煤矿开采中的地应力特点及其应用

煤矿开采中的地应力特点及其应用

蒲强龙

国家能源集团新疆能源公司 新疆乌鲁木齐市 830010

摘要：地应力会给岩土工程产生很大的影响，主要是造成其变形、破坏等，所以进行围岩力学分析就是为了掌握岩土工程设计特点，为开发顺利的进行奠定基础。分析了解煤矿开采地应力特点和应用，目的就是让煤矿开采安全性和岩土工程质量得到提升。本文对于煤矿开采地应力特点和应用，目的就是保证安全性和岩土工程质量。

关键词：煤矿开采；地应力特点；岩土工程

我们都知道，地球时刻保持着自转与公转，在地球运动的过程中，会产生天然的应力，潜藏在地层结构内部，能量较大，给工程产生较大的破坏力。原岩应力是潜藏在没有给工程产生干扰的天然应力，在人们下井开挖巷道围岩内，这就会产生新的应力，即次生应力。煤矿开采环节，巷道掘进作业施工，工作面回采是重要的工作之一，与其他地下采矿是相同的，所以进行地应力研究有着极为重要的作用。

1地应力概述

地应力是在底层内没有受到工程扰动的天然应力，也可以叫做是岩体的绝对应力与初始应力。地应力的产生原因有很多，比如地球内部应力、不同板块之间的受压、地心引力等，其主要组合成了应力场、重力场等。如果在地下空间进行巷道开挖施工，会给巷道周边的原始应力以及所在位置形成不同程度的影响，所以巷道周围会有新的应力产生，这就是次生地应力。煤矿开采作业阶段，巷道围岩容易受到原始应力和次生应力的联合作用，所以要加强这一方面的分析。

1.1原岩应力

原岩应力一般也可以被叫做绝对应力、初始应力，所以在煤矿开采作业前，就已经在岩体中存在，这一应力形成的原因包含地壳构造运动、自重、地质结构应力等方面。

1.2次生应力

煤矿开采工作进行中，会让应力发生改变，达到新的平衡性状态，在之前岩体内部地应力是平衡性的状态，在煤矿开采进行中，原岩应力场会有不同程度的影响，这样就会形成次生应力。开采活动不同，原油应力场产生的影响也是不同的。开采环节所导致的次生应力会超过原岩应力，也可能会出现比原岩应力小的情况，对于煤矿开采工作来说，开采活动包含工作面回采与巷道掘进。

1.3开采中地应力

地应力场的变化，会给工程的开展产生影响，如果岩石出现应力破坏，造成项目难以继续开展。因此，在矿井设计、支护设计环节，需要及时准确的掌握应力方向、大小等信息，然后在开采环节，很多情况下都会出现掘进施工给周边地应力的影响超出岩石强度。因此，在煤矿开采作业阶段，通过加强地应力的分析，可以有效的预防地应力给验收造成严重的破坏，确保巷道稳定性。

2地应力测量分类

地应力一般也会叫做原岩应力，主要指外部环境没有产生干扰的情况下岩体中某个点受到应力分量的总体度量，该度量是极为稳定的，几乎不会受到外部环境变化而影响。地应力如果要想测量，就要打破原有岩体结构的稳定，通过打孔的方式在岩体内部获取应力产生的应变参数，测量得到的应变力可以反映出原岩应力，虽然当前地壳受力规律研究还是以假说的方式存在，并且对于很多的应力研究停留在理论阶段，但是只有真正的利用原岩应力测量才能得到直接数据。在工程施工中，需要通过合理的测量方式掌握数据信息，但是当前还没有任何理论可以取代这一测量工作。西方国家已经全面的开展原岩应力测量，岩土工程领域也逐步的应用测量后的数据。我国从二十世纪70年代开始进行原岩应力测量研究，当前很多的岩土工程内都在合理使用地应力测量的数据信息，为后续开挖施工提供良好基础。

地应力测量方式比较多，任何一种方法在应用时都不可避免的对岩体内应力产生扰动和影响，优选选择方式是岩体钻孔作业。扰动实施前，岩体内部处于平衡状态，但是扰动后，发生一定的变化，立即以另外一种平衡状态存在，这种测量原岩应力变化的方式，可以间接获取原岩应力参数。通过该方式的应用，选择科技水平较高的测量仪器，可以准确确定原岩应力。

对于地壳或者地层研究的各个学科中，地应力是非常重要的资料，比如采矿作业开始前，需要进行地形断面形状优化，选择最佳的巷道施工位置，并且进行矿井、巷道的加固处理，这些环节都要利用地应力数据才能实现。最近几十年中，地应力测量技术的研究取得了很大的进展，具体是如下两个方面：其一，测量方法数量增多；第二，测量工具水平提升。当前应用到地应力测量点方式有几十种，工具、仪器的数量也有上百种。1987年，国际岩石力学学会试验专业委员会发布了《岩石应力测定的建议方法》，其中说明了一些测量原岩应力的方式，最为简单、便捷的测量方式就是空心包体应变法、孔壁应变法，这两种方式只需要进行一次的钻孔工作就能够得到准确的原岩应为，为施工的指导起到重要作用。

原岩应力测量方式比较多，所以需要结合不同的情况进行分类，确定标准、测量原理等。根据测量原理的不同，可以分为直接测量、间接测量；根据测量内容不同，可以分为相对值测量、绝对值测量两种。

目前应用较为普遍的直接测量方式有水压致裂法、扁千斤顶法、声发射法，主要是通过相应的仪器设备直接进行扰动后测量应力分量值，并且通过换算关系确定原岩应力参数。

间接测量方法需要测量出岩石变形与应变数据，并不是直接获取应力值参数，以岩石的物理变化作为基础，通过物理方程计算确定原岩应力参数。

地应力形成的原因是比较复杂的，所以无法使用某个公式表示，实测是目前研究地应力的主要方式。科学技术高速发展，地应力测量理论、测量方法都在不断的成熟。以地应力概念方面出发分析，近几十年，人们开始加强地应力的深入研究，很多科学家都发布了相关地应力测量方法，数量达到20余种，仪器也已经研发出来百余种，可谓比较丰富。

目前应力解除法（空心包体应变计）和水压致裂法是国际上比较认可的测量方法，应用范围也比较大，对于地应力的测量领域发展起到了积极的促进作用。进行全面深入的地应力测量方式，可以充分了解矿井内的地应力分布特点、发展规律等方面，从而可以指导现场技术人员做好相应处理，以避免在生产中产生严重安全事故。

3煤矿开采中的地应力特点

经济与社会的高速发展，科学技术取得了很大的进步，人们在矿山工程实施现场对于地应力的人身程度在提升。随着人们对于矿山地应力的研究逐步加深，在煤矿开采环节比较重视地应力的检测工作，从而可以了解煤矿开采的地应力特点，掌握相关数据信息，为煤矿的正常开采、人们的生命健康产生积极的作用。

从煤矿开采应力方面分析发现，其具体包含如下几个方面的特点：

①地壳运动与垂直方向同时作用之下导致原始应力存在于岩层结构诶，并且水平面上，一般可以把地应力分解成为最小水平应力与最大水平应力；②当埋设深度持续增加的情况下，垂直应力也会逐步的变大，实际测量的自重应力和垂直应力进行公示计算的过程中，最终得到的数据是比较准确的；③一般来说，垂直应力不会超过最大水平应力，这是基本规律；④埋设深度逐步增大的情况之下，水平应力也会随之增大；⑤一般来说，最小水平应力与最大水平应力之间的差异逐步的增大，导致水平受力方向也会产生较为严重的影响，极大的影响开采工作的进行；⑥地壳构造运行环节，一般都会形成一定大小的水平应力，可以利用相似的三轴试验内的围压的角色则通过垂直方向的自重应力的形式存在。在埋设深度逐步增大的情况之下，垂直应力之下的围压也会逐步的增大，这样就会导致在岩层结构内部沿着断层或者其他没有连续性的位移动作前，可以直接传递出水平用力也会逐步的增大

4煤矿开采中的地应力应用

某矿区当前已有的生产矿井有十对，从2012年的统计数据分析，开采产量已经超过6500万吨，并且采煤技术说很高，综合效益也已经在全国属于前列。本文主要以该矿区作为研究对象，分析了解地应力的特点，为今后的工程开展起到一定的促进作用。

该矿区范围内以北西西为轴向，倾伏方向为动，地层倾角经过测量是3-16度，大多数为7度，宽缓褶皱是煤田内部的主要结构形式，所有断层的联系并不是很紧密。煤矿开采环节，小断层造成的影响是很大的，由于每层分布着比较多数量的正断层，顶板、底板结构强度较高的粉砂岩、泥岩、铝质泥岩的每层结构内部，大量的小断层连续分布，所以各个位置的落差都比较小，这样就会导致顶板、底板极易发电破碎的问题。这种情况下，如果没有选择先进的煤巷锚杆支护技术，会导致煤矿开采安全性无法达到要求。因此，矿区在开采实施前，进行地应力的检测，然后组织进行必要的试验研究，这是非常重要的工作。

首先根据测量的需要确定具体的原岩应力测量点，然后钻孔施工作业。原岩应力测量可以给后续的煤矿井下巷道作业提供必要的空间。一般测量都会在运输大巷、实体煤巷内开展进行，应用应力做好钻孔深度测量，可以防止地质复杂区域内产生严重的不利影响。一般来说，对于地应力钻孔测量环节，要保持大约35-45度的倾角为宜。

其次，通过使用解除法开展原岩应力测量。该方式测量前，先做好导孔位置的选择确定，钻孔仰角一般设定为35-45度，与巷道宽度对比分析，导孔深度会达到巷道深度的3倍以上。然后是做好钻应力计开始孔的安装作业，同时做好清孔处理。应力计安装作业环节，首先是确定最佳安装位置，这是测量的关键。位置确定后，需要进行各项准备工作，将其直接固定到规定的位置上。安装施工结束后，在次日进行应力解除，粘固剂固化时间在17小时内。

5结语

综上所述，地应力主要是潜藏在没有受到干扰和影响的地层结构内，属于天然应力。地应力对于岩石属性的影响，并且了解围岩力学方面的性能参数，可以更好的做好各项岩土工程设计与施工，达到科学性的要求。煤矿开采中，必然要进行巷道掘进施工作业，工作面回采是必然的工作，与其他的采矿工作有着一定的相似之处，所以研究地应力有着非常重要的作用，也是保证煤矿开采安全性的关键。因此，煤矿开采环节，深入研究和分析地应力的特点和应用，有着非常高的实际价值，也是必须要开展的工作，可以全面提升煤矿开采安全性。

参考文献：

[1]李板桥.煤矿开采中的地应力特点与应用分析[J].环球市场,2019,000(008):382.

[2]黄琰.煤矿开采掘进中高强支护技术的应用[J].能源与节能,2020,000(003):P.180-181.

[3]李红星,郎学聪,王永刚.山西煤矿地应力分布特征及其应用研究[J].能源与环保,2019,041(012):P.93-97.

[4]黄琰.煤矿开采掘进中高强支护技术的应用[J].能源与节能,2020,000(003):P.180-181.

[5]王敬.煤矿开采中的地应力特点与运用分析[J].建材发展导向,2018(18):120-120.

作者简介：蒲强龙（1984-06-26），汉，籍贯：四川南充市高平区，当前职务：科员，当前职称：助理工程师，学历：大专，研究方向：采矿工程