裂区；B-塑性区；C-弹性区；D-原始应力区
巷道围岩一般分为四个区：破裂区A，塑性区B，弹性区C，原始应力区D。

（一）回采工作面周围应力重新分布
煤层开采以后，已采空地区上方岩层重量将向采空区周围有支承能力的地方转移，从而在采空区四周形成支承压力带（图2～2）。

工作面前方形成的超前支承压力，随着工作面推进而不断向前移动，故又称超前移动支承压力。

工作面沿倾斜向上或向下两侧及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，不随工作面推进而发生明显变化，故称为固定支承压力。

图2－2 采空区周围应力重新分布的概貌
1–工作面前方超前支承压力；2、3、4–沿倾斜、仰斜及工作面后方残余支承压力支承压力的显现特征通常以其分布范围、分布形式和峰值大小来表示，所谓峰值是指支承压力显现区集中应力的最大值。

对于超前移动支承压力，其峰值可能比原岩应力γH增高1～3倍，即应力集中系数K=2～4，对于固定性支承压力一般K=2～3。

在离工作面一定距离的后方采空区内，出现峰值较小（K=1～1.3）。

在工作面与两侧回采巷道交岔处的拐角上，形成峰值很高的叠加支承压力（即超前移动支承压力与固定支承压力的叠加）如图2～3所示。

此处应力集中系数K=5～7，有时甚至更高。

图2–3 煤层凸出角处的叠合支承压力
以上几种支承压力除应力集中程度不同外，其影响范围和分布形式也有所不同。

如图2～4。

一般来说，超前支承压力峰值位置深入煤体内的距离约为2～10M。

其影响范围视具体情况不同，可达工作面前方20～30M至90～100M。

两侧固定支承压力深入煤体的距离较远，而影响范围则较小。

集中应力的形成对顶
板稳定性影响极大，从而给顶板的管理带来了较大的困难。

图2–4 回采工作面周围支承压力在煤层平面内分布示意图在垂直煤层层面方向的分布范围及其一般规律如图2－5所示。

该图表明，顶板岩层距离煤层越近，支承压力的集中程度就越高。

距离越远，应力集中程度即会逐渐降低。

支承压力的峰值位置和其影响范围也随煤层距离的变化而有所变
化。

图2–5 支承压力在被开采煤层顶底板中分布示意图
1–采动影响带边界；2–支承压力区；3–卸载区边界
为了减轻或避免支承压力对巷道的危害和改善采区巷道维护状况，就必须掌握回采工作面周围支承压力的分布规律，并了解它对采区巷道的影响特点。

（二）采区平巷沿走向矿压显现规律
掌握沿煤层走向方向的矿压显现规律，对于正确选择巷道的支架类型确定合理的支护参数，控制矿压，改善巷道维护状况有重要意义。

生产实践与多年观测，工作面上、下平巷中矿压显现规律如下：如图2～6所示。

此例以本区段工作面采完后留下供下区段工作面复用的下部运输顺槽为例，从巷道开始掘进到开采工作完全结束（即为两个工作面服务）巷道报废的全过程中，矿压显现共分为五个阶段：
图2–6 工作面下部顺槽顶底板移动的全过程曲线
1–移动速度曲线；2–移近量曲线
Ⅰ、巷道掘进阶段
在煤层或岩层内开掘巷道，破坏了原始应力平衡状态，即会引起应力重新分布，围岩会产生移动和变形。

剧烈期每天的移动速度为几十毫米，稳定期一般，＜1毫米。

Ⅱ、无采掘影响阶段
这个阶段的围岩移动主要是由于流变所引起的，即变形量是时间的函数。

变形量极小，巷道基本稳定。

Ⅲ、采动影响阶段
由于回采，围岩应力再次引起重新分布。

加之空顶面积较大，导致矿压显现剧烈。

工作面前方（Ⅲ前）每天移近速度为十几毫米，占总移近量的10～15%；工作面后方（Ⅲ后），每天移近速度为20～60毫米。

这个阶段的移近量占总移近量的50～60%左右。

Ⅳ、采动影响稳定阶段
该阶段使巷道围岩重新进入相对稳定的阶段，平均移动速度比无采掘影响阶段稍大一些。

仅占总移近量的5～8%。

Ⅴ、二次采动影响阶段
由于回采，重新引起顶板岩层失稳和运动，比一次采动影响稍大一些，占总移近量的20－25％。

根据采区平巷的矿压显现规律的研究可知，采区平巷从掘进到报废的整个
服务期内顶底板总移近量U
总为
：
U
总=U
O
+v
T
+U
1
+v
1
T
1
+U
2
式中：U
O 、U
1
和U
2 －由掘巷、一次采动和二次采动引起的顶底板移近量，ｍｍ；
V0、V1－无采掘影响期和一次采动后稳定期内顶底板移近速度，ｍｍ／ｄ；
T0、T1－无采掘影响期和一次、二次采动影响间隔期的时间，ｄ。

（三）采区斜巷沿倾斜矿压显现规律
掌握沿煤层倾斜方向的矿压显现规律，对于正确选择采区巷道位置，确定合理的护巷煤柱尺寸或采用无煤柱护巷方法等都有重要意义。

通过多年井下观测，巷道内从煤体边缘向煤体深部可分为三个不同的矿压显现带（图2-7）
图2–7 采区斜巷中沿倾斜不同矿压显现带
1–卸载带；Ⅱ–支承压力带；Ⅲ–原岩应力带；l max–峰值位置
Ⅰ、煤体边缘卸载带
巷道边缘煤体在高应力作用下产生变形和破坏后，承载能力降低，故称应力降低区。

该带的宽度一般为1～3m，少数情况下可达4～6m。

依煤层采高、煤体强度与作用应力大小变化。

Ⅱ、支撑压力显现带
该带也称应力增高带。

影响范围多数矿井为15～30m，少数矿井可达35～40m，峰值距煤体边缘的距离，对多数矿井为15～20m，此范围内不宜布置巷道。

Ⅲ、原岩应力带
随远离煤体边缘，支承压力影响逐渐减弱，至煤体内部一定距离处即转入原岩应力状态，称原岩应力带，该带可布置巷道。

（四）、煤层底板岩巷矿压显现规律
掌握煤层底板岩巷矿压显现规律，对于正确选择围岩巷道的位置，改善底板岩巷的维护状况非常关键。

通过多年研究，以煤体与采空区交界地区为例，底
板岩层中存在着几个不同的矿压显现区如图2－8所示：
图2–8 煤体与采空区交界处底板岩层中的不同矿压显现区
A–应力增高区；B–应力降低区；C–影响微弱区；D–未受影响区
A、应力增高区
这是由于开采工作引起的支承压力传递到底板的结果，愈靠近煤层，集中应力就愈大，此处不利于布置巷道。

B、应力降低区
此处是开采后顶板岩石离层、冒落，在邻近煤体的采空区下方形成的应力明显低于原始应力，故底板岩石中的应力很小，称为降压区。

C、影响轻微区
此处位于煤体边界处的采空区下方，介于应力增高区和降低区之间，受采动影响极小，有利于布置巷道。

D、未受影响区
此处离煤体上支承压力集中区较远或深度较大，故称为未受支承压力影响的区域。

2、具有冲击地压煤层的开采技术
根据前述发生冲击矿压的成因和机理，在开采具有冲击地压危险的煤层时，应注意从两大方面严加管理或采取应有的措施。

一方面降低应力（能量）的集中程度；二是改变煤岩体的物理力学性能，以减弱弹性能的能力。

本着这样的原则，
开采具有冲击地压的煤层注意采取开采技术如下：
（一）超前开采解放层
如图2－9所示
图2－9，超前开采解放层
1–危险层；2–保护层；3–保护区；4–缷载区
通过对保护层2的开采形成应有的采动影响和效果，破坏1层煤系地层的完整性之后，使危险层承受集中应力的能力大大降低，从而减少弹性能的积聚，达到解放危险层的目的。

（二）无煤柱开采
1．应用沿空巷道
根据支承压力在煤层倾斜方向上的显现规律。

采空区边缘存在一定宽度的缷载带，在这个区域中掘进巷道，可完全避免冲击地压的发生。

（1）沿空掘巷
即在上区段采完后，间隔一定时间，沿采空区与煤体交界处，在煤层内重新掘进煤层平巷，作为下区段工作面的回风平巷。

随具体情况不同，沿空掘巷可分为以下三种方式：
①完全沿空掘巷
这种方式应注意：必须在上区段回采造成的围岩移动和冒落过程结束后，
再开始掘进。

一般滞后时间不要少于2～3个月，通常为4～6个月，少数情况可达一年以上。

目的是避开动压的影响，或开采形成的集中应力均化稳定，不至于引起冲击的危险。

②留小煤柱的沿空掘巷
这是沿空掘巷的过渡类型，其特点是在煤体边缘留有1～3米的小煤柱，其它要求与完全沿空掘巷相同。

目的是避开煤体内固定支承压力的影响，将巷道设在减压区，防止冲击的危险。

③保留老巷部分断面的沿空掘巷
这种方式是在保留上区段工作面运输顺槽部分断面的条件下完全沿空掘巷，也可以说是沿空留巷和沿空掘巷的混合形式。

留有部分断面往往达不到人们想象的效果，故很少采用。

（2）沿空留巷
沿空留巷是在上区段工作面采过后，将运输顺槽保留下来并加以维护，供下区段工作面开采时作为回风顺槽。

2、进行跨巷回采
（1）跨越平巷回采
跨越平巷回采就是回采工作面从底板岩巷上方连续采过去，在底板岩巷上方不留煤柱，从而避开了煤柱而形成的高应力集中带，避免了冲击地压的危险。

（2）跨上山回采，不留区段煤柱
与跨平巷回采相似，即回采工作面从底板岩石上、下山上部连续采过去，不留上山保护煤柱，在倾斜方向上不留区段煤柱，从而避开了应力集中。

第三章深井开采特点分析
一、研究深井矿山压力的重要性及其意义
随着各国矿井的不断开采，采深的增加属于自然规律，人为的改变其采深是不可能的，但通过努力改变其开采技术条件，则是可以实现的。

根据现代勘探技术及美国、波兰、苏联对主要采煤国家的资料记载：有用矿物资源在地下的埋藏深度达20km，将来有开采价值的，有条件实现的开采深度为2000m。

煤层的最大埋深可能超过1800m到2000m。

目前西德煤矿的最大采深达1443m。

苏联很多煤矿正在1100~1400m深度上开采，同时正在进行1400~1600m深井的开采设计。

波兰、比利时等国家的不少矿井采深已达千米以上。

南非有44个金矿采深达1000m~3500m，有的正在向4000m延深。

而我国目前的最大采深还达不到这一开采深度。

（平均为400~500m，最大采深为北票矿务局的某一对矿井，深度为1059m）。

所以深井开采的研究起步较晚，这将直接影响着我国今后的国民经济发展。

由于世界不少国家的开深大大超过了我们，所以多年来，他们在深井开采技术的研究方面积累了非常丰富的经验，取得了非常可贵的成果。

我国自“一·五”到“五·五”期间，平均每年降深12.55m，“七·五”后达到15m/年。

而原苏联、波兰、德国的开采年降深速度与我们相当，例如：顿巴斯矿区15m/年，鲁尔矿区12m/年，而且随着采深的增加，工作面前方支承压力带中巷道顶底板移近量也相应增加，其梯度为：
围岩强度为30MPa 移近量212mm/100m(采深)
围岩强度为50MPa 移近量115mm/100m(采深)
围岩强度为90MPa 移近量35mm/100m(采深)
两矿区中，对于围岩强度为30 MPa的不稳定岩石，当采深由300m增加到700m时；煤矿边缘至支承压力峰值距离增加63%，（平均增量为2.54m/100m），煤体内支承压力带总宽度增加37%，(平均增量为6m /100m)
支承压力带内最大压力增加一倍，(平均增量为2.4 MPa /100m)
沿煤层法线方向，顶板强烈破坏带的高度增加77%，（平均增量为4.6m /100 m）由此可知，随采深的增加，矿压参数急剧增加，给开采带来非常大的困难。

特别是用浅部的矿压特点及规律处理深部的矿压问题，就会出现一系列的事故隐患。

必须引起各层领导和工程技术人员的足够重视。

经国外多年的研究表明：影响深井巷道、工作面矿压显现的因素很多，且大多数因素交叉关联，互相制约，大致分为地质、采矿两大类：
地质因素主要有：围岩成份、性质、厚度、结构、强度、构造、含水性、巷道埋深、直接顶与老顶的垮落、来压步距，等等。

采矿因素主要有：巷道的掘进方式、断面形状及尺寸、工作面回采顺序、推进速度、巷道掘进滞后时间及相对于回采面的位置、采空白的处理方法、巷道服务年限，支架的力学性能及架设质量、护巷方法等等。

国外深井开采的研究超前于我们十五年之多，波兰在75年就出版了第一本深井开采论文集。

类似于上述问题的研究，不仅有定性的措施与结论，也有定量的参数与经验公式，同时监测、预报手段也比较齐全。

当然，深井巷道的支护方式的选定也与国情有关，象波兰的深井巷道支护，基本是采用大强度的封闭式支架，而我国则要在考虑经济的前提下，实现深井支护，这就对深井开采的技术研究提出了更高的要求。

加强深井开采技术的研究是摆在我们面前的一项重要课题，对发展国民经济有着战略意义。

深井开采所显现的自然现象，集中表现在地温、地压随开采深度的增加而增大。

深度越大，上述条件越恶化，但只要掌握其特点，且采用相应的措施加强技术管理，上述的恶化条件也不是一成不变的。

二、深井巷道的矿压显现特点分析
煤岩体抗压强度与采深的关系：
根据波兰二十多年来对深井巷道的研究结果表明，中硬岩石两帮压力（巷道压力），煤岩平均抗压强度与采深的对比关系如表：
对表中数据进行回归分析后，求得砂岩、泥岩、硬煤随着深度增加而增加的平均抗压强度梯度为：
砂岩：Rcs=380+6.6H
泥岩：Rcn=2000+3.5H
硬煤：Rcm=1940-0.6H
根据巷帮最大压力与煤岩平均抗压强度的对比关系，可以求得各种岩体中巷道的临界深度如图所示：
从图中可以看出：
①硬煤初次显现极限深度为300m，深度达到350m时，巷帮压力就超过了煤的平均抗压强度。

因此，就会产生维护煤帮的困难，越往深处，被压坏的可能性就越大。

由于减少了巷帮顶底板之间的磨擦力及顶底板移近产生的夹持力，同时距巷帮深处的弹性能进一步提高，故更可产生煤的突出。

②泥岩初次显现的极限深度为600m，在1300m以下的深处才出现类似于岩石突出的压力超限现象；而砂岩初次显现的极限深度为900m，不过类似于岩石突出的压力超限现象，目前的开采深度通常不应出现。

③由于砂岩抗压强度随采深的增加而增加的梯度较大，故在深井开采中，应设法把巷道布置在均质的坚硬砂岩中，尽量避开薄弱环节，以减少挤出、突出。

④在很多矿井中，煤巷的比例较大，故随采深的增加，防止煤巷片帮将成为深井开采中的主要问题。

于是深井煤巷的支护应加强研究。

⑤在有软底的煤层中，大深度巷道中的底膨现象要比浅部巷道中多。

因此，
降低巷道两帮的压力是防止底臌的基本方法。

当然，巷道围岩压力的大小不仅仅
是赋存深度，与老塘的相对位置关系及巷道的支护形式、维护方法也有关。

三、深井与冲击地压的关系
1．煤岩体强度与采深的关系，如表、图所示：
煤岩体强度与采深关系表
αzwt
从煤的强度看：
当R cw＝15MPa时，H>450m，煤体强度将遭到破坏。

当R cw＝20MPa时，H>610m，煤体强度将遭到破坏。

当R cw＝25MPa时，H>750m，煤体强度将遭到破坏。

当R cw＝30MPa时，H>880m，煤体强度将遭到破坏。

以上几种情况下的临界深度充分说明：具有不同强度的煤体，若赋存深度超过了不同的临界深度，煤体强度将会遭到不同程度的破坏，为煤的挤出、突出提。