地壓

地壓是泛指在巖體中存在的力，它既包含原巖對圍巖的作用力，圍巖間的相互作用力，又包含圍巖對支護體的作用力。地壓的大小，不僅與巖體的應力狀態、巖體的物理力學性質、巖體結構有關，還與工磣壯質、支護類型及支護時間等因素有關。地壓會引起圍巖及護體的變形、移動和破壞，稱為地壓現象。在脆性巖體中，可能發生冒頂、片幫等圍巖的破壞現象；在塑性巖體中，表現為巷道頂板下沉、兩幫突出、底板鼓起等現象 ^[2]  。

當圍巖中的應力不超過其彈性極限時，地壓可全部由圍巖來承擔，井巷可以不加支護而能在一定時期內維持穩定。當圍巖中的應力超過了圍巖強度極限時，為了維護井巷斷面形狀，並保持其穩定，必須採取支護，這時的地壓是由圍巖和支護體共同承受。可見，作用在支護體上的壓力僅是地壓的一部分。

地壓的顯現使巖體產生變形和各種不同形式的破壞。為了便於分析各種不同性質的地壓，按其表現形式，將地壓分為變形地壓、散體地壓（亦稱鬆動地壓）、衝擊地壓、膨脹地壓四類。變形地壓是指在大範圍內巖體因變形、位移受到支護體的抑制而產生的地壓；散體地壓（亦稱鬆動地壓）是在一定範圍內，滑移或塌落的巖體以重力的形式直接作用於支護體上的壓力；衝擊地壓又稱巖爆，它是在圍巖積累了大量的彈性變形能之後，突然釋放出來時所產生的壓力；膨脹地壓是由於巷道圍巖膨脹而產生的壓力 ^[1]  。

由於地壓理論的發展，更新了某些傳統的地壓舊概念，糾正了過去對地壓認識的片面性。例如，人們利用支架支承地壓就存在片面性，認為支架越堅固、強度越高，就越能保證井巷的安全，其實作用在支架上的壓力並不是常量，而且隨支架本身的性能及支架架的架設時間等而變化，在許多情況下，採用承載能力較低的可縮性支架，更能保證井巷的安全。又如，以往常常視井巷圍巖為載荷，只單純地利用人工支護結構去支承圍巖壓力。實際上，圍巖本身也具有較大的承載能力，充分利用圍巖的承載能力，可以節省大量的支架材料。

由於巷道開挖後改變了巖體的初始應力狀態，圍巖產生應力重新分佈 ^[3]  。設巷道開挖前巖體中某一點的原巖應力為σ0，開挖後該點的次生應力變為σ，它們的比值K=σ/σ0。稱為應力集中係數，它表示巷道開挖前後應力的變化情況。若K>1，説明巷道開挖後次生應力增大了；反之，若K<1，説明巷道開挖後次生應力減小了。巷道圍巖應力變化的範圍稱為採動影響範圍。實驗分析和理論研究證明，採動影響範圍只限於巷道周圍不大的區域以內。由巷道中心至影響範圍的邊線距離稱為採動影響半徑R影，其大小為R影=（3~5）D（D為巷道半徑），習慣上將此範圍內的巖體稱為圍巖，將該範圍以外的巖體成為原巖。在圍巖區域內形成的新應力場稱為次生應力場。在採動影響範圍以外的巖體仍可視為原巖應力狀態，它們不受採動的影響。

圍巖的次生應力狀態與巷道的橫斷面形狀及尺寸有關。斷面為曲線形的巷道，相對來説圍巖的應力變化比較均勻，而斷面為折線形的巷道，則會在角隅處出現較大的應力集中。巷道開挖後若及時支護，既可以阻止圍巖變形的發展，又可以影響圍巖的應力分佈狀態。

井巷破壞的原因主要是圍巖應力超過了巖體的強度，因此，井巷維護的基本原則是提高圍巖強度，降低圍巖應力，改善圍巖的應力狀態，以便充分利用圍巖的自身抗力去支撐井巷地壓 ^[3]  。

井巷的維護應遵循的主要原則如下。

(1)合理選擇井巷的位置。在生產條件允許下，儘可能選在地質和水文地質條件較好，沒有軟弱夾層的巖體中；儘量避免回採的影響；主要巷道應佈置在崩落帶以外。並保持一定距離。

(2)採用合理的施工。工藝在井巷施工中，應快速掘進，儘量採用光面爆破、預裂爆破等先進的爆吞破技術，以減少爆破對圍巖的震動和破壞，保持圍巖體的完整性。應積極採用錨噴支護，以提高圍巖巖體強度，充分發揮其自承能力。

(3)選擇合理的支護類型。對於以變形地壓為主的巷道，應選擇可縮性大的柔性支架，如錨噴支護、可縮性鋼支架及在鋼性支架的棚梁和棚腿的接觸面、砌混凝土巷道的肩部夾入可縮性材料如橡膠等。對於以鬆動地壓為主的巷道，則可選用有足夠強度的剛性支架來支撐鬆動岩石的重量，如石料砌混凝土、鋼木支架、鋼筋混凝土支架等。

(4)選擇合理的斷面形狀和尺寸。圓形與橢圓形井巷斷面的應力集中程度最低，當巷道面越高，巷道兩側的壓力越大，巷道兩側應採用圓弧形斷面；巷道斷面越寬，巷道頂部的壓力越大，巷道頂部應採用圓弧形斷面，以減少應力集中。巷道斷面的最大尺寸應沿着最大來壓方向佈置；最大來壓方向的巷道周邊應儘量選用曲線形狀。

(5)確定合理的支護時間。

採場地壓是指在地下開採過程中，暸巖對採場或採空區圍巖及礦柱所施加的載荷 ^[4]  。這是由於地下礦體採出後所形成的採掘空間破壞了原巖的自然平衡狀態，致使巖體應力重新分佈，引起採場圍巖變形、移動或破壞等一系列地壓現象。這些地壓現象的發生和發展過程稱為採場地壓顯現。

採場的規模遠遠大於井巷，但由於採場空間的形狀、體積、分佈狀況、形成及存留時間等方面的特殊性，採場地壓與巷道地壓有相當大的差異，歸納起來採場地壓具有暴露空間大、複雜性、多變性、顯現形式的多樣性、控制採場地壓的難度大等特點。

當礦體的圍巖完整、穩定時，可採用空場法開採地下資源。空場法（包括留礦法）的採場地壓顯現，從時間和空間上看，大體可分為開採初期採場回採期間的局部地壓顯現和開採中、後期大規模劇烈的地壓顯現兩個時期。局部地壓顯現表現為採場礦體、圍巖或礦柱的變形、斷裂、片幫、冒頂等現象；大規模的地壓顯現表現為採空區上方大面積覆蓋岩層急急劇冒落，與冒落區相鄰的採場壓力劇增，出現礦柱壓裂、頂板破裂、採準巷道開裂及冒頂現象。

採場地壓控制的主要方法如下 ^[4]  。

(1)合理確定採場斷面形狀及礦房、礦柱參數。利用礦柱控制採礦房的跨度、形狀，並支撐上覆岩層的壓力；利用圍巖與礦柱的自支承能力維護回採礦房的穩定是地壓控制的基本方法。為此，必須合理選擇礦房、礦柱參數及礦房斷面形狀與佈置方向，以使礦房周圍應力分佈儘可能地合理，既便於充分發揮圍巖自承能力維護自身的穩定，又能做到充分採出礦石。

(2)支撐與巖體加固。回採不穩定礦體時，常利用人工支護回採工作空間，防止冒落。傳統的支護方法是用立柱、支架、木垛等進行支撐。近代又發展了巖體加固法，用錨杆、長錨索、注漿等加固不穩定礦體，增強其強度，維持其穩定。若對待採的不穩固礦體預先進行加固，則可收到預控的效果，使回採更接近於在穩固礦體中進行的狀況。

(3)利用免壓拱解除採場地壓。在高壓力區進行回採時，可利用形成免壓拱的方法使待採礦塊處於卸壓區內，藉以解除原有的高應力狀態，使應力釋放，並使來自原巖體的載荷轉移到該區域之外，從而改善待採礦塊的回採條件。

(4)合理的回採順序。在地質構造複雜地段應先回採高應力塊段；自斷層下盤後退式回採；回採空間的長軸方向儘可能與礦體最大主應力方向平行。

(5)充填。在回採期間利用充填處理空區來改善採場圍巖及礦柱的受力狀態（充填後由於有側向約束形成三維應力狀態），增強採場圍巖的穩定性和礦柱的強度，以及利用充填處理採空區，藉以阻擋圍巖冒落。緩和地壓顯現，減少地表下沉。是一種常用的地壓控制方法。

(6)崩落。利用崩落圍巖的方法消除採空區，控制地壓顯現以及使承壓帶卸載，改善相鄰採場的回採條件。

當在礦牀深部（一般指1500m以上）或在構造應力很高的地區進行開採時，有時會在採掘空間周圍的巖體中發生突然的爆發式破壞現象，其劇烈程度好像巖體被炸藥爆炸一樣。如在掘進巷道或採場圍巖發生強烈的劈裂聲；礦巖的彈射和振動，並引發大量礦巖碎塊拋出；底板鼓起，並伴有巨大響聲；氣浪衝擊造成井下嚴重破壞及地面劇烈振動（地震）。這種地壓現象稱為衝擊地壓（也稱巖爆） ^[5]  。

衝擊地壓有強有弱，其破壞性有大有小。按振動能大小的不同，衝擊地壓的強度可分為五個等級。

(1)微衝擊。僅有巖體或礦體表層的局部破壞和巖塊彈出，巖體深部有微振動。

(2)弱衝擊。巷道圍巖有局部破壞和少量巖塊拋出，伴有明顯的聲響和地震振動，但對支架、設備無嚴重損害。

(3)中等衝擊。巷道圍巖出現迅速的脆性破壞，並有大量岩石碎塊、粉塵拋出，形成氣浪衝擊，可使幾米長的一段巷道冒落，支架及設備損壞。

(4)強烈衝擊。使長達幾十米的地段上支架破壞和巷道冒落，機器及設備受到損壞。發生強烈衝擊地壓後，井下需要大量的修復工作。

(5)災害性衝擊。在整個開採區域或中段內有許多礦柱發生連鎖反應式破壞，礦區或中段內巷道坍塌，甚至可使全礦井報廢。

(1)合理佈置採掘工程與選擇合理的回採順序。為避免造成過高的應力集中，應儘可能避免巷道之間及巷道與構造斷裂之間呈鋭角交叉，使相鄰採掘工程的間距達到可避免應力增高帶相互重疊的程度。回採工作面應是直線佈置，少出現急轉角變化；採掘空間的長軸，應儘可能與巖體中最大主應力方向呈平行佈置；回採時應從構造應力高的地段或構造斷裂面、礦脈交叉處後退回採，以避免過高的應力集中；回採跨度的擴大，即卸壓拱跨度的擴大應逐漸擴展，避免突然成倍增長（如兩個採場突然合併），以防造成脈衝載荷誘發衝擊地壓 ^[2]  。

(2)使有衝擊地壓危險的礦層卸壓。在礦層上部或下部先行採動，可對有衝擊地壓危險的萄罹起卸壓保護作用。

(3)使礦巖中積累的彈性變形能有控制地釋放。採取鬆動爆破、振動性爆破，採用較小礦柱，使其小到逐漸壓碎但又不至於引起強烈衝擊。

(4)向岩層中注水使其軟化。注水可使巖體強度、彈性模量降低，而增加塑性變形成分，從而可以預防衝擊地壓。

(5)選擇合理的採礦方法。從減小衝擊地壓危險來看，宜選用崩落法，崩落圍巖可起卸載作用。

(6)減小衝擊地壓危害的其他措施。先用寬工作面掘進巷道，後用廢石回填，在巷道周圍形成一條防衝擊的隔離帶，使其在一旦發生衝擊地壓時起保護人員和設備的作用。在回採工作面架設防衝擊擋板、隔柵等；採用帶快速排液閥的可縮性液壓支柱支撐回採工作面。