第六章 矿山地压及其控制

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

加固，则可收到预控的效果，使回采更接近于在稳固矿体中进行的状况。

3)利用免压拱解除采场地压。在高压力区进行回采时，可利用形成免压拱的方法使待采矿块处于卸压区内，借以解除原有的高应力状态，使应力释放，并使来自原岩体的载荷转移到该区域之外，从而改善待采矿块的回采条件。

(4)合理的回采顺序。在地质构造复杂地段应先回采高应力块段；自断层下盘后退式回采；回采空间的长轴方向尽可能与矿体最大主应力方向平行。

(5)充填。在回采期间利用充填处理空区来改善采场围岩及矿柱的受力状态（充填后由于有侧向约束形成三维应力状态），增强采场围岩的稳定性和矿柱的强度，以及利用充填处理采空区，借以阻挡围岩冒落。缓和地压显现，减少地表下沉。是一种常用的地压控制方法。

(6)崩落。利用崩落围岩的方法消除采空区，控制地压显现以及使承压带卸载，改善相邻采场的回采条件。

第四节 冲击地压及其控制

一、冲击地压概念

当在矿床深部（一般指1500m以上）或在构造应力很高的地区进行开采时，有时会在采掘空间周围的岩体中发生突然的爆发式破坏现象，其剧烈程度好像岩体被炸药爆炸一样。如在掘进巷道或采场围岩发生强烈的劈裂声；矿岩的弹射和振动，并引发大量矿岩碎块抛出；底板鼓起，并伴有巨大响声；气浪冲击造成井下严重破坏及地面剧烈振动（地震）。这种地压现象称为冲击地压（也称岩爆）。

冲击地压有强有弱，其破坏性有大有小。按振动能大小的不同，冲击地压的强度可分为五个等级。

(1)微冲击。仅有岩体或矿体表层的局部破坏和岩块弹出，岩体深部有微振动。

(2)弱冲击。巷道围岩有局部破坏和少量岩块抛出，伴有明显的声响和地震振动，但对支架、设备无严重损害。

(3)中等冲击。巷道围岩出现迅速的脆性破坏，并有大量岩石碎块、粉尘抛出，形成气浪冲击，可使几米长的一段巷道冒落，支架及设备损坏。

(4)强烈冲击。使长达几十米的地段上支架破坏和巷道冒落，机器及设备受到损坏。发生强烈冲击地压后，井下需要大量的修复工作。

(5)灾害性冲击。在整个开采区域或中段内有许多矿柱发生连锁反应式破坏，矿区或中段内巷道坍塌，甚至可使全矿井报废。

二、冲击地压的控制

(1)合理布置采掘工程与选择合理的回采顺序。为避免造成过高的应力集中，应尽可能避免巷道之间及巷道与构造断裂之间呈锐角交叉，使相邻采掘工程的间距达到可避免应力增高带相互重叠的程度。回采工作面应是直线布置，少出现急转角变化；采掘空间的长轴，应尽可能与岩体中最大主应力方向呈平行布置；回采时应从构造应力高的地段或构造断裂面、矿脉交叉处后退回采，以避免过高的应力集中；回采跨度的扩大，即卸压拱跨度的扩大应逐渐扩展，避免突然成倍增长（如两个采场突然合并），以防造成脉冲载荷诱发冲击地压。

(2)使有冲击地压危险的矿层卸压。在矿层上部或下部先行采动，可对有冲击地压危险的萄罹起卸压保护作用。

(3)使矿岩中积累的弹性变形能有控制地释放。采取松动爆破、振动性爆破，采用较小矿柱，使其小到逐渐压碎但又不至于引起强烈冲击。

(4)向岩层中注水使其软化。注水可使岩体强度、弹性模量降低，而增加塑性变形成分，从而可以预防冲击地压。

(5)选择合理的采矿方法。从减小冲击地压危险来看，宜选用崩落法，崩落围岩可起卸

载作用。

(6)减小冲击地压危害的其他措施。先用宽工作面掘进巷道，后用废石回填，在巷道周围形成一条防冲击的隔离带，使其在一旦发生冲击地压时起保护人员和设备的作用。在回采工作面架设防冲击挡板、隔栅等；采用带快速排液阀的可缩性液压支柱支撑回采工作面。

第七章 巷道支护方式

第一节 木支架

巷道中常用的木支架是梯形棚子，其结构如图7-1示。木支架是由一根顶梁、两个棚腿及背板和木楔等组成。

顶梁是木支架支承顶板压力的受弯构件。棚腿既是顶梁的支点，同时又支承侧压。棚腿与底板的夹角一般为80°，并应插到坚实的底板岩石上。安设时应用四个楔子把梁腿接口处与顶帮围岩之间楔紧，以便承受此处较大的挤压力和保持支架的稳定性。

背板通常可用板皮、次木材或柴束等。背板的作用是使地压均匀地分布到顶梁和棚腿上，并防止碎石下落。根捩學岩的坚固程度，选用密集布置或间隔布置方式。背板与围岩之间的空隙，应用废木料或块石填实。

每架棚子架好后，其平面应和巷道的纵向垂直。为了增加各架棚子的稳定性，棚子间可以打上小圆木或方木制作的撑柱或钉上拉条。

顶梁和棚腿应选用同样直径的坑木，以便加工架设。根据巷道顶梁处的净宽度，支架坑木直径和每米巷道架棚数可按按表7-1选取。 表7—1 平巷木支架顶梁直径选择 巷道净 跨/m 1.5~1.8 1.8~2.0 2.0~2.2 2.2~2.4 2.4~2.6 2.6~2.8 2.8~3.0 木支架一般可使用在地压不大、巷道服务年限不长、断面较小的采准巷道里，有时也用作巷道掘进中的临时支架。

木支架重量较轻，具有一定的强度，加工容易，架设方便，特别适用于多变的地下条件；构造上可以做成有一定刚性的，也可以做成有较大可缩性的；当地压突然增大时木支架还能发出声响讯号。所以，木支架在采矿工业中用得最早，过去也用得最广泛。其缺点是：．强度有限，不能防火，容易腐朽，服务年限短，不能阻止和防止围岩风化，特别是耗量巨大。因此，节约坑木并寻求坑木代用品，势在必行。

顶梁直 径/m 160 160 180 180 180 200 200 每米巷道支架数 ?=8~10 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 ?=4~6 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 ?=3 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 2.0 巷道净 跨/m 3.0~3.2 3.2~3.4 3.4~3.6 3.6~3.8 3.8~4.1 4.1~4.5 ＞4.5 顶梁直 径/m 200 220 220 220 220 220 220 每米巷道支架数 ?=8~10 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 ?=4~6 2.5 3.0 3.0 3.0 3.5 4.0 ?=3 3.0 3.5 4.0 4.0 4.0 第二节 金属支架

金属支架是一种优良的坑木代用品。金属支架的主要形式如下。 一、梯形金属支架

梯形金属支架用18～24 kg/m钢轨、16~20号工字钢或矿用工字钢制作，由两腿一梁构成，其常用的梁、腿连接方式如图7-2所示。型钢棚腿下焊一块钢板，是防止它陷入巷道底

板。有时还可以在棚腿之下加设垫木。

钢轨不是结构钢，就材料本身受力而言，用它制作支架不够合理，但轻型钢轨容易获得，所以仍在使用。理想夕甲采用工字钢来制作这种支架。

这种支架通常用在回采巷道中，在断面较大、地压较严重的其他巷道里也可使用。 二、拱形可缩性金属支架

拱形可缩性金属支架用矿用特殊型钢制作，它的结构如图7-3所示。

每架棚子由三个基本构件组成——一根曲率R1的弧形顶梁和两根上端部带曲率为R2

的柱腿。弧形顶梁的两端插入或搭接在柱腿的弯曲部分上，组成一个三心拱。梁腿搭接长度约为300～400mm，该处用两个卡箍固定。柱腿下部焊有150mm×150 mm×10mm的铁作为底座。

支架可缩性可以用卡箍的松紧程度来调节和阳控制，通常要求卡箍上的螺帽扭紧力矩大约为150 N·m，以保证三支架粕初撑力。拱梁和柱腿的圆弧段的曲率半径R1和R2值的关系是R1/R2 =1.0～1. 5(常用的比值是1. 25～1. 30)。在地压作用下，拱梁曲率半径R1，逐渐增大，R2逐渐变小。当巷道地压达到某一限定值后，弧形顶梁即沿着柱腿弯曲部分产生微小的相对滑移，，支架下缩，从而缓和了顶岩对支架的压力。这种支架在工作中可不止一次地退缩，可缩性比其他形式支架都大，一般可达30～35 cm。在设计巷道断面选择支架规格时，应考虑留出适当的变形星，以保证巷道的后期使用要求。

拱形可缩性金属支架适用于地压大、地压不稳定和围岩变形量大的巷道，支护断面一般不大于12m2。支球姗距一般为0.7~1.1m，棚子之间应用金属拉杆通过螺栓、夹板等互相紧紧拉住，或打人撑柱撑紧，以加强支架沿巷道轴线方向的稳定性。

第三节喷锚支护

一、锚杆支护

锚杆是一种安设在巷道围岩体内的杆状锚栓体系。采用锚杆支护的巷道，就是在巷道掘进后向围岩中钻锚杆孑乙，然后将锚杆安设在锚杆孔内，对巷道围岩进行加固，以维护巷道的稳定性。

（一）锚杆支护作用原理 1．悬吊作用

悬吊作用是指把将要冒落的危岩或软弱岩层，用锚杆悬吊于上部的坚硬岩体上，由锚杆来承担危岩或软弱岩层的重量（见图7-4）。锚杆的这种作用就像是“钉钉子”，把容易冒落的顶板和危岩块“钉牢”在稳固的岩石上。

2．组合梁作用

可将平顶巷道的层状顶板看做是由巷道两帮为支点的叠合梁，在荷载作用下，各层板梁都将单独弯曲，每层板梁的上下缘分别处于受压和受拉状态。但用锚杆将各组合板梁压紧之后，在荷载作用下，就如同一块板梁的弯曲一样（见图7-5），从图中可以看出，组合前后，在相同的荷载作用下，组合后的梁比未组合的板梁的挠度和内应力都大为减少，提高了梁的抗弯强度。在层状顶板中安装锚杆后，将锚杆长度以内的层状岩体锚成岩石组合梁，可提高顶板岩层的承载能力。

3.挤压加固拱作用

在巷道周围系统地布置锚杆，使巷道拱部节理发育的岩体连接在一起，便在一定范围内形成一个连续的、具有一定自承能力的拱形压缩带（即挤压加固拱），使巷道围岩由原来作用在支架上的荷载变成了承载结构，支承其自身的重量和顶板压力。加固拱的厚度主要取决于锚杆布置的间距及长度，如图7-6所示。

4．减跨作用

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