基于應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作面終采線確定方法研究

劉偉建，劉 曄，潘貴豪

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650228；3.新興鑄管集團(tuán)資源投資發(fā)展有限公司，北京 100020)

隨著煤礦技術(shù)的發(fā)展，沖擊地壓的防治技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展與完善[1-6]，但忽視了許多隱蔽性沖擊危險(xiǎn)因素，其中下山巷道的蠕變沖擊[7-10]就沒(méi)有引起足夠的重視。巷道蠕變是一個(gè)持續(xù)緩慢的過(guò)程，隨著時(shí)間的變化往往忽略了這種因素，但在其他因素的聯(lián)合作用下會(huì)突然誘發(fā)沖擊地壓，造成嚴(yán)重災(zāi)害。回采過(guò)程中采動(dòng)產(chǎn)生的超前支承壓力作用在下山巷道上而引起的沖擊就是該類災(zāi)害的典型情況。因此，在盡量不浪費(fèi)資源的前提下，如何確定終采線位置，保證回采工作面超前支承壓力對(duì)下山巷道影響，保護(hù)下山巷道的安全，對(duì)礦山安全生產(chǎn)及礦山效益都有著重要意義。本文主要是根據(jù)蠕變的基本原理和性質(zhì)，探索巷道蠕變沖擊的基本機(jī)理，提出微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析超前支承應(yīng)力的方法，并結(jié)合礦井?dāng)?shù)據(jù)合理劃分實(shí)際終采線，保護(hù)下山巷道的安全。

1 蠕變型巷道沖擊機(jī)理

1.1 蠕變基本原理

蠕變是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時(shí)間逐漸增大的性質(zhì)[11]。巖石蠕變是一種十分普遍的現(xiàn)象，在天然斜坡、人工邊坡和地下洞室中都可以直接觀測(cè)到。在巖塊試件上施加恒定荷載時(shí)，可得到典型蠕變曲線如圖1所示。在加載的瞬間，巖塊產(chǎn)生一瞬時(shí)應(yīng)變(OA段)，隨后便產(chǎn)生連續(xù)不斷的蠕變變形。根據(jù)蠕變曲線的特征，可將巖石蠕變劃分為三個(gè)階段[11]：第Ⅰ階段，初始蠕變階段(AB段)或稱減速蠕變階段，曲線呈下凹型，應(yīng)變最初隨時(shí)間增大較快，但其應(yīng)變率隨時(shí)間迅速遞減，到B點(diǎn)達(dá)到最小值；第Ⅱ階段，等速蠕變階段(BC段)或稱穩(wěn)定蠕變階段，曲線呈近似直線，即應(yīng)變隨時(shí)間近似等速增加，直到C點(diǎn)；第Ⅲ階段，加速蠕變階段(CD段)，蠕變加速發(fā)展直至巖塊破壞(D點(diǎn))。

圖1 蠕變曲線

以上典型蠕變曲線的形狀及某個(gè)蠕變階段所持續(xù)的時(shí)間，受巖石類型、荷載大小及溫度等因素的影響而不同。如同一種巖石，荷載越大，第Ⅱ階段蠕變的持續(xù)時(shí)間越短，試件越容易蠕變破壞。而荷載較小時(shí)，則可能僅出現(xiàn)第Ⅰ階段或第Ⅰ階段、第Ⅱ階段蠕變。

1.2 巷道蠕變沖擊原理

巷道蠕變沖擊的基本原理是，在服務(wù)年限長(zhǎng)且有沖擊傾向性的煤層巷道或巖石巷道，在其正常蠕變過(guò)程中，由于開(kāi)采影響產(chǎn)生的動(dòng)壓，突然使作用在巷道上的載荷增加，促使蠕變過(guò)程加速，煤層或巖石突然破壞。在高應(yīng)力載荷作用下，誘發(fā)煤層或巖石突然發(fā)生沖擊。其基本原理圖如圖2所示。

圖2 巷道蠕變沖擊曲線

巷道開(kāi)挖形成后，巷道圍巖進(jìn)入初始蠕變階段(AB段)，應(yīng)變先隨時(shí)間增大較快，但其應(yīng)變率隨時(shí)間迅速遞減，到B點(diǎn)達(dá)到最小值。隨著時(shí)間的推移巷道圍巖進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段(BC段)。此過(guò)程是持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的階段，在這段過(guò)程中，由于開(kāi)采的影響，采場(chǎng)超前支承壓力影響到巷道圍巖，巷道穩(wěn)定蠕變階段會(huì)突然結(jié)束直接進(jìn)入加速蠕變階段(C′D′段)。蠕變加速發(fā)展直至巖塊破壞(D′點(diǎn))。在持續(xù)高應(yīng)力作用下，有沖擊傾向性的巖石或煤層會(huì)突然破壞，發(fā)生沖擊現(xiàn)象，形成沖擊地壓。

因此，為避免蠕變型巷道沖擊，確定合理的終采線位置十分重要，合理的終采線可以有效的減少采動(dòng)影響對(duì)下山巷道的破壞，防止下山發(fā)生蠕變型巷道沖擊。

2 應(yīng)力在線系統(tǒng)確定工作面終采線方法

應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[12，13]可以實(shí)時(shí)分析超前應(yīng)力影響范圍及發(fā)展趨勢(shì)。具體方法主要是：通過(guò)在開(kāi)采過(guò)程中，分析超前應(yīng)力開(kāi)始增長(zhǎng)或達(dá)到一定應(yīng)力值時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離，推測(cè)超前應(yīng)力分布范圍、重點(diǎn)影響范圍及其發(fā)展規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力值升高大小、速度和組數(shù)，可推測(cè)危險(xiǎn)區(qū)范圍和程度，從而確定終采線的位置保證安全回采。

利用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定超前影響范圍的方法如圖3所示，當(dāng)應(yīng)力計(jì)曲線開(kāi)始出現(xiàn)增長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)應(yīng)力增長(zhǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1為此應(yīng)力計(jì)位置應(yīng)力開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)間，在工作面回采平面圖中找到t1時(shí)間對(duì)應(yīng)的采位，量取t1采位至應(yīng)力計(jì)直接的距離d1，即為超前應(yīng)力影響范圍。同理，當(dāng)應(yīng)力計(jì)應(yīng)力增長(zhǎng)了Δσ時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2為此應(yīng)力計(jì)位置應(yīng)力變化Δσ時(shí)的時(shí)間，同樣在工作面回采平面圖中找到t2時(shí)間對(duì)應(yīng)的采位，量取t2采位至應(yīng)力計(jì)位置的距離d2，即為超前應(yīng)力重點(diǎn)影響區(qū)域。根據(jù)d1、d2的值確定工作面超前影響的范圍及程度，從而確定回采工作面到下山的安全距離，即終采線的位置。其中，Δσ根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、支護(hù)措施等具體確定。

圖3 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定超前影響范圍的方法

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

山東滕東生建煤礦3下109工作面2014年4月份開(kāi)始回采，在經(jīng)歷煤層自然發(fā)火災(zāi)害、斷層、褶曲構(gòu)造及巨厚礫巖斷裂等潛在誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害后，截止到2015年6月7日為止，3下109工作面安全回采至設(shè)計(jì)工作面終采線160m。3下109工作面為高危工作面，壓力顯現(xiàn)較相鄰3下105、107工作面大，原有工業(yè)設(shè)計(jì)終采線不一定能保證下山的安全，因此，為確保3下109工作面安全回采及采區(qū)下山的安全，現(xiàn)根據(jù)應(yīng)力在線系統(tǒng)及高精度微地震定位系統(tǒng)[14-16]數(shù)據(jù)分析確定實(shí)際終采線位置。

3.1 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

在3下109工作面布置的應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔深為8m和14m，組間距在15m左右。2015年6月7日3下109工作面應(yīng)力計(jì)安裝位置及工業(yè)終采線位置如圖4所示。

圖4 109工作面應(yīng)力計(jì)及工業(yè)設(shè)計(jì)終采線位置圖

根據(jù)軌道巷應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，2015年3月3日第3組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為180m。4月10日第3組應(yīng)力曲線升高2MPa(結(jié)合應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自身的敏感度，以及應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該礦井前期使用過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力變化時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的煤粉鉆屑量、錨索應(yīng)力值變化、現(xiàn)場(chǎng)巷道變形等情況確定的。因此，選用應(yīng)力升高2MPa時(shí)認(rèn)為此區(qū)域應(yīng)力影響非常嚴(yán)重)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為120m。4月20日第4組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為120m。6月5日第4組應(yīng)力曲線升高2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為25m。(此時(shí)工作面開(kāi)采位置正好受3下109工作面斷層應(yīng)力以及工作面三次“見(jiàn)方”，應(yīng)力較集中，且未向前轉(zhuǎn)移。因此，超前支承壓力影響范圍突然變小。)4月10日第5組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為150m。5月22日第5組應(yīng)力曲線升高2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為62m。4月7日第6組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為172m。5月16日第6組應(yīng)力在線曲線升高2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為90m。4月25日第7組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為152m。5月28日第7組應(yīng)力在線曲線升高2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為105m。4月30日第8組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為160m。5月25日第8組應(yīng)力在線曲線升高2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為108m。5月16日第10組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為136m，截止到6月7日為止應(yīng)力值未升高2MPa。

根據(jù)運(yùn)輸巷應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，4月10日第7組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為113m。5月25日第7組應(yīng)力曲線增長(zhǎng)2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為30m；2月21日第8組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為220m。5月10日第8組應(yīng)力曲線增長(zhǎng)2MPa，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為82m； 3月28日第10組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為190m。截止到目前為止(6月5日)應(yīng)力值未升高2MPa；5月6日第1組應(yīng)力曲線開(kāi)始增長(zhǎng)，此時(shí)測(cè)點(diǎn)距工作面距離為140m。截止到目前為止(6月5日)應(yīng)力值未升高2MPa。

綜上所述，軌道巷超前應(yīng)力分布影響范圍為120～180m，嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅娉?5～120m；運(yùn)輸巷超前影響范圍為113～220m，嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅娉?0～82m。

3.2 高頻微震定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2105年5月17至2015年6月7日微震事件“固定工作面”顯示圖如圖5所示，微震事件主要集中分布在距固定工作面130～200m范圍內(nèi)。也就是說(shuō)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到巖層破裂范圍為130～200m，進(jìn)而說(shuō)明應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)榫喙ぷ髅?30～200m左右，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)較應(yīng)力在線得到的數(shù)據(jù)較大10～20m左右，這是巖層破裂后應(yīng)力轉(zhuǎn)移的滯后性。因此，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析工作面回采超前影響距離為130～200m。

圖5 微震事件“固定工作面”顯示圖

3.3 終采線位置

由以上數(shù)據(jù)分析可以得出，應(yīng)力在線系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工作面超前應(yīng)力影響范圍為113～220m，嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)楣ぷ髅娉?5～120m(在地質(zhì)條件影響下的最大嚴(yán)重影響區(qū)域的范圍)。為了確保安全，考慮下山的安全及資源不浪費(fèi)的原則，根據(jù)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，再結(jié)合微地震的數(shù)據(jù)，取距下山120m為實(shí)際終采線位置。工業(yè)設(shè)計(jì)終采線距采區(qū)下山最近距離為85m，為保證120m的安全距離，3下109工作面實(shí)際回采終采線較工業(yè)設(shè)計(jì)終采線提前35m。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)介紹蠕變的基本性質(zhì)，揭示了蠕變型巷道沖擊的機(jī)理，給出了應(yīng)力在線系統(tǒng)分析超前支承壓力影響范圍的方法。

2)結(jié)合山東滕東生建煤礦工作面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析超前支承壓力影響范圍，并確定了合理工作面實(shí)際終采線位置，該方法給類似條件下工作面終采線的確定提供了借鑒。