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第四章矿山压力与控制第一节矿山压力与分布规律一、巷道地压1.矿山压力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，所以原岩体处于应力平衡状态。当开掘巷道或进行回采时，形成了地下空间，破坏了岩体的原始状态，引起岩体内应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布。重新分布后的应力超过煤、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、岩内部再次形成新的应力平衡为止。此时，巷道和回采工作面周围煤、岩体内形成一个与原岩应力场显然不同的新的应力场，有时称为二次应力场。其形成的过程就是煤、岩体内应力重新分布的过程。通常把这种由于在地下进行采掘活动造成围岩移动而在井巷、硐室及回采工作面周围煤、岩体内和支护物上所引起的压力，称为“矿山压力”，简称“矿压”或“地压”。2．矿山压力显现在矿山压力作用下，将引起一系列力学现象，如围岩变形或挤入巷道、岩体离散、移动或冒落；煤体压松、片帮或突然抛出；木材支架压裂或折断；金属支架变形或压弯；充填物产生沉缩以及岩层和地表发生移动和塌陷等等。在矿山压力作用下出现的冒顶、底鼓、煤岩片帮、支架破坏、煤和瓦斯突出等力学现象，称为矿山压力现象或矿山压力显现，简称“矿压显现”。3．矿山压力控制在大多数情况下，“矿压显现”会给地下开采工作造成不同程度的危害。为使“矿压显现”不致于影响正常的开采工作和保证安全生产，就必须采取各种技术措施加以控制。这种人为地调节，改变和利用矿山压力作用的各种措施，称为“矿山压力控制”，简称“矿压控制”。七、巷道围岩控制降低巷道围岩应力，提高围岩稳定性以及合理选择支护是巷道围岩控制的基本途径。回采引起的支承压力不仅数倍于原岩应力，而且影响范围大。巷道受到回采影响后，围岩应力、围岩变形会成倍、甚至近十倍急剧增长。因此，巷道围岩控制手段的实质是如何利用煤层开采引起采场周围岩体应力重新分布的规律，正确选择巷道布置和护巷方法，使巷道位于应力降低区内，从而减轻或避免回采引起的支承压力的强烈影响，控制围岩压力。（一）巷道围岩压力及影响因素1．围岩压力采掘活动引起巷道围岩应力集中和重新分布，使巷道周边岩体自稳能力显著降低，导致向巷道空间移动。为了防止围岩变形和破坏，需要对围岩进行支护。这种围岩变形受阻而作用在支护结构物上的挤压力或塌落岩石的重力，统称为围岩压力。根据围岩压力的成因，围岩压力可分为以下四种类型：(1）松动围岩压力由于巷道开挖而松动或塌落的岩体，以重力的形式直接作用于支架结构物上的压力，表现为松动围岩压力载荷形式。如支护不能有效地控制围岩变形的发展，围岩形成松动垮塌圈时，将导致松动围岩压力出现，通常顶压显现严重。(2）变形围岩压力支护能控制围岩变形的发展时，围岩位移挤压支架而产生的压力，称为变形围岩压力，简称变形压力。在“围岩一支护”力学体系中，只要围岩与支架相互作用，围岩就会对支架施加变形压力。弹性变形压力是围岩弹性变形时作用于支架上的压力，弹性变形产生速度极快，变形量很小，对于围岩、支护相互作用过程而言，实际意义不大。塑性变形压力是由于围岩的塑性变形和破裂，围岩向巷道空间位移，使支护结构受到的压力，是变形围岩压力的主要形式。塑性变形的大小主要取决于巷道塑性区和破裂区的范围。塑性区的扩展具有明显的时间效应，塑性区不再扩展时，围岩变形速度下降，而逐渐稳定并趋于流变。(3）膨胀围岩压力围岩膨胀、崩解体积增大而施加于支护上的压力，称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀而引起的。从现象上看，属于变形压力范畴，但两者的变形机制截然不同，前者是指与水发生物理化学反应，后者主要是围岩应力与结构效应。(4）冲击和撞击围岩压力冲击围岩压力指围岩积累了大量弹性变形能之后，突然释放出来所产生的压力；撞击围岩压力是回采工作面上覆岩层剧烈运动时对巷道支护体所产生的压力。2．影响围岩压力的主要因素影响围岩压力的因素基本上可分为开采技术因素和地质因素两大类。开采技术因素中，影响最大的是回采工作状况，即巷道与回采工作面相对空间、时间关系。例如，巷道是处于－侧、两侧或邻近煤层采动影响条件下，是受一次还是受多次采动影响，采动影响已经稳定还是正在采动过程中。其次是巷道保护方法，例如，巷道支护方式、巷道断面形状和大小、巷道、掘进方法、巷道基本支护类型和参数等。地质因素主要有：原岩应力状态、围岩力学性质、岩体结构、岩石的组成和胶结状态、围岩中水分的补给状况等。(二)巷道围岩控制原理和方法1．巷道围岩控制原理巷道围岩控制是指控制巷道围岩的矿山压力和周边位移所采取措施的总和。其基本原理是：人们根据巷道围岩应力、围岩强度以及它们之间的相互关系，选择合适的巷道布置和保护及支护方式。降低围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，有效地控制围岩的变形、破坏。需要强调指出，受到采动影响的巷道，巷道围岩岩体结构、赋存条件在很大程度上受到回采工作的制约。因此，巷道围岩控制的效果，极大程度上取决于对回采活动影响巷道围岩控制的认识，对巷道围岩岩体力学模型、变形及破坏机制判断的正确性，以及对巷道围岩赋存条件和岩体力学性质掌握的程度。围绕降低巷道围岩应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，巷道围岩控制方法可归结为巷道布置和巷道保护及支护两方面内容。2．巷道布置从巷道围岩控制的角度出发，布置巷道时应重视下列问题：(1）在时间和空间上尽量避开采掘活动的影响，最好将巷道布置在煤层开采后所形成的应力降低区域内。(2）如果不能避开采动支承压力的影响，应尽量避免支承压力叠加的强烈作用，或尽量缩短支承压力影响时间，例如跨越巷道开采，避免在遗留煤柱下方布置巷道等。(3）在采矿系统允许的距离范围内，选择稳定的岩层或煤层布置巷道，尽量避免水与松软膨胀岩层直接接触。(4）巷道通过地质构造带时，巷道轴向应尽量垂直断层构造带或向、背斜构造。(5）相邻巷道或铜室之间选择合理的岩柱宽度。(6）巷道的轴线方向尽可能与构造应力方向平行，避免与构造应力方向垂直。3．巷道保护及支护巷道的保护及支护措施：(1）通过在巷道围岩中钻孔卸压、切槽卸压、宽面掘巷卸压以及在巷旁留专门的卸压空间等方法，使巷道围岩受到某种形式的不同程度的卸载，将本该作用于巷道周围的集中载荷，转移到离巷道较远的新的支承区，达到降低围岩应力的目的。(2）采用围岩钻孔注浆、锚杆支护、锚索支护、巷道周边喷浆、支架壁后充填、围岩疏干封闭等方法，增高围岩强度，优化围岩受力条件和赋存环境。(3）架设支架对围岩施加径向力，既支撑松动塌落岩石，又能加大巷道的围压，保持围岩三向受力状态，提高围岩强度，限制塑性变形区和破裂区的发展。根据巷道不同时期的矿压显现规律，巷道支护可分为巷内基本支架支护、巷内加强支架支护、巷旁支护、联合支护四种形式。(三)巷道围岩稳定性分类及支护选择1.巷道围岩稳定性分类根据根据锚喷支护设计和施工需要，按照煤矿岩层特点制定围岩分级，可分为非常稳定岩层、稳定岩层、中等稳定岩层、不稳定岩层、极不稳定岩层。2.选择巷道支护形式依据预测的巷道围岩稳定性类别，推荐的煤层巷道锚杆基本支护形式与主要参数见表注1．巷帮锚杆基本支护形式与主要参数视地应力、巷帮煤（岩）强度、节理状况、护巷煤柱尺寸、巷道断面等因素，参照顶板锚杆确定；2．对于复合顶板、破碎围岩、易风化、潮解、遇水膨胀围岩，可考虑在基本支护形式基础上增加锚索加固或注浆加固、封闭围岩等措施；3.顶板较完整”指节理、层理分级的I、I、III,“顶板较破碎”指IV、V级。第二节冲击地压灾害防治煤矿开采过程中，在高应力状态下积聚有大量弹性能的煤或岩体，在一定的条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。这些现象统称为煤矿动压现象。它具有突然爆发的特点，其效果有的如同大量炸药爆破，有的能形成强烈暴风，危害程度比一般矿山压力显现程度更为严重，在地下开采中易造成严重的自然灾害。但是，这种动压现象并不是每个矿井都会发生，它也是可以防治的。煤矿动压现象的成因和机理各地不完全相同，它的显现形式也有差异。因此，正确地区分各种动压现象的实质，对深人矸究和制定相应的防治对策，都有重大的实际意义。目前，根据动压现象的一般成因和机理，可把它归纳为三种形式，即冲击矿压、顶板大面积来压和煤及瓦斯突出。前两者完全属于矿山压力的矸究范畴，而后者除矿山压力的作用外，还有承压瓦斯的动力作用。一、冲击地压及机理、预报、防治1.冲击矿压现象随着我国煤矿开采深度的增加，以及开采条件越来越复杂，我国的冲击矿压现象越来越多，危害也越来越大。冲击矿压是聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，产生的动力将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道垮落破坏等。冲击矿压还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。因此，冲击矿压是煤矿重大灾害之一。对于冲击矿压现象，世界各国，以及不同的行业，其称谓是不一样的，常见的有“岩爆”、“煤爆”、“冲击矿压”、“矿山冲击”、“冲击地压”等。本书采用“冲击矿压”这个术语。2.、冲击矿压的特点通常情况下，冲击矿压会直接将煤岩抛向巷道，引起岩体的强烈震动，产生强烈声响，造成岩体的破断和裂缝扩展。因此，冲击矿压具有如下明显的显现特征：(1）突发性。冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，冲击过程短暂，持续时间几秒到几十秒，难以事先准确确定发生的时间、地点和强度。(2）瞬时震动性。冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移动，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几千米甚至几十千米，地面有地震感觉，但一般震动持续时间不超过几十秒。(3）巨大破坏性。冲击矿压发生时，顶板可能有瞬间明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。(4）复杂性。在自然地质条件上，除褐煤以外的各种煤种都记录到冲击现象，采深从200m～1000m，地质构造从简单到复杂，煤层从薄层到特厚层，倾角从水平到急斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩等都发生过冲击地压。在生产技术条件上，不论水平、炮采、机采或是综采，全部垮落法或水力充填法等各种采煤工艺，不论是长壁、短壁、房柱式或煤柱支撑式，分层开采还是倒台阶开采等各种采煤方法都出现过冲击地压。3.冲击矿压分类冲击矿压按其显现强度、释放的能量等进行分类。根据冲击的显现强度，可分为四类：(1）弹射。一些单个碎块从处于高压应力状态下的煤或岩体上射落，并伴有强烈声响，属于微冲击现象。(2）矿震。它是煤、岩内部的冲击矿压，即深部的煤或岩体发生破坏。煤、岩并不向已采空间抛出，只有片帮或塌落现象，但煤或岩体产生明显震动，伴有巨大声响，有时产生煤尘。较弱的矿震称为微震，也称为“煤炮”。3）弱冲击。煤或岩石向已采空间抛出，但破坏性不很大，对支架、机器和设备基本无损坏，围岩产生震动，一般震级在2.2级以下，伴有很大声响，产生煤尘，在瓦斯煤层中可能有大量瓦斯涌出。(4）强冲击。部分煤或岩石急剧破碎，大量向已采空间抛出，出现支架折损、设备移动和围岩震动，震级在2.3级以上，伴有巨大声响，产生大量煤尘和冲击波。根据震级强度和考虑抛出的煤量，可将冲击矿压分为三级：①轻微冲击（I级）。抛出煤量在10t以下，震级在l级以下的冲击矿压。②中等冲击（II级）。抛出煤量在10～50t，震级在1～2级的冲击矿压。③强烈冲击（III级）。抛出煤量在50t以上，震级在2级以上的冲击矿压。一般面波震级MS=1时，矿区附近居民可能有震感；MS=2时，对井上下有不同程度的破坏；MS=2.5时，地面建筑物将出现破坏现象。根据国内外的分类方法，冲击矿压可分为由采矿活动引起的采矿型冲击矿压和由构