煤矿井下应力场类型及相互作用分析.pdf

第 3 3卷第 1 2期 2 0 0 8年 l 2月 煤 炭 学 报 J OURNAL 0F C HI N A C0 AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 3 N o ． 1 2 De c ．2 00 8 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 8 1 21 3 2 9 0 7 煤矿 井下应 力场类型及 相互作用分析 康红普 煤炭科 学研究 总院 开采设计研究分 院 ，北京1 0 0 0 1 3 摘 要 基于原岩应力场与采动应力场 ，提 出支护应力场的概念 ，即支护在围岩 中产生的应力场 与在支护体 内部产生的应 力场，并指 出3种应力场构成 了煤矿井下综合应力场．在井下实测数据 的基础上 ，研究 了煤矿 井下原岩应 力，特别是构造应力的分布特征 ；采用数值模拟方法 ，分析 了 掘进工作面、巷道及采煤工作面周 围应力分布特征与规律 ，采动集中应力的大小；计算 了预应力 锚杆支护、单体液压支柱及金属支架在围岩中产生的应力场．分析计算了锚杆杆体、托板及钢带 等支护构件 中的应力大小与分布特征 ，并对比分析 了原岩应力、采动应力及支护应力的量值．论 述 了原岩应力场对采动应力场的影响 ，以及采动应力场与支护应力场的相互作 用与关系． 关键词 原岩应力场；采动应力场 ；支护应力场；综合应力场 ；相互作用 中图分类号 T D 3 1 l 文献标识码 A Ana l y s i s o n t y pe s a nd i nt e r a c t i o n o f s t r e s s fie l d s i n u nd e r g r o un d c o a l m i ne s KANG Ho n g - pu C o a l Mi n i n g a n d D e s ig n i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n c e p t o f s u p p o r t i n g s t r e s s fi e l d s wa s p u t f o r w a r d o n t h e b a s i s o f i n s i t u a n d mi n i n g s t r e s s fi e l d s ， whi c h a r e t he s t r e s s fi e l d s i n s u r r o u n d i n g r o c k c a u s e d b y s u p p o r t s a n d t h e s t r e s s fie l d s i n t h e s u pp o rts ． T he t h r e e t y pe s o f s t r e s s fie l d s c o n s i s t o f c o mp r e h e n s i v e s t r e s s fie l d i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s ． Ba s e d o n t h e u n de r g r o u n d me a s u r e me n t d a t a，t h e d i s t rib u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f i n- s i t u s t r e s s e s ，e s p e c i a l l y t e c t o n i c s t r e s s e s we r e a n a l y z e d；t h e s t r e s s d i s t rib u t i o n f e a t u r e s a n d l a ws，t h e ma g ni t u de o f s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a r o u n d h e a d i n g f a c e a n d wo r k i n g f a c e w e r e a n a l y z e d b y me a n s o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n；t h e s t r e s s fi e l d s i n s u r r o u n d i n g r o c k c a u s e d b y p r e t e n s i o n e d b o l t i n g，i n d i v i d u a l h y d r a u l i c p r o p s a n d s t e e l a r c h e s w e r e c o mp u t e d ．Th e s t r e s s ma g n i t u d e a n d d i s t ri b u t i o n f e a t u r e s i n b o l t b a r ，p l a t e a nd s t e e l s t r a p we r e c o mp u t e d i n c o n t r a s t t o t h e ma g ni t u d e s o f i n s i t u s t r e s s e s ，mi n i n g s t r e s s e s a n d s u pp o rti ng s t r e s s e s ．Th e a f f e c t s o f i n s i t u s t r e s s e s t o mi n i ng s t r e s s e s，a n d t h e i n t e r a c t i o n a n d r e l a t i o n b e t we e n mi n - i n g a n d s u pp o rti n g s t r e s s fie l d s we r e di s c u s s e d． Ke y wo r ds i n- s i t u s t r e s s fie l d；mi ni n g s t r e s s fie l d；s u pp o rti n g s t r e s s fie l d；c o mp r e h e n s i v e s t r e s s fie l d；i n t e r a c t i o n 地应力是煤矿开采等地下工程围岩变形与破坏的根本驱动力．随着煤矿开采深度的不断增加 ，地应力 越来越大，井下应力环境发生了很大变化，导致巷道大变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出及突水等灾害越来 越严重．只有充分了解应力场分布特征、煤岩体性质与结构特征，才能进 性、围岩变形与破坏分析，进而提出合理的支护设计与灾害控制措施 行合理的、切合实际的围岩稳定 可见 ，应力场研究是岩石力学 收稿 日期 2 0 0 8 0 9 2 5 责任编辑 常琛 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 3 ；国家科技支撑计划项目 2 0 0 6 B A K O 3 B 0 6 作者简介康红普 1 9 6 5 一 ，男，山西五台人 ， 研究员 ， 博士生导师．T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 1 2 5 ， E m a i l k a n g h p 1 6 3 ． c o n 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 与采矿工程中最基本 、最重要的工作之一．煤矿井下应力场一般指原岩应力场与采动应力场 ，本文又单独 提出了支护应力场 支护在 围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场．原岩应力是指在漫长的地 质历史时期中逐渐形成的，在未经人为扰动的天然状态下，地壳岩体中具有的内应力．原岩应力场在空间 的分布极不均匀，而且随着时间的推移不断变化，属于非稳定的应力场，但对于采矿工程的设计期来说， 可忽略时问因素，将它视为相对稳定的应力场．采动应力场是指由于井下开挖巷道、硐室及开采煤层等采 掘活动引起的煤岩体 中应力重新分布 ，出现 的次生应力场．采动应力场在空间分布上有一定的范围，而且 随着采矿活动的进行与时间的推移不断变化．支护应力场出现在与支护体接触的围岩周围及支护体内部， 它在空间分布上范围较小 ，而且随着采掘活动的进行与时间的推移发生变化．上述 3种应力场构成了煤矿 井下综合应力场．时间上 ，先有原岩应力场 ，然后才有采动应力场与支护应力场 ，而且是 随时间变化的； 空间上 ，原岩应力场普遍存在于地壳 中，采动应力场分布在采掘活动影响的一定范围内，而支护应力场则 分布在更小的范围． 1 煤矿井下应力场的特征 1 ． 1 原 岩应 力场 原岩应力产生的原因非常复杂，主要与地球的各种运动有关，如板块挤压、地幔热对流、地心引力、 地球旋转、岩浆侵入及地壳非均匀扩容等 J ．此外 ，温度不均、水压梯度 、地表剥蚀或其它物理化学变 化等均可引起相应 的应力场．其中，重力应力场与构造应力场是现今地应力场的主要组成部分． 1 ． 1 ． 1 自重应力场 自重应力是由上覆岩层 自重产生的应力．其中，垂直 自重应力 y h ，水平 自重应力 0 r h A o “ ， 其中， 为岩层的容重，k N ／ m ； h为上覆岩层的厚度，m；A为侧压系数，A u ／ 1 一 ， 为岩层泊松 比．自 重应力场有以下特点① 垂直 自 重应力总是大于水平自重应力；② 2个方向的水平应力相等；③ 坚硬岩层的泊松比较小，水平自 重应力较小；相反软弱岩层的泊松比较大，水平 自重应力较大；④ 自 重 应力随上覆岩层厚度的增加基本呈线性增大． 1 ． 1 ． 2 构造应力场 构造应力由构造运动引起， 分为活动和残余构造应力．活动构造应力是近期和现代地壳运动正在积累 的应力，是地应力中最活跃、最重要的部分；残余构造应力是由古构造运动残留在岩层中的应力．为了解 煤矿井下地应力场 ，特别是构造应力场的分布特征与规律 ，煤炭科学研究总院开采设计研究分院专门开发 了适应于煤矿井下巷道中使用的小孔径水压致裂地应力测量装置_ 3 - 4 J ，并在多个矿区进行了井下测量，获 得了大量地应力实测数据 j ．表 1 是晋城矿区部分地应力测试结果．1 8个测点的最大水平主应力均大 于垂直主应力 ，而且有 7个测点的最小水平主应力也大于垂直主应力． ／ o - 最小为 1 ． 1 5 ，最大为 2 ． 3 3 ． 可见 ，晋城矿区所测区域地应力 以水平应力为主，构造应力 占绝对优势． 分析煤矿井下沉积岩中地应力分布特征 ，结合其它行业及岩浆岩 、变质岩等不同岩石 中的地应力测量 结果 ] ，发现构造应力分布有以下特点① 构造应力与地壳运动有关，地壳运动一般以水平、挤压运 动为主，因此构造应力主要是水平或近水平方 向的压应力 ；② 一般在地层浅部，多数情况下最大水平主 应力大于垂直主应力 ，即 f ， ；有些甚至最小水平主应力也大于垂直主应力 ，即 ；构 造应力有时比自重应力大很多倍．在深部地层，地应力分布与浅部地层有相反的趋势；③ 构造应力的分 布具有明显的区域性，其空问分布具有明显的方向性，主要取决于所处地区的地质历史和构造运动方式及 方向．2 个水平主应力不相等，有时相差很大；④ 构造应力明显存在于现今构造运动强烈地带，在大褶 曲、断层带常积累有很大的地应力．但如果岩层内节理、裂隙等结构面非常发育或岩层塑性大时，新的构 造应力则难于积累，地应力值就会大大降低；⑤ 构造应力与岩性有很大关系．与水平自重应力相反，在 弹性模量大、坚硬岩层中构造应力大，而在弹性模量小、软弱岩层中构造应力较小；⑥ 构造应力随上覆 岩层厚度的增加变化 比较复杂 ，离散性 比较大． 第 1 2期 康红普煤矿井下应力场类型及相互作用分析 1 3 3 1 寺河矿 1号车场二顺槽 寺河矿 2号车场入 口 寺河矿东轨大巷 成庄矿 2 1 0 2巷 成庄矿 3 1 0 6回风巷 成庄矿 3 2 0 8巷 成庄矿 3 2 1 3巷 古书院矿西一胶带巷 古书院矿 9 2 1 0 5巷 古书院矿 9 3 1 0 3巷 凤凰 山矿北 配风巷 凤凰 山矿 2 l 1 2巷 凤凰 山矿 9 2回风巷 凤凰 山矿 9 2 3 0 4进风巷 凤凰 山矿 9 2胶带巷 长平矿辅助运输大巷 与上仓 斜巷 绕道 长平矿检修斜巷与辅 助运输 石门交 界 长平矿辅助运输大巷 与胶带 大巷联 络道 7． 0 5 9． 6 0 9． 4 0 1 1 ． 2 O 9 ．1 5 6 ． 0 O 6 ． 9 8 4 ． 5 2 5 ． 3 2 5 ． 3 8 6 ． 6 3 6 ． 2 5 5 ． 8 0 5 ． 9 3 6 ． 5 3 7． 2 5 6 ． 7 5 7． 0 o 1 6 ． 4 4 1 8 ． 2 6 l 8 ． 9 2 1 2 ． 91 1 3 ． 1 5 1 0 ． 6 O 1 3 ． 8 4 8 ． 8 3 9 ． 6 2 l 0 ． 1 7 1 3 ． 1 7 11 ． 0 6 1 1 ． 4 9 1 2 ． 2 9 1 O． 8 1 1 0 ． 0 9 8 ． 4 7 9 ． 9 5 8 ． 7 6 8 ． 6 7 9 ． 6 7 6 ． 4 8 6 ． 4 1 5 ． 5 2 6 ． 3 5 4 ． 9 6 6 ． 2 8 6 ． 4 1 6 ． 9 9 5 ． 8 5 6 ． 5 0 7． 4 4 5 ． 9 3 6 ． 1 7 4． 6 8 5 ． 4 8 1 ． 2采 动应 力场 煤岩体在未受采掘扰动前处于原岩应力状态．在煤岩体中开掘巷道、硐室等地下工程，围岩应力将重 新分布，围岩内出现应力集中．如果应力超过煤岩体强度，围岩就会产生塑性变形，在周边附近的围岩中 出现塑性区与破坏区，引起应力向围岩内部转移．同样 ，在煤层开采过程中，会引起采场周围岩层移动与 应力重新分布． 1 ． 2 ． 1 巷道与掘进工作面围岩应力场 关于巷道围岩应力分布 ，人们采用弹塑性力学理论 、流变力学理论、损伤力学理论等分析了圆形 、椭 圆形巷道围岩应力分布状况，得出一些有理论指导意义的结果．如根据弹性理论得出巷道周围会形成切 向应力集 中，最大切 向应力出现在巷道周边 ；对于圆形巷道 ，应力集 中系数可达 2～3 ，对于椭 圆形巷道 ， 应力集 中系数可达 4 5 ；在不等压的条件下 ，围岩 中还会 出现拉应力．弹塑性理论则认为 当应力超过 煤岩体强度时围岩中会出现一定范围的塑性区，导致最大集中应力向围岩内部转移．对于其它断面形状、 复杂边界条件 、不同煤岩层分布等条件 ，可采用数值计算方法分析巷道围岩应力分布状况． 采用有限差分数值计算软件 F L A C 如，对晋城寺河矿首采区工作面巷道围岩应力分布进行了分析．巷 道开挖过程中水平切面上垂直应力分布及垂直切面上水平应力分布如图 1 所示，可以看出① 巷道开挖 以后，垂直应力在掘进工作面周围重新分布，在工作面前后方出现应力降低区与升高区．在工作面前方， 先出现应力降低区，之后出现应力升高区，但两区域的范围较小；在工作面后方，随着远离工作面，应力 降低 区与应力升高区范围不断扩大 ，到一定距离后保持稳定．② 水平应力在掘进工作面前后方出现应力 降低区与升高区．在工作面前方，先出现应力降低区，之后出现应力升高区，但两区域的范围较小，而且 集中应力也不大．在工作面后方，顶、底板围岩中也出现了应力降低区与升高区，而且随着远离工作面不 断扩大，到一定距离后保持稳定．工作面后方顶、底板围岩的集中应力无论大小还是作用范围都明显大于 工作面前方． 1 ． 2 ． 2 采煤工作面周围应力场 采用 F L A C 。 模拟了晋城寺河矿一次采全高工作面周围应力分布情况．工作面开采煤层厚度6 ． 3 4 m， 觎娜 娜 № №№№№№№ № 2 4 6 8 6 O 9 1 3 5 5 0 2 7 1 0 0 D 懈 Ⅲ 瑚 拼 啪瑚 ● 2 3 4 5 6 7 8 9 m “ 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 水 垂 山 羔l O ＼ _ R 5 毯 涮 0 4 0 g ＼ 2 0 单位 MP a 图1 掘进工作面附近垂直应力与水平应力分布 F i g ． 1 T h e v e r t i c a l a n d h o riz o n t a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n a r o u n d h e a d i n g f a c e 工作面长度为2 2 5 IT I ，采高为 5 ． 5 ～ 6 ． 0 IT I ．图2为 垂直应力三维分布．从图中可以看 出工作面开采 重 后，应力重新分布，在其周围形成了应力降低区和 应力升高区．对于垂直应力 ，在工作 面前方先出现 很小的应力降低区，之后出现应力升高区，到一定 位置集中应 力达到最 大值 2 5 M P a ，为原始垂 直应 力的 3 ． 5倍．随后应力值逐渐减小 ，直到原岩应力 状态．在工作面左前方 的煤柱上出现了较高的集 中 应力．在工作面后方左侧的煤柱上，由于上一个工 ， 作面已经回采，应力叠加造成极高的集中应力，最 图2 采场围岩垂直应力分布 T h e v e r t i c a l s t r e s s d i s t rib u t i o n a r o u n d wo r k i n g f a c e 大值超过 3 6 M P a ，为原始垂直应力的5 ． 1 倍．在右侧的煤体上也出现了应力集中现象，但应力值明显小 于煤柱左侧． 1 ． 3 支护应力场 1 ． 3 ． 1 支护在围岩中产生的应力场 各种支护形式与围岩相互作用 ，均可在 围岩 中形成 由支护引起的应力场．如锚杆支护、金属支架 、喷 射混凝土、砌碹等巷道支护，以及液压支架、单体支柱等工作面支护，都可在煤岩体中产生有各 自 特点的 支护应力场．为了区分主动支护与被动支护，又可将支护应力场分为主动与被动支护应力场．锚杆 索 预应力在围岩中产生的预应力场 ，液压支架与单体支柱的初撑力产生的应力场属于主动支护应力场； 而金属支架、砌碹支护及无预应力锚杆等支护形式形成的是被动支护应力场． 图 3 a 为预应力锚杆支护 锚杆预紧力为 1 0 0 k N在巷道顶板中产生的主动支护应力场 J ．锚杆 尾部附近出现了较大的应力集中现象，最大压应力达 0 ． 3 6 M P a 其实在托板与顶板接触的部位，压应力 可达 1 0 M P a 左右 ．随着深入顶板远离锚杆尾部 ，压应力逐渐减小．至锚杆长度的 1 ／ 5处 ，压应力减小到 1 2 0 k P a ．在锚杆长度一半左右的范围内形成了应力值大于 4 0 k P a的压应力区．在锚杆端部 出现了拉应力 区，应力值很小．锚杆附近应力集中明显，随着远离锚杆位置，压应力逐渐减小．但是，即使到两根锚杆 中部，应力值仍达到4 0 k P a ．单体支柱初撑力 1 5 0 k N 在巷道顶板产生的主动支护应力场 垂直应力 如图3 b 所示．在单体支柱与顶板接触的部位出现了比较高的集中应力，达到 6 5 0 k P a ．随着远离支 柱，压应力逐步减小 ，特别是在水平方向，应力降低速度很快．在两根支柱之间及之外的大部分区域 ，压 应力很小甚至为零，单体支柱在这些区域几乎没有支护作用．u型钢金属支架 U 2 5 在巷道围岩中产生 的被动支护应力场 最大主应力分布如图3 c 所示．在支架外侧施加均布的垂直巷道周边的力，模 拟围岩变形后作用在支架上的反力在围岩中产生的应力分布．在巷道顶部与底部产生了拉应力区，但拉应 力不大 2 0 k P a ；在巷道两帮出现了压应力集中区，最大应力达到 3 0 0 k P a ，随着远离巷帮，应力迅速降 低，到巷道宽度一半的距离，压应力降低到2 0 k P a ．在巷道拱顶与帮部连接的肩角部位，是压应力区与拉 应力区的过渡带， 应力值很低． 如∞∞∞ 如 ∞∞∞ ∞∞∞ 9 9 8 8 7 7 6 5 4 3 2 1 O一 第 1 2期 康红普煤矿井下应力场类型及相互作用分析 O 4 0 8 0 山 1 5 0 2 5 0 R 3 5 o 摇 4 5 0悯 5 5 0 6 5 0 2 0 - 2 0 6 0 一 1 0 O 一 1 4 0 0 一 2 2 0 - 2 6 0 - 3 0 0 图 3 锚杆支护 、单体支 柱和 U型钢金属 支架应力场分布 F i g ． 3 S t r e s s d i s t r i b u t i o n c a u s e d b y p r e t e n s i o n e d r o c k b o l t i n g，i n d i v i d u a l h y d r a u l i c p r o p s a n d s t e e l a r c h e s 1 ． 3 ． 2 支护体 内的应力场 各种支护形式对围岩产生支护作用的同时 ，在支护体 内部也会产生应力场．不 同结构的支护形式其内 部应力场分布各有特点． 锚杆支护构件包括杆体、锚固剂、托板、钢带及金属网等，它们共同作用支护围岩，并在各自内部产 生应力场．锚杆杆体在巷道围岩中会受到拉伸、弯曲、剪切与扭曲等作用，受力状态比较复杂．对于简单 的拉伸状态 ，B HR B 5 0 0的高强度锚杆杆体 ，在弹性范 围内可产生高达 5 0 0 M P a的拉应力． 图 4为锚杆预紧力为 1 0 0 k N时，1 0 0 m i n1 0 0 m m平托板 的压应力分布 ．可见 ，托板 中心压应力 最大 超过 1 0 MP a ，随着远离托板 中心 ，压应力迅速减小．到一定距离 ，托板应力变得很小．图5为 w 型钢带受弯时的应力分布 ．钢带跨 中部分 向下弯 曲，受拉部分为钢带两压槽 ，受拉面积较小 ，受力较 大；上表面受压，面积较大，受力较小且比较平均．在托板作用处，钢带上表面和孔口部位应力集中明 显．钢带两压槽受压力 ，上表面受拉力 ，最大应力 出现在托板边缘钢带 的压槽处． _ R 图4 托板压应力分布 F 远 4 C o m p r e s s i v e s t r e s s d i s t ri b u t i o n i n p l a t e F i g ． 5 随 力 }MP a 图5 w型钢带受弯时的应力分布 S t r e s s d i s t ri b u t i o n i n W s h a p e d s t e e l s t r a p i n b e n d i n g s t a t e 金属支架 内的应力可根据支架在井下的受力状况建立计算模型 ，采用材料力学、结构力学 ，以及有限 元等数值计算方法 ，分析支架各构件中的弯矩及应力分布．对于液压支柱等支护构件，可以根据支柱承受 的轴 向载荷、附加弯矩及油压等 ，分析活柱 、油缸等部件 中的应力分布． 2 各种应力场相互作用 2 ． 1 应力场量值的比较 以晋城寺河煤矿首采工作面为例进行分析．原岩应力为 7 ． O 5～1 6 ． 4 4 M P a ；不受动压影 响巷道围岩的 集中应力为 9 ． 5～ 2 6 ． 0 M P a ，回采工作面周 围的集 中应力为 2 5～ 3 6 MP a ，考虑到在巷道顶板或煤帮 中部会 出现拉应力 ，拉应力不超过顶板泥岩的抗拉强度 约 2 MP a ，因此 ，采动应力场中应力变化范围为 一 2～ 3 6 M P a “ 一”表示拉应力 ；锚杆支护在围岩中产生的支护应力场应力值为 - 0 ． 1 1 2 ． 0 M P a ，拉应力主 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 要出现在锚杆头部， 最大压应力出现与托板接触处；锚杆支护构件中的应力分布更是各有特点杆体中的 拉应力可达到 4 0 0～ 6 0 0 MP a B H R B 4 0 0杆体从屈服到破断 ；托板 中的压应力可达到 1 0 MP a ，甚至更大 ； 钢带中的拉应力可能使钢带屈服 2 3 5 M P a ， 甚至拉断 3 8 0 M P a ． 可见在锚固区内，围岩与支护构件中的应力场呈现多种多样的形式，而且应力值相差悬殊．支护在围 岩中形成的应力场主要对围岩的拉应力和剪应力产生明显作用， 抑制拉伸、剪切破坏的出现． 2 ． 2 原岩应力场对采动应力场的影响 原岩应力对采动应力场的作用主要表现在以下几方面．① 原岩应力大小在很大程度上决定了采动应 力的大小．如前所述 ，巷道围岩中的集中应力可达到原岩应力的 2～5倍 ，采场周围的集 中应力甚至高达 5 倍以上的原岩应力．在一定范围内，原岩应力越大，采动应力越高．② 围岩的塑性区及破坏范围与原 岩应力有很大关系．根据弹塑性理论 ，圆形巷道 的塑性区半径随着原岩应力 的增大呈指数函数关系迅速增 长，应力重新分布的范围与集中应力也明显增大．③ 围岩应力分布与主应力的空间分布、方向及主应力 差值有关．巷道轴线方向与水平主应力方向呈一定角度，会导致围岩应力分布不对称，集中应力与破坏区 偏向巷道一侧；主应力差大，会导致围岩中出现拉应力区和较大的剪切应力，产生拉破坏与剪切破坏． 采动应力场不仅与原岩应力场有关，而且还受很多因素的影响，如巷道与采煤工作面在空间与时间上 的关系，包括煤柱尺寸，一侧采动还是两侧采动，是正在回采还是已经采过等．同时，采动应力场还受围 岩性质与强度 、围岩结构等多种因素的影响，这些 因素与原岩应力相互影响 ，共同对采动应力场起作用． 2 ． 3 采动应力场与支护应力场的关系 采动应力场对支护应力场影响很大．采动影响越强烈、集中应力越高，对支护系统的要求也越高．在 围岩条件相同的情况下，动压巷道支护体受力要明显大于静压巷道．强烈动压影响巷道往往需要高强度、 高刚度且具有足够延伸率的支护系统．如果支护形式与参数设计不合理，有可能引起支护体受力过大而失 效 ，导致支护应力场的丧失． 支护能够对围岩施加约束，改变围岩的应力状态，如可使围岩表面从二向应力状态转向三向应力状 态 ，从而影响采动应力场．以预应力锚杆支护为例进行分析 ，支护应力场对采动应力场有以下作用 ① 预应力锚杆支护能够控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，使围岩处 于受压状态 ，抑制围岩拉应力 区与剪切破坏区的出现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区 围岩强度的降低，使围岩成为承载的主体，提高锚固区围岩的应力水平．反过来 ， 锚固区围岩的完整性又 保证 了锚杆的锚固力 ，以及支护阻力能够有效扩散到围岩 中，起到 良好的支护作用 ；② 预应力锚杆支护 能够有效控制围岩的塑性区，减小围岩的破坏范围，从而影响采动应力的分布特征、范围与集中应力的大 小；③ 预应力锚杆支护可通过提高锚固区的刚度，使集中应力发生转移．如大幅度提高煤巷顶板的刚度， 可使顶板垂直压力转移到巷道两侧煤体深部，降低两侧煤帮的压力，减小煤帮变形，对巷帮维护十分有 利． 3 结 论 1 煤矿井下应力场分为原岩应力场、采动应力场及支护应力场．3 种应力场相互影响，共同对围岩 起作用 ，构成了煤矿井下综合应力场． 2 重力应力场与构造应力场是现今地应力场的主要组成部分．一般在地层浅部，构造应力占明显优 势，最大水平主应力大于垂直主应力．构造应力的分布具有明显的区域性与方向性，而且与地质构造、煤 岩性质及强度等有很大关系． 3 采动应力场在空间上分布有一定的范围，而且随着采矿活动的进行与时间的推移不断变化．采动 应力场不仅与原岩应力场有关，而且还受到围岩性质、围岩结构，及采掘空问形状、大小、采动状况等多 种因素影响． 4 支护应力场包括支护在围岩中产生的应力场，以及在支护体内部产生的应力场．锚杆支护、金属 第 1 2 期 康红普煤矿井下应力场类型及相互作用分析 1 3 3 5 支架、喷射混凝土、砌碹等巷道支护，以及液压支架、单体支柱等工作面支护，都可在煤岩体及自身中产 生有各 自 特点的支护应力场．围岩与支护构件中的应力场呈现多种多样的形式，而且应力值相差悬殊． 5 支护能够对围岩施加约束，改变围岩应力状态，影响采动应力场分布特征、范围与集中应力程 度． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] 钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制 修订本[ M] ．北京 煤炭工业出版社，1 9 9 1 ． Q i a n Mi n g g a o ，L i u T i n g c h e n g ．G r o u n d p r e s s u r e a n d s t r a t a c o n t r o l[ M] ．B e ij i n g C h i n a C o a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ， 1 9 9 1 ． 吴继敏．工程地质学 [ M] ．北京高等教育出版社 ，2 0 0 6 ． Wu J i mi n ．E n g i n e e ri n g g e o l o g y[ M] ．B e i j i n g H i g h e r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 0 O 6 ． [ 3 ] 康红普 ， 林健． 我国巷道围岩地质力学测试技术新进展 [ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 1 ， 2 9 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] Ka n g Ho n g p u，L i n J i a n ．Ne w d e v e l o p me n t i n g e o me c h a n i c s t a n d t e s t t e c h n o l o g y 7 2 73 0 ． o f mi n e r o a d wa y s u r r o u n d i n g r o c k[ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，2 9 7 2 7 3 0 ． 康红普 ， 王金华． 煤巷锚杆支护理论与成套技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社，2 0 0 7 3 6 5 1 ． K a n g H o n g p u ，Wa n g J i n h u a ．R o c k b o l t i n g t h e o r y a n d c o mp l e t e t e c h n o l o gy f o r c o a l r o a d w a y s[ M] ．B e i j i n g C h i n a C o a l I n d u s t ry P u b l i s h i n g Ho u s e ．2 0 0 73 651 ． 康红普，林健 ，张晓．深部矿井地应力测量方法研究与应用 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ， 2 6 5 9 2 9 9 3 3 ． K a n g H o n g p u ， L i n J i a n ， Z h a n g X i a o ．R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f i n s i t u s t r e s s m e a s u r e m e n t i n d e e p m i n e s[ J ] ．C h i n e s e J o u r n al o f R o c k M e c h a n i c s a n d E n gi n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 6 5 9 2 9 9 3 3 ． 朱焕春，陶振宇．不同岩石中地应力分布 [ J ] ．地震学报，1 9 9 4 ，1 6 1 4 9 6 3 ， Z h u H u a n c h u n ， T a o Z h e n y u ．G e o s t r e s s d i s t r i b u t i o n s i n d i f f e r e n t r o c k [ J ] ．A c t a S e i s m o l o g i c a S i n i c a ， 1 9 9 4 ，1 6 1 4 9 6 3 ． 赵德安，陈志敏 ，蔡小林 ，等．中国地应力场分布规律统计 分析 [ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 7 ，2 6 6 1 26 51 2 71． Z h a o D e a n ， C h e n Z h i m i n ， C a i X i a o l i n ， e t a 1 ．A n al y s i s o f d i s t r i b u t i o n r u l e o f g e o s tr e s s i n C h i n a[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n gin e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 2 6 6 1 2 6 51 2 7 1 ． 王胜本 ，张晓．煤矿井下地质构造与地应力的关系 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 8 ，3 3 7 7 3 8 7 4 2 ． Wa n g S h e n g b e n ．Z h a n g X i a o ．R e l a t i o n b e t w e e n g e o l o g i c al s t ruc t u r e s a n d i n s i t u s t r e s s e s i n u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 8 ， 3 3 7 7 3 87 4 2 ． 康红普，姜铁明，高富强．预应力在锚杆支护中的作用 [ J ] ．煤炭学报， 2 0 0 7 ，