第六章 矿山地压及其控制讲解

第六章矿山地压及其控制

第一节矿山地压的概念

矿床开采过程中，地压显现往往给采矿工作带来巨大灾难，它不仅危害生产安全，而且会使矿山局部停产，甚至毁灭整个矿山。

一、地压的定义

地压是泛指在岩体中存在的力，它既包含原岩对围岩的作用力，围岩间的相互作用力，又包含围岩对支护体的作用力。地压的大小，不仅与岩体的应力状态、岩体的物理力学性质、岩体结构有关，还与工碜壮质、支护类型及支护时间等因素有关。地压会引起围岩及护体的变形、移动和破坏，称为地压现象。在脆性岩体中，可能发生冒顶、片帮等围岩的破坏现象；在塑性岩体中，表现为巷道顶板下沉、两帮突出、底板鼓起等现象。

当围岩中的应力不超过其弹性极限时，地压可全部由围岩来承担，井巷可以不加支护而能在一定时期内维持稳定。当围岩中的应力超过了围岩强度极限时，为了维护井巷断面形状，并保持其稳定，必须采取支护，这时的地压是由围岩和支护体共同承受。可见，作用在支护体上的压力仅是地压的一部分。

二、地压的分类

地压的显现使岩体产生变形和各种不同形式的破坏。为了便于分析各种不同性质的地压，按其表现形式，将地压分为变形地压、散体地压（亦称松动地压）、冲击地压、膨胀地压四类。变形地压是指在大范围内岩体因变形、位移受到支护体的抑制而产生的地压；散体地压（亦称松动地压）是在一定范围内，滑移或塌落的岩体以重力的形式直接作用于支护体上的压力；冲击地压又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能之后，突然释放出来时所产生的压力；膨胀地压是由于巷道围岩膨胀而产生的压力。

由于地压理论的发展，更新了某些传统的地压旧概念，纠正了过去对地压认识的片面性。例如，人们利用支架支承地压就存在片面性，认为支架越坚固、强度越高，就越能保证井巷的安全，其实作用在支架上的压力并不是常量，而且随支架本身的性能及支架架的架设时间等而变化，在许多情况下，采用承载能力较低的可缩性支架，更能保证井巷的安全。又如，以往常常视井巷围岩为载荷，只单纯地利用人工支护结构去支承围岩压力。实际上，围岩本身也具有较大的承载能力，充分利用围岩的承载能力，可以节省大量的支架材料。

第二节井巷地压及其控制

一、井巷地压特征

由于巷道开挖后改变了岩体的初始应力状态，围岩产生应力重新分布。设巷道开挖前岩体中某一点的原岩应力为σ0，开挖后该点的次生应力变为σ，它们的比值K=σ/σ0。称为应力集中系数，它表示巷道开挖前后应力的变化情况。若K>1，说明巷道开挖后次生应力增大了；反之，若K<1，说明巷道开挖后次生应力减小了。巷道围岩应力变化的范围称为采动影响范围。实验分析和理论研究证明，采动影响范围只限于巷道周围不大的区域以内。由巷道中心至影响范围的边线距离称为采动影响半径R影，其大小为R影=（3~5）D（D为巷道半径），习惯上将此范围内的岩体称为围岩，将该范围以外的岩体成为原岩。在围岩区域内形成的新应力场称为次生应力场。在采动影响范围以外的岩体仍可视为原岩应力状态，它们不受采动的影响。

围岩的次生应力状态与巷道的横断面形状及尺寸有关。断面为曲线形的巷道，相对来说围岩的应力变化比较均匀，而断面为折线形的巷道，则会在角隅处出现较大的应力集中。巷道开挖后若及时支护，既可以阻止围岩变形的发展，又可以影响围岩的应力分布状态。

二、地压的控制

井巷破坏的原因主要是围岩应力超过了岩体的强度，因此，井巷维护的基本原则是提高围岩强度，降低围岩应力，改善围岩的应力状态，以便充分利用围岩的自身抗力去支撑井巷地压。

井巷的维护应遵循的主要原则如下。

(1)合理选择井巷的位置。在生产条件允许下，尽可能选在地质和水文地质条件较好，没有软弱夹层的岩体中；尽量避免回采的影响；主要巷道应布置在崩落带以外。并保持一定距离。

(2)采用合理的施工。工艺在井巷施工中，应快速掘进，尽量采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆吞破技术，以减少爆破对围岩的震动和破坏，保持围岩体的完整性。应积极采用锚喷支护，以提高围岩岩体强度，充分发挥其自承能力。

(3)选择合理的支护类型。对于以变形地压为主的巷道，应选择可缩性大的柔性支架，如锚喷支护、可缩性钢支架及在钢性支架的棚梁和棚腿的接触面、砌混凝土巷道的肩部夹入可缩性材料如橡胶等。对于以松动地压为主的巷道，则可选用有足够强度的刚性支架来支撑松动岩石的重量，如石料砌混凝土、钢木支架、钢筋混凝土支架等。

(4)选择合理的断面形状和尺寸。圆形与椭圆形井巷断面的应力集中程度最低，当巷道面越高，巷道两侧的压力越大，巷道两侧应采用圆弧形断面；巷道断面越宽，巷道顶部的压力越大，巷道顶部应采用圆弧形断面，以减少应力集中。巷道断面的最大尺寸应沿着最大来压方向布置；最大来压方向的巷道周边应尽量选用曲线形状。

(5)确定合理的支护时间。

第三节采场地压及其控制

一、采场地压的特点

采场地压是指在地下开采过程中，暸岩对采场或采空区围岩及矿柱所施加的载荷。这是由于地下矿体采出后所形成的采掘空间破坏了原岩的自然平衡状态，致使岩体应力重新分布，引起采场围岩变形、移动或破坏等一系列地压现象。这些地压现象的发生和发展过程称为采场地压显现。

采场的规模远远大于井巷，但由于采场空间的形状、体积、分布状况、形成及存留时间等方面的特殊性，采场地压与巷道地压有相当大的差异，归纳起来采场地压具有暴露空间大、复杂性、多变性、显现形式的多样性、控制采场地压的难度大等特点。

当矿体的围岩完整、稳定时，可采用空场法开采地下资源。空场法（包括留矿法）的采场地压显现，从时间和空间上看，大体可分为开采初期采场回采期间的局部地压显现和开采中、后期大规模剧烈的地压显现两个时期。局部地压显现表现为采场矿体、围岩或矿柱的变形、断裂、片帮、冒顶等现象；大规模的地压显现表现为采空区上方大面积覆盖岩层急急剧冒落，与冒落区相邻的采场压力剧增，出现矿柱压裂、顶板破裂、采准巷道开裂及冒顶现象。

二、采场地压的控制

采场地压控制的主要方法如下。

(1)合理确定采场断面形状及矿房、矿柱参数。利用矿柱控制采矿房的跨度、形状，并支撑上覆岩层的压力；利用围岩与矿柱的自支承能力维护回采矿房的稳定是地压控制的基本方法。为此，必须合理选择矿房、矿柱参数及矿房断面形状与布置方向，以使矿房周围应力分布尽可能地合理，既便于充分发挥围岩自承能力维护自身的稳定，又能做到充分采出矿石。

(2)支撑与岩体加固。回采不稳定矿体时，常利用人工支护回采工作空间，防止冒落。传统的支护方法是用立柱、支架、木垛等进行支撑。近代又发展了岩体加固法，用锚杆、长锚索、注浆等加固不稳定矿体，增强其强度，维持其稳定。若对待采的不稳固矿体预先进行