采動影響下煤礦頂板巖層三維應(yīng)力變化規(guī)律研究

曹 懷 軒

(兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦， 山東 鄒城 273500)

隨著煤礦開采深度與強度的不斷增加，采場地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，沖擊地壓等動力災(zāi)害日益加劇，嚴(yán)重威脅著井下人員及設(shè)備的安全，對沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)控與防治已成為亟待解決的科學(xué)與工程難題[1-3]。煤層開采前，采場煤巖體在自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力的作用下處于平衡狀態(tài)，煤層開采活動導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部應(yīng)力集中，能量不斷積聚，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到煤巖體強度時，儲存在煤巖體中的能量突然釋放誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。由此可見，沖擊地壓問題本質(zhì)上就是煤巖體應(yīng)力問題[4]。因此，沖擊地壓災(zāi)害的監(jiān)控，實質(zhì)上就是監(jiān)測煤巖體應(yīng)力并進(jìn)行及時調(diào)控，以保證應(yīng)力不超過對應(yīng)的強度。所以，準(zhǔn)確監(jiān)測煤巖體三維應(yīng)力對預(yù)測與防控沖擊地壓具有重要意義。

目前，針對煤巖體應(yīng)力場監(jiān)測的主要手段有礦壓觀測[5-9]、微震監(jiān)測[10-12]、鉆屑法[13-15]、煤層應(yīng)力監(jiān)測[16-18]等。其中，礦壓觀測、微震、鉆屑法等只能間接分析煤巖體應(yīng)力狀態(tài)，無法直接測量煤巖體應(yīng)力。煤層應(yīng)力監(jiān)測方法可以直接觀測煤層應(yīng)力，但由于煤體比較松軟僅能監(jiān)測煤體相對(采動)應(yīng)力和其變化趨勢，無法實施監(jiān)測煤體的絕對(真實)應(yīng)力。由于缺少能夠長期監(jiān)測圍巖三維應(yīng)力的傳感器，針對巖層三維應(yīng)力的在線實時監(jiān)測尚屬空白。鑒于此，本文開展了煤炭開采過程中頂板巖層三維應(yīng)力的現(xiàn)場監(jiān)測試驗，以期為沖擊地壓的監(jiān)控與預(yù)警提供支撐。本研究采用光纖光柵三維應(yīng)力傳感器，解決了傳統(tǒng)應(yīng)力計無法長期準(zhǔn)則監(jiān)測巖層應(yīng)力的難題。首先，在東灘煤礦6305工作面頂板巖層實施了原巖應(yīng)力測試；接著，構(gòu)建了采場圍巖三維應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了頂板巖層三維真實應(yīng)力的實時在線監(jiān)測；最后，利用監(jiān)測系統(tǒng)，分析得到了工作面推進(jìn)過程中頂板巖層三維應(yīng)力的變化規(guī)律。本文成果對研究采動影響下頂板巖層斷裂及沖擊地壓發(fā)生機理等具有重要意義。

1 監(jiān)測方法

1.1 監(jiān)測原理

(1)

巖體的破壞與巖體內(nèi)三維真實應(yīng)力相關(guān)，當(dāng)巖體內(nèi)三維真實應(yīng)力達(dá)到巖體強度時，巖體即會發(fā)生失衡破壞。由式(1)可以發(fā)現(xiàn)，巖體三維真實應(yīng)力的監(jiān)測分兩步完成。首先，進(jìn)行原巖應(yīng)力測試，原巖應(yīng)力的測試方法主要有水壓致裂法、鉆孔應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法等。然后，進(jìn)行圍巖三維擾動應(yīng)力的監(jiān)測，由于其隨采動活動而不斷變化，擾動應(yīng)力的監(jiān)測是長期監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測傳感器

1.2.1 應(yīng)力測量原理

在一無限大的彈性巖體中，施工一個鉆孔，當(dāng)鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處的三維應(yīng)力場作用時，由地應(yīng)力測量理論[19]可知，鉆孔周邊圍巖應(yīng)力與巖體三維應(yīng)力具有對應(yīng)關(guān)系。因此，可以通過測量鉆孔周邊圍巖應(yīng)力(變)來求得巖體三維應(yīng)力。

如圖1所示，建立直角坐標(biāo)系及孔邊柱坐標(biāo)系。假定巖石為彈性介質(zhì)，根據(jù)彈性力學(xué)原理，柱坐標(biāo)系下鉆孔孔周應(yīng)力與直角坐標(biāo)系下巖體三維應(yīng)力間的關(guān)系如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

圖1鉆孔圍巖三維應(yīng)力分布狀態(tài)圖

1.2.2 光纖光柵三維應(yīng)力傳感器

目前，測量鉆孔周邊應(yīng)力(變)主要采用孔徑變形計與空心包體傳感器兩種。但由于兩者均采用了電阻應(yīng)變片作為傳感元件，其易受井下強電磁場干擾且長期穩(wěn)定性不佳，因此無法進(jìn)行擾動應(yīng)力的長期準(zhǔn)確監(jiān)測。鑒于此，采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的光纖光柵三維應(yīng)力傳感器，進(jìn)行原巖應(yīng)力的測量與擾動應(yīng)力的長期監(jiān)測。

光纖光柵三維應(yīng)力傳感器采用光纖布拉格光柵作為測量元件，具有較強的抗干擾能力和良好的長期穩(wěn)定性。當(dāng)入射光經(jīng)達(dá)光纖布拉格光柵時，滿足布拉格條件的光波反射回入射端，其余光波透射[20]。溫度變化或者應(yīng)變變化均會引起反射光中心波長的變化。在實際測量中，即是通過反射光中心波長的變化來計算溫度變化或者應(yīng)變變化。

一般情況下，溫度變化值和由外力引起的應(yīng)變變化值均與反射光中心波長變化值呈線性關(guān)系。因此，當(dāng)光柵所在位置發(fā)生變形后，可通過光柵中心波長變化值計算其所在位置處的應(yīng)力(變)。

在測量原巖應(yīng)力時，通常采用鉆孔應(yīng)力解除法，采用光纖光柵三維應(yīng)力傳感器，主體部分的殼體為圓柱狀空心筒，為內(nèi)徑34 mm、外徑36 mm的空心彈性鋼圓筒，在規(guī)定位置嵌埋光纖光柵傳感器。首先將光纖光柵三維應(yīng)力傳感器安置在直徑為38 mm～39 mm的小孔內(nèi)，然后采用直徑為127 mm的取芯鉆頭將巖芯解除，重分布應(yīng)力影響范圍為3倍直徑，因此，解除直徑大于3倍傳感器直徑即可。由于解除過程中鉆孔外圍原巖應(yīng)力釋放，傳感器所在位置的應(yīng)力(變)也隨之減小至零。通過傳感器監(jiān)測到的應(yīng)力(變)變化即可求得鉆孔所在位置處的原巖應(yīng)力。

擾動應(yīng)力的監(jiān)測原理相同，當(dāng)傳感器長期安裝在鉆孔內(nèi)時，受采動影響，鉆孔外圍巖體三維應(yīng)力會發(fā)生變化，傳感器所在位置處的應(yīng)力也隨之變化。通過傳感器所在位置處的應(yīng)力變化即可以求得圍巖擾動應(yīng)力的變化。由于擾動應(yīng)力不斷變化，所以擾動應(yīng)力需長期監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測斷面及系統(tǒng)

試驗地點選擇在東灘煤礦6305工作面。東灘煤礦是兗州煤業(yè)股份有限公司的骨干礦井之一，設(shè)計年產(chǎn)750萬t。圍巖應(yīng)力狀態(tài)是多因素綜合影響的結(jié)果，地質(zhì)條件影響原巖應(yīng)力的分布及大小。6305工作面煤層平均厚度約為5.0 m，面長約為250 m，推進(jìn)長度約為1 500 m，埋深約為660 m，頂板主要為砂巖。6305軌道順槽一側(cè)為工作面，另一側(cè)臨近采空區(qū)。由于采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中程度較高，故將監(jiān)測斷面布置在6305軌道順槽內(nèi)。

在6305軌道順槽內(nèi)，布置3個監(jiān)測斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其分別距離開切眼800 m、900 m、1 000 m。在每個監(jiān)測斷面處，分別施工一個監(jiān)測鉆孔，如圖2所示。

圖2監(jiān)測斷面鉆孔布置圖

原巖應(yīng)力測試過程如下：

(1) 在順槽內(nèi)斜向上方施工內(nèi)徑為130 mm鉆孔，鉆孔開孔高度為3 m左右，水平投影垂直于巷幫，上傾斜角取30°，深度取13 m以上。

(2) 在上述大孔底部施工內(nèi)徑為38 mm～40 mm的小鉆孔，鉆孔深度取30 cm～40 cm。

(3) 用清水沖洗小孔，然后將光纖光柵三維應(yīng)力傳感器安裝在小鉆孔中，并確保其與孔壁粘結(jié)牢固。

(4) 采用外徑為127 mm的取芯鉆頭將小鉆孔進(jìn)行解除，在解除過程中連續(xù)讀取各光柵的波長變化。

(5) 將內(nèi)含傳感器的巖芯取出，并放置在雙軸試驗系統(tǒng)中，測試巖芯的彈性模量與泊松比。

(6) 根據(jù)第(4)步中不同方位光柵中心波長的變化量及巖芯的彈性模量及泊松比，計算得到傳感器所在位置處的原巖應(yīng)力。

式中:xl是第l個單元的輸入;xl+1是第l個單元的輸出,同時是第l+1個單元的輸入;W={Wl,k|1≤k≤K}為與第l個殘差單元相關(guān)的權(quán)重和偏差的集合,其中K是殘差單元內(nèi)部的層數(shù);F(xl,Wl)為網(wǎng)絡(luò)的殘差函數(shù);f(yl)為網(wǎng)絡(luò)的ReLU函數(shù);函數(shù)h(xl)為恒等映射。

真實應(yīng)力的監(jiān)測過程如下：

(7) 將上述鉆孔的孔底磨平，然后繼續(xù)向前施工內(nèi)徑為38 mm～40 mm的小鉆孔，鉆孔深度取30 cm～40 cm。

(8) 用清水沖洗小孔，然后再次將光纖光柵三維應(yīng)力傳感器安裝在小鉆孔中，并確保其與孔壁粘結(jié)牢固。

(9) 如圖3所示，將傳感器通過光纜與光纖解調(diào)分析儀連接，并通過井下局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至井上監(jiān)控室。

(10) 在監(jiān)測室系統(tǒng)軟件中，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到實時擾動應(yīng)力大小，然后再將擾動應(yīng)力與原巖應(yīng)力相加，得到頂板巖層實時真實應(yīng)力。

圖3三維應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2 監(jiān)測結(jié)果

2.1 原巖應(yīng)力

在每個監(jiān)測斷面，均測量了原巖應(yīng)力，3組原巖應(yīng)力結(jié)果基本相同。因此，選取3組原巖應(yīng)力的平均值作為監(jiān)測斷面處的原巖應(yīng)力值。

圖4局部坐標(biāo)系

注：正應(yīng)力以壓為正。

運用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將局部坐標(biāo)系下的應(yīng)力轉(zhuǎn)換至主應(yīng)力空間，得到如表2所示的主應(yīng)力大小及方向。從表中可以看出，最大主應(yīng)力為29.84 MPa，接近水平方向；其余兩個主應(yīng)力與水平面均有一定夾角。由此可以看出，監(jiān)測位置處受構(gòu)造作用明顯。

表2 主應(yīng)力坐標(biāo)系下的原巖應(yīng)力分量

注：方位角北起順時針為正，傾角從水平面向上為正。

2.2 真實應(yīng)力

為了便于工程應(yīng)用，在局部坐標(biāo)系下分析頂板巖層三維應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，得到圖5。圖5為監(jiān)測斷面Ⅰ處真實應(yīng)力在采動影響下的變化曲線。從圖5可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至距監(jiān)測斷面約120 m左右時，采動應(yīng)力開始顯現(xiàn)，頂板巖層三個方向正應(yīng)力均開始緩慢增加；當(dāng)工作面距監(jiān)測斷面50 m左右時，頂板巖層三維應(yīng)力增長速度加快，說明此時采動影響加劇；當(dāng)工作面距監(jiān)測斷面15 m～18 m時，x方向與z方向正應(yīng)力達(dá)到峰值，x方向正應(yīng)力約為20.39 MPa，增加了約53%，y方向正應(yīng)力約為36.98 MPa，增加了約24%，垂直方向正應(yīng)力約為50.17 MPa，增加了約147%。

圖5采動影響下頂板巖層三維應(yīng)力變化曲線

采動影響下，前方上覆巖層的壓力逐漸轉(zhuǎn)移至頂板巖層上，頂板巖層三個方向正應(yīng)力均不斷增加，且垂直方向正應(yīng)力增加程度明顯大于兩水平方向。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離監(jiān)測斷面約37 m處時，z方向正應(yīng)力的大小超過y方向正應(yīng)力，說明垂直方向正應(yīng)力開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

錢鳴高等[5]提出了“砌體梁”理論，宋振騏院士[6]提出了“傳遞巖梁”理論，都從不同角度對開采過程中礦山壓力的變化進(jìn)行了論述，指導(dǎo)了安全生產(chǎn)。從曲線中可以看出，垂直方向正應(yīng)力的變化曲線與經(jīng)典壓力理論基本吻合，驗證并發(fā)展了傳統(tǒng)礦壓理論。

監(jiān)測斷面Ⅱ、Ⅲ處的監(jiān)測結(jié)果與監(jiān)測斷面Ⅰ處類似，故不再贅述。

由強度理論可知，當(dāng)煤巖體三維應(yīng)力超過其極限強度時，即達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件，就會誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。因此，監(jiān)測煤巖體真實應(yīng)力有助于實現(xiàn)沖擊地壓的有效預(yù)警。以莫爾-庫侖強度準(zhǔn)則為例，有：

(8)

3 結(jié) 論

(1) 東灘煤礦6305工作面監(jiān)測斷面處原巖應(yīng)力三個主應(yīng)力分量分別為29.84 MPa、21.24 MPa、12.41 MPa，其中最大主應(yīng)力接近水平方向，其余兩個主應(yīng)力與水平及豎直面均有一定夾角，監(jiān)測斷面處頂板巖層應(yīng)力主要受構(gòu)造作用影響。

(2) 采動影響范圍為工作面前方120 m左右，采動急劇影響范圍為工作面前方50 m左右，應(yīng)力峰值位置在工作面前方18 m內(nèi)。

(3) 隨著工作面向前推進(jìn)，頂板巖層三個方向正應(yīng)力均不斷增加，其中垂直方向正應(yīng)力增加幅度明顯大于兩水平方向；當(dāng)工作面距監(jiān)測斷面15 m～18 m時，頂板巖層應(yīng)力達(dá)到峰值，兩水平方向正應(yīng)力分別增長約53%、24%，垂直方向正應(yīng)力增長接近150%。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板巖層應(yīng)力開始迅速下降。頂板巖層垂直方向正應(yīng)力的變化與傳統(tǒng)礦山壓力理論較為吻合。