深井沿空掘巷工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力及變形在線監(jiān)測(cè)與合理滯后時(shí)間研究

張 楊，邢魯義，王 勝

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101）

小煤柱沿空掘巷技術(shù)在緩解采掘接續(xù)緊張、提高礦井綜合效益方面發(fā)揮了巨大作用。上一工作面回采過程中，采場(chǎng)上覆巖層受采動(dòng)影響而發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，下區(qū)段沿空巷道在掘進(jìn)時(shí)需要充分考慮頂板運(yùn)動(dòng)的具體狀況。掘進(jìn)時(shí)間過早，采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的影響較為明顯,圍巖變形嚴(yán)重,造成巷道維護(hù)困難等問題；掘進(jìn)時(shí)間過晚，影響下一工作面的回采工作，拖延工期，降低礦井的經(jīng)濟(jì)效益。因此，確定合理的掘巷滯后時(shí)間是成功發(fā)揮沿空掘巷技術(shù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

確定合理的掘巷滯后時(shí)間需要建立在全面掌握工作面?zhèn)认蛎后w支承壓力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律以及基本頂運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)之上。許多學(xué)者采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬、甚至是經(jīng)驗(yàn)類比或估算等方法開展了大量的研究工作，取得了不少有益的研究成果[1-10]。姜福興等在研究工作面回采期間兩側(cè)采空區(qū)頂板結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化特征的基礎(chǔ)上，建立了孤島工作面煤體支承壓力的一般模型，提出孤島工作面煤體支承壓力計(jì)算公式，同時(shí)通過力學(xué)方法，研究了非充分采動(dòng)階段支承壓力極大值與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系[11-12]。王書文等通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力及微震監(jiān)測(cè)，對(duì)采空區(qū)側(cè)向煤體垂直應(yīng)力在工作面推進(jìn)方向和傾向上的階段性及區(qū)間性特征進(jìn)行分析，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出了不同階段、不同區(qū)間煤層垂直應(yīng)力及彈塑性演化規(guī)律[13]。成云海等通過對(duì)水簾洞煤礦3801 特厚硬煤層綜放工作面采空區(qū)側(cè)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，建立了采空區(qū)側(cè)向上位直接頂“巖-矸”結(jié)構(gòu)、基本頂“巖-梁”結(jié)構(gòu)的覆巖結(jié)構(gòu)模型及采空區(qū)巷道隔離墻受力模型，揭示了工作面?zhèn)认虻牡V山壓力顯現(xiàn)特征[14]。許永祥等通過相似材料模擬的方法研究了塔山礦區(qū)特厚煤層綜放工作面回采后側(cè)向支承壓力的分布特征[15]。謝廣祥等結(jié)合謝橋礦綜放工作面的地質(zhì)及技術(shù)條件，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)了區(qū)段煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律[16-17]。樊勝強(qiáng)等采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)兗州礦區(qū)滯后工作面的支承壓力分布特征進(jìn)行了研究[18]。雖然不少學(xué)者對(duì)工作面支承壓力分布特征開展了大量研究工作[19-20]，但對(duì)工作面?zhèn)认蛎后w支承壓力及基本頂運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，尤其是對(duì)采空區(qū)后方側(cè)向煤體應(yīng)力及變形的大距離、長時(shí)間的滯后實(shí)測(cè)還相對(duì)較少。受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，許多巖石物理力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，而現(xiàn)場(chǎng)具體地質(zhì)及開采條件的復(fù)雜性和特殊性無可替代，只有在具體的工作面?zhèn)认蛎后w中監(jiān)測(cè)因采動(dòng)引起的煤壁內(nèi)部不同位置處的應(yīng)力大小及相應(yīng)的位移值隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化情況，才能準(zhǔn)確地分析并掌握工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律以及基本頂劇烈運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間（即基本頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉觸矸的時(shí)間），從而為指導(dǎo)沿空掘巷合理的滯后時(shí)間提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

孔莊煤礦IV1 采區(qū)主采7#煤，賦存深度-785～-1 000 m，地面標(biāo)高約+32 m，為典型深部開采礦井。7432 綜放工作面內(nèi)部斷層發(fā)育，其厚度均在3.40～5.00 m 之間，平均值為4.35 m，傾角為18°～23°，均值為21°，采掘工程平面如圖1。采高為2.40 m，采放比為1∶1。直接頂厚度為11.45 m，由1.70 m的泥質(zhì)砂巖、1.60 m 的粉砂巖、6.66 m 的中粒砂巖和1.45 m 的砂質(zhì)泥巖組成，其厚度分別為11.45、1.70、1.60、6.66、1.45 m。基本頂、底板分別為中粒砂巖，砂質(zhì)泥巖，其厚度分別為10.73、3.12 m。

圖1 7432 工作面采掘工程平面圖Fig.1 Excavation plan of 7432 working face

2 觀測(cè)儀器及測(cè)區(qū)布置

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)及方法

1）觀測(cè)系統(tǒng)。7432 工作面為IV1 采區(qū)首采工作面，回采巷道兩側(cè)均為實(shí)體煤，無聯(lián)絡(luò)巷以及其他相鄰巷道。在工作面推過后，直接頂垮落導(dǎo)致采空區(qū)封閉，人員無法進(jìn)入，因此傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)支承壓力的方法在該現(xiàn)場(chǎng)并不適用。為此，專門研制了一束-多線-多點(diǎn)（應(yīng)力及變形）傳感器，采用了實(shí)測(cè)工作面后方采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的紅外采集觀測(cè)系統(tǒng)，包括：KTG12 礦用本安型光端機(jī)、GZY60W 礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器、GZY60H 鉆孔應(yīng)力計(jì)、GUD-240 圍巖移動(dòng)傳感器、SP-HW 通訊適配器、KDW28-18 礦用隔爆兼本安型不間斷電源、FCH64/2 礦用本安型手持式采集器及RJ-HW 配套檢測(cè)軟件等。在進(jìn)行觀測(cè)之前，需先于7432 工作面超前支承壓力影響范圍外的區(qū)域進(jìn)行測(cè)區(qū)布置等工作，即在工作面回采巷道（運(yùn)輸工作面）實(shí)體煤側(cè)鉆鑿不同深度的用于安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)和圍巖移動(dòng)傳感器的鉆孔，通過通訊電纜將測(cè)區(qū)儀器與布置在400 m 以外的采集站相連。為保證通訊電纜的可靠性和安全性，通訊電纜采用抗拉、抗壓強(qiáng)度大，防腐蝕能力強(qiáng)的鎧裝電纜。另外，為防止工作面推過后頂板冒落矸石對(duì)線路的損壞，所有通訊電纜及導(dǎo)線均預(yù)先套在高壓膠管內(nèi)，然后將其預(yù)埋在巷道靠近煤體側(cè)的底板中。底板中開槽的具體位置及溝槽的尺寸，以能夠放置高壓膠管和便于現(xiàn)場(chǎng)施工為宜。最后，采用浮煤將其進(jìn)行掩蓋。

2）觀測(cè)方法。傳感器每5 min 自動(dòng)采集1 次煤體應(yīng)力及圍巖移近數(shù)據(jù)，傳入GZY60W 型鉆孔應(yīng)力傳感器和GUD-240 型圍巖移動(dòng)傳感器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過通訊電纜將數(shù)據(jù)傳入KTG12 型光端機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，采用FCH64/2 型手持式采集器定期采集數(shù)據(jù)，利用SP-HW 型通訊適配器將數(shù)據(jù)傳入井上計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件顯示、統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 測(cè)區(qū)布置

本次監(jiān)測(cè)方案共設(shè)計(jì)布置1#、2#2 個(gè)測(cè)區(qū)。在工作面運(yùn)輸巷超前支承壓力影響范圍以外區(qū)域布置1#測(cè)區(qū)，1#測(cè)區(qū)距離采集站位置400 m。為預(yù)防1#測(cè)區(qū)發(fā)生意外情況，并盡可能保證應(yīng)力及位移觀測(cè)的連續(xù)進(jìn)行，2#測(cè)區(qū)布置在1#測(cè)區(qū)前方50 m 左右，2#測(cè)區(qū)距離采集站位置350 m。7432 綜放工作面運(yùn)輸巷側(cè)向煤體應(yīng)力、煤體位移測(cè)區(qū)布置情況如圖2。

圖2 7432 工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力（位移）測(cè)區(qū)布置圖Fig.2 Lateral stress (displacement) measuring area layout of 7432 working face

1）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置。1#測(cè)區(qū)在巷道下幫布置6 個(gè)鉆孔，自煤壁向內(nèi)依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#、6#，鉆孔之間水平距離均為2 m，其開孔高度距底板0.5～1.5 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定），孔深依次為2、4、6、8、10、12 m；2#測(cè)區(qū)在巷道下幫布置4 個(gè)鉆孔，鉆孔自煤壁向內(nèi)依次編號(hào)為7#、8#、9#、10#，鉆孔之間水平距離均為3 m，開孔高度距底板0.5～1.5 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定），孔深依次為3、6、9、12 m。

2）位移測(cè)點(diǎn)布置。在1#和2#測(cè)區(qū)的兩側(cè)分別對(duì)稱布置2 臺(tái)4 測(cè)點(diǎn)圍巖移動(dòng)傳感器，開孔高度距底板0.5～1.5 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定），孔深為12 m。圍巖位移傳感器根據(jù)安裝時(shí)間的不同，將其依次編號(hào)為11#、12#、13#、14#，每臺(tái)圍巖移動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)（基點(diǎn)）相同，均為4 個(gè)，基點(diǎn)的深度分別為12、9、6、3 m。

3 工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力及變形量（位移）變化規(guī)律

由于具體地質(zhì)條件的復(fù)雜性，煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)及邊界條件很難準(zhǔn)確確定，采用理論分析、經(jīng)驗(yàn)類比或數(shù)值模擬等方法也很難準(zhǔn)確推斷工作面頂板劇烈運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間。必須根據(jù)具體工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力及變形的實(shí)測(cè)及分析，才能比較準(zhǔn)確地確定基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其劇烈運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定（回轉(zhuǎn)下沉觸矸）的時(shí)間，從而確定沿空巷道的合理滯后掘進(jìn)時(shí)間。

3.1 基本頂巖梁在工作面推進(jìn)過程中的動(dòng)態(tài)變化

以“上覆巖層運(yùn)動(dòng)”為核心的礦山壓力與巖層控制理論體系為指導(dǎo)，利用一束-多線-多點(diǎn)（應(yīng)力及變形）傳感器組成的紅外采集觀測(cè)系統(tǒng)，可將采煤工作面不同回采階段側(cè)向煤體變形值的動(dòng)態(tài)變化過程劃分為3 個(gè)發(fā)展階段：即超前支承壓力影響下的變形緩增階段、頂板劇烈運(yùn)動(dòng)影響下的急劇變形階段和采空區(qū)矸石壓實(shí)過程中的變形漸趨穩(wěn)定階段。側(cè)向煤體位移隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3?；卷攷r梁在工作面推采過程中的動(dòng)態(tài)變化特征如圖4。

1）變形緩增階段。當(dāng)距工作面較遠(yuǎn)，即在超前支承壓力影響范圍以外，工作面?zhèn)认蚣扒胺矫后w上均處于原巖應(yīng)力作用下（超前巷道因開挖打破了應(yīng)力平衡狀態(tài)，周圍煤體受開挖影響有所降低）。此時(shí)，因在工作面超前支承壓力影響范圍之外，煤體變形較小。當(dāng)工作面推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)受超前支承壓力影響范圍內(nèi)時(shí)，受超前支承壓力的影響，側(cè)向煤體內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力峰值。該階段覆巖運(yùn)動(dòng)較小，基本頂巖梁狀態(tài)仍較為穩(wěn)定，由于工作面跨度未達(dá)到基本頂巖梁的極限跨度，基本頂未出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象，如圖4（a）。

圖3 側(cè)向煤體位移隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Variation of lateral coal displacement with time

圖4 基本頂巖梁在工作面推采過程中的動(dòng)態(tài)變化特征Fig.4 Dynamic change characteristics of the basic roof beam in the face mining process

2）急劇變形階段。當(dāng)基本頂巖梁發(fā)展到其極限跨度，即基本頂巖梁端部的彎矩引起的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，在工作面前方基本頂巖梁產(chǎn)生斷裂。以斷裂線為界，將支承壓力分為內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)、外應(yīng)力場(chǎng)。此時(shí)雖然基本頂仍處于由煤壁支撐的暫時(shí)鉸接平衡狀態(tài)，但會(huì)出現(xiàn)漸進(jìn)的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)，所以煤體變形傳感器的變形值會(huì)出現(xiàn)較明顯增大。當(dāng)工作面推進(jìn)到斷裂線附近或推過后，基本頂巖梁將失去煤壁支撐，由煤壁支撐的暫時(shí)鉸接平衡被打破，從而發(fā)生劇烈的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)，靠近煤壁的測(cè)點(diǎn)由于基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉壓縮作用，煤體進(jìn)一步破碎，變形傳感器的變形值急劇增大。工作面推過前后，基本頂巖梁處于顯著運(yùn)動(dòng)階段，回轉(zhuǎn)下沉觸矸前，基本頂?shù)膭×疫\(yùn)動(dòng)引起工作面周圍煤巖體產(chǎn)生非常明顯的礦壓顯現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖4（b）。

3）變形漸趨穩(wěn)定階段。伴隨工作面持續(xù)推進(jìn)，基本頂巖梁出現(xiàn)回轉(zhuǎn)下沉觸矸現(xiàn)象。上覆巖梁剛觸矸時(shí)，由于直接頂垮落巖石相對(duì)比較松散破碎，基本頂巖梁觸矸后會(huì)將垮落的松散破碎矸石壓得更加緊密，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)向煤體產(chǎn)生較明顯的變形，所以此階段煤體變形傳感器的變形值仍會(huì)出現(xiàn)一定程度的增加。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，基本頂巖梁進(jìn)一步壓縮工作面后方的矸石，當(dāng)工作面推過測(cè)區(qū)一定距離時(shí)，基本頂巖梁已基本將矸石壓實(shí)，不再有明顯的運(yùn)動(dòng)，煤體變形傳感器的變形值也不再有明顯的變化，該階段基本頂巖梁的運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖4（c）。變形值趨穩(wěn)的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間（圖3 中的T 點(diǎn)）可作為沿空巷道合理掘巷時(shí)間的判據(jù)。

3.2 工作面基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)趨穩(wěn)的實(shí)測(cè)結(jié)果

鑒于現(xiàn)場(chǎng)條件異常復(fù)雜，7432 工作面的推進(jìn)速度不可能保持一致，故將工作面推進(jìn)距離與實(shí)際時(shí)間的關(guān)系繪制成圖，7432 工作面推采不同階段位置-時(shí)間關(guān)系如圖5。

觀測(cè)系統(tǒng)安裝完畢后即于2014 年8 月27 日開始監(jiān)測(cè)，因數(shù)據(jù)量較大，且考慮到部分測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律大致相同，故僅選取2#測(cè)區(qū)的7#（3 m）、8#（6 m）、9#（9 m）和10#（12 m）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)以及13#（基點(diǎn)深度依次為3、6、9、12 m）位移測(cè)點(diǎn)加以分析。不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力-距離、變形量-距離關(guān)系曲線如圖6。

圖6 中負(fù)值代表2#測(cè)區(qū)位于工作面前方，正值代表2#測(cè)區(qū)位于工作面后方。從各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力及變形量（位移）變化可以看出，當(dāng)工作面推過前40 m后各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力開始有明顯變化，工作面推過20 m后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力、位移均開始出現(xiàn)較快變化，推過90 m 后各點(diǎn)變化開始趨緩，直到采煤工作面推過測(cè)區(qū)后160 m，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力及煤體變形基本保持不變，這表明采空區(qū)基本頂巖梁運(yùn)動(dòng)結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定階段。從時(shí)間關(guān)系上看，2014 年9 月3 日工作面推進(jìn)至2#測(cè)區(qū)，工作面推過后160 m 的時(shí)間為2015 年1月1 日，前后共計(jì)120 d。但由于2014 年9 月25 日至2014 年10 月4 日停產(chǎn)9 d，2014 年11 月1 日至12 月20 日工作面遇大斷層，推進(jìn)較慢，故若按正常的工作面推進(jìn)速度為2.5 m/d，則采空區(qū)基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)2#測(cè)區(qū)滯后工作面的實(shí)際距離應(yīng)大于160 m，且達(dá)到300 m 以上。因此，7432 工作面采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定的滯后距離不小于300 m，時(shí)間不少于4 個(gè)月。

圖5 7432 工作面推采不同階段位置-時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Position - time relation diagram of working face at different stages of mining

圖6 不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力-距離、變形量-距離關(guān)系曲線Fig.6 Stress - distance and deformation - distance relationship curves of different measuring points

由于不同工作面煤層及頂?shù)装搴偷刭|(zhì)構(gòu)造條件不盡相同，工作面回采后基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間會(huì)有差異，同時(shí)IV1 采區(qū)大面積回采后，覆巖運(yùn)動(dòng)的范圍會(huì)加大，工作面基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)不同程度的延長，為安全起見，綜合確定IV1 采區(qū)相鄰區(qū)段沿空掘巷的合理滯后時(shí)間不少于5 個(gè)月，滯后工作面距離不小于300 m。

4 結(jié) 論

1）合理滯后掘巷時(shí)間的確定是使小煤柱沿空掘巷免受工作面劇烈采動(dòng)影響的關(guān)鍵。對(duì)工作面前后方（尤其是工作面后方）側(cè)向煤體支承壓力分布特征及變形變化規(guī)律進(jìn)行長時(shí)間紅外在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于準(zhǔn)確判斷確定具體工作面推過后基本頂運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)間并進(jìn)而確定沿空掘巷合理滯后時(shí)間具有重要指導(dǎo)意義。

2）判斷基本頂巖梁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須建立在全面掌握采場(chǎng)周圍支承壓力分布規(guī)律及側(cè)向煤體變形特征的基礎(chǔ)之上。煤體應(yīng)力及變形特征從側(cè)面較好地反映了基本頂巖梁由斷裂前的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)逐步發(fā)展為回轉(zhuǎn)下沉的劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、直至觸矸后的趨穩(wěn)狀態(tài)的全過程。由此，可將采煤工作面不同回采階段側(cè)向煤體變形值的動(dòng)態(tài)變化過程劃分為超前支承壓力影響下的變形緩增階段、頂板劇烈運(yùn)動(dòng)影響下的急劇變形階段和采空區(qū)矸石壓實(shí)過程中的變形趨穩(wěn)階段。

3）通過研制由一束-多線-多點(diǎn)（應(yīng)力及變形）傳感器組成的紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔莊煤礦Ⅳ1 采區(qū)7432 工作面運(yùn)輸巷側(cè)向煤體應(yīng)力及變形的長期在線監(jiān)測(cè)。基于對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的采集、存儲(chǔ)、處理及分析，綜合確定出Ⅳ1 采區(qū)相鄰區(qū)段沿空掘巷的合理滯后時(shí)間應(yīng)不少于上工作面回采后5 個(gè)月。