淺埋深工作面覆巖應變特征及切頂災害預警方法研究

李正杰，徐 剛，任艷芳，張 震

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

近年來，淺埋深工作面液壓支架工作阻力不斷攀升，尤其是大采高工作面15000kN以上的液壓支架逐年增多，如上灣煤礦8.8m超大采高綜采支架工作阻力24000kN，曹家灘煤礦6m大采高綜放支架工作阻力21000kN等，我國首臺10m超大采高液壓支架ZY29000/45/100D型樣機也已面世，計劃在淺埋深礦井中投入使用。雖然液壓支架工作阻力增大，有效改善了以往淺埋深工作面壓架事故多發(fā)的狀況，但目前淺埋深工作面架前切頂事件依然多發(fā)，由此導致的壓架事故仍時有發(fā)生，如郝家梁煤礦“7·15”透水潰砂事故之前，7m大采高工作面頻繁發(fā)生架前切頂，18000kN的支架瞬時下縮量大；大梁灣煤礦大采高綜采面階段性發(fā)生架前切頂；石圪臺、榆家梁、楊伙盤等煤礦淺埋工作面近年均發(fā)生過切頂壓架。淺埋工作面切頂事故具有顯著的突發(fā)性，煤礦現(xiàn)有配備的頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)，往往預警相對滯后，給頂板災害防治預留時間不足。

在淺埋深工作面頂板災害防控方面，國內(nèi)很多學者[1-13]從淺埋煤層界定、關鍵層理論等多個方面開展了大量的理論和實踐研究，為淺埋煤層頂板災害機理認識和災害防治奠定了基礎。近年來，淺埋煤層研究也取得了一些新的進展，楊俊哲等[14]結(jié)合神東礦區(qū)淺埋煤層大量的高強度開采實踐，提出了頂板災害防控的新認識；黃慶享、宋桂軍等[15，16]提出了煤層群開采雙關鍵層結(jié)構(gòu)和協(xié)同承載的“主控層-軟弱層”組合結(jié)構(gòu)；尹希文[17]基于現(xiàn)場監(jiān)測應用初步實現(xiàn)了液壓支架載荷、循環(huán)末阻力以及頂板來壓步距的預測預報，預測精度86%以上；任艷芳、李正杰[18]揭示了淺埋深長壁采場切頂壓架災害發(fā)生過程中的時間序列問題。趙仕元[19]運用突變理論分析了覆巖結(jié)構(gòu)、巖性、載荷及支架剛度、來壓步距等因素對切落塌陷的影響機制。吳文達[20]針對淺埋煤層群上部遺留煤柱聯(lián)動失穩(wěn)壓架問題，提出了超深孔穿煤柱水壓致裂技術(shù)。研究成果多偏重于覆巖結(jié)構(gòu)、災害機理以及防治技術(shù)，在頂板災害監(jiān)測預警的時效性方面涉及較少。

鑒于淺埋深覆巖破斷的突發(fā)性以及工作面礦壓監(jiān)測系統(tǒng)事后性的特點，在以往淺埋煤層覆巖運移規(guī)律研究的基礎上，采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析和相似材料模擬方法，探索覆巖應變的發(fā)展過程及與切頂壓架災害的關系特點，提出淺埋工作面切頂壓架的應變預警方法，為淺埋煤層開采頂板災害的超前預警和及時防控提供一定的理論依據(jù)。

1 淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)特點

1.1 上灣礦淺埋8.8m超大采高綜采

上灣煤礦12401超大采高綜采面寬度為299.2m，推進長度為5254.8m，設計采高8.5m，煤層厚度為7.56～10.79m，平均9.16m。工作面埋深124～244m，其中，上覆松散層厚度0～27m，上覆基巖厚度120～220m。采用ZY26000/40/88D型兩柱掩護式液壓支架，支護強度為1.71～1.83MPa。

正常開采期間，距切眼300～440m對應工作面埋深為230～180m，超大采高綜采工作面表現(xiàn)出了典型的淺埋煤層開采特征，即工作面周期來壓與非來壓的礦山壓力對比顯著，如圖1所示。壓力與時間(F-T)曲線同樣具有明顯的對比性，非來壓期間增阻小，來壓時急增阻，支架壓力曲線呈典型的“尖峰”狀，增阻特征見表1。支架動載系數(shù)1.55～1.66，平均1.61，動載強烈；非來壓時支架增阻速率為-2.1～14.4kN/min，平均2.3kN/min，緩增阻；來壓期間增阻速率為12.4～139.6kN/min，平均62.2kN/min，急增阻，提高約27倍。

圖1 工作面正常開采期間支架壓力分布(300～440m)

表1 工作面動載系數(shù)和支架增阻速率統(tǒng)計

1.2 楊伙盤礦淺埋綜采

楊伙盤煤礦20104工作面回采2-2煤層，上覆基巖厚度為75～126m，松散層厚度0～75m。走向長度為2454m，工作面寬度為238m。煤層厚度2.3～2.5m，平均2.4m，近水平分布。直接頂為19.4m的細砂巖，基本頂為10.3m粉砂巖，直接底為1.6m的砂質(zhì)泥巖。工作面中部支架為ZY9500/16/30型兩柱掩護式液壓支架，支護強度1.03～1.07MPa。20104工作面在2019年4月1日至4月30日生產(chǎn)期間，受地表溝谷地形影響，多次發(fā)生切頂壓架事故，工作面壓力等值線應力分布如圖2所示，來壓與非來壓對比明顯，進出溝谷發(fā)生壓架之前，工作面壓力無異常，切頂后相應區(qū)域變?yōu)楦邞^(qū)。

圖2 20104工作面壓力等值線

20104工作面正常來壓間隔距離5.6～10.4m，平均7.8m；來壓持續(xù)長度1.6～5.6m，平均3.5m。切頂壓架具有突發(fā)性和瞬時性，切頂后工作面支架呈急增阻，動載強烈，動載系數(shù)1.5以上，大量安全閥開啟卸壓，短時間內(nèi)造成支架活柱無行程。4月27日切頂壓架過程中，支架增阻速率和安全閥開啟情況見表2，非來壓階段以微增阻為主，平均增阻速率4.9kN/min；在切頂壓架過程中，支架增阻速率為29.4～1388.2kN/min，平均增阻速率417.4kN/min，提高了約85倍，安全閥開啟比例達64.3%，支架受力不均衡比例為21.4%。

表2 20104工作面4月27日切頂壓架過程中支架增阻率和安全閥開啟統(tǒng)計

1.3 石圪臺礦淺埋大采高綜采

石圪臺煤礦31201綜采工作面為3-1煤二盤區(qū)首采工作面，工作面寬度311.4m，走向長度1865m，煤層厚度3.0～4.4m，平均3.9m，埋深103～137m，屬于典型淺埋深礦井。采用的綜采支架型號為ZY18000/25/45D，支架中心距2.05m，支護強度約1.52MPa。31201綜采工作面上部是2-2煤房采采空區(qū)，多處遺留有集中煤柱。2-2煤與3-1煤層間距為33～41m，2-2煤埋深67～101m。

31201工作面從初采至推進773m的過程中，經(jīng)歷了第一、第二段集中煤柱區(qū)，發(fā)生切頂壓架事故2次，工作面壓力等值線分布如圖3所示，來壓與非來壓區(qū)分明顯，壓架發(fā)生之前，工作面礦壓無顯著異常。10月19日推入第一段集中煤柱區(qū)下方36.4m時，工作面大面積來壓，40#-120#支架壓力均值達45MPa，其中，支架立柱在0.5h內(nèi)下縮量超過1m，造成局部支架被壓死。10月19日局部切頂壓架過程中，支架的增阻速率和安全閥開啟情況統(tǒng)計見表3。切頂來壓前正常割煤循環(huán)內(nèi)，典型支架的增阻速率平均為16.5kN/min，切頂發(fā)生時支架增阻速率平均634kN/min，提高了近39倍，最大達1678kN/min，表明破斷前頂板沒有發(fā)生顯著下沉變形，切頂破壞具有瞬時性、突發(fā)性；切頂后動載系數(shù)為1.62，動載異常強烈，壓架發(fā)生前安全閥頻繁開啟，開啟比例達65%。

表3 31201工作面局部切頂壓架過程中支架增阻速率及安全閥開啟統(tǒng)計

圖3 31201工作面155～309m范圍壓力等值線分布

1.4 淺埋工作面礦壓與頂板應變關系

根據(jù)上述多個典型淺埋深工作面礦壓特點分析，淺埋工作面礦壓的共性特征為動載系數(shù)大，來壓與非來壓區(qū)分明顯，非來壓時增阻速率小，來壓時增阻速率大。淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)特點反映了頂板破壞運動特征，即破斷前頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，下沉量小，覆巖應變小；破斷后頂板不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而突然急劇下沉，覆巖應變大。由于覆巖應變表征的是微小的位移變化，在反映到工作面礦壓顯現(xiàn)之前，需要一定程度的應變積累和疊加，從而突變引起大的位移，進而產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)。因此，應變具有靈敏性和超前性。

下面采用相似材料模擬方法開展淺埋煤層切頂時頂板應變特征的實驗室研究。

2 淺埋工作面覆巖應變特征試驗研究

2.1 實驗方案

表4 煤巖力學參數(shù)及相似材料配比(1∶50)

考慮邊界效應，實驗模型兩側(cè)各留400mm作為邊界，工作面有效推進長度為2200mm(對應實際推進距離110m)，切眼尺寸為156mm×80mm(對應7.8m×4m)，循環(huán)進度為16mm(對應0.8m)。采用非接觸全場應變測量系統(tǒng)對頂板巖層破壞特征進行采集分析。非接觸全場應變測量系統(tǒng)采用DIC(Digital Image Correlation)數(shù)字圖像相關技術(shù)，即一種通過圖像相關點進行對比的算法，通過該方法計算出物體表面位移及應變分布，經(jīng)運算后3D全場應變數(shù)據(jù)分布采用圖形化顯示。該系統(tǒng)適合測量靜態(tài)和動態(tài)載荷下的三維變形，用于分析實際組件的變形和應變。

2.2 應變演化特征

初次來壓前，頂板上位巖層具有顯著的拉應變顯現(xiàn)，初次破斷沿著拉應變區(qū)發(fā)生，可見，彎拉變形造成了頂板的初次垮落。周期來壓前，頂板待垮區(qū)沒有明顯的縱向應變和垂向位移的變化，覆巖發(fā)生垮落瞬時，垮落區(qū)出現(xiàn)了拉壓應變，同時，破斷區(qū)上下巖層的垂向位移量基本一致，表明了淺埋煤層頂板破斷的整體性和剪切特性。覆巖縱向應變及垂向位移變化如圖4、圖5所示。

圖5 覆巖垂向位移分布

取距煤層頂部10cm、50cm、100cm三處水平線上均勻分布的測點60組，提取每一次開挖前后測點的應變數(shù)值，其中，10cm即頂板上方5m，代表直接頂；50cm即頂板上方25m，代表基本頂；100cm即頂板上方50m，代表上部基巖層。覆巖縱向應變與推進度的關系曲線如圖6所示，隨著工作面推進，直接頂隨采隨冒，其應變曲線在采空區(qū)后方發(fā)生突增；覆巖發(fā)生切頂之前，上位基巖層及基本頂同步突增，切頂后，上位基巖層應變急劇下降。工作面推進至84m切頂前和切頂后，代表直接頂、基本頂和上位基巖層運動屬性的三條測線應變特征如圖7所示。初次來壓期間，直接頂和基本頂應變曲線變化特征一致，上位基巖層未受到波及，應變保持恒定；歷次周期來壓相應層位應變曲線特征相似，直接頂首先垮落，應變小幅度波動后保持穩(wěn)定；切頂破斷至地表時，基本頂及上位巖層應變同步突變，呈現(xiàn)出“尖峰”狀。

圖6 三條測線上的40號測點應變隨工作面推進的變化曲線

圖7 推進至84m切頂前后模型走向應變特征

由此可見，覆巖應變能夠有效反映出工作面每一次的頂板運動，與工作面來壓一一對應，且在切頂之前具有應變突變特點，因此，可通過應變來表征頂板異常來壓。

3 基于覆巖應變的淺埋工作面切頂預警方法

針對淺埋煤層采場頂板運動-來壓突變性特點，利用監(jiān)測覆巖應變的方法，提前在特定頂板層位設置應變監(jiān)測儀器，通過實時反饋的應變特征，可提前掌握工作面初次來壓、周期來壓和巖層運動的動向，從而起到超前預警的作用。

光纖應變是其單位長度的變形量，BOTDR為現(xiàn)場應變監(jiān)測主要用到的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)單端測試，即傳感光纖破斷，斷點之前長度的光纖應變不受斷點影響，具有長距離(80km)、高分辨率(1m)的優(yōu)點[21]。在工作面回采巷向頂板施工鉆孔，借助PVC管，在鉆孔內(nèi)注漿埋設傳感光纜，隨工作面采動覆巖變形運動的BOTDR進行實時監(jiān)測。光纖與所埋設的巖層耦合協(xié)調(diào)變形，可以根據(jù)光纖應變的變化進行巖層運動狀態(tài)反演[22]：當巖層破裂產(chǎn)生大量微小裂縫時，光纖受拉伸作用產(chǎn)生拉應變，應變與裂紋大小成正比；當巖層離層時，離層位置光纖出現(xiàn)應變峰值；當巖層垮落時，若垮落位置光纖破斷，則相應的光纖應變信號消失。

以曹家灘煤礦122108工作面為研究對象，采用鋼絞線光纜作為主要測試光纜，定點光纜作為備用光纜，采用鉆孔注漿布設方式植入覆巖層內(nèi)，鉆孔仰角45°、直徑60mm，長度70m，設計監(jiān)測方案如圖8所示。在超前應力影響范圍之外進行BOTDR應變初始化測量，當處于應力影響范圍內(nèi)時進行密集采集，可根據(jù)不同層位的應變值的突變變化，實現(xiàn)對切頂和工作面來壓的超前預警。實驗室中的監(jiān)測效果如圖9所示。

圖8 覆巖應變分布式光纖監(jiān)測方案(m)

圖9 頂板不同層位光纖測點應變曲線

4 結(jié) 論

1)分析了3個典型淺埋深工作面的礦壓規(guī)律特點，即來壓與非來壓區(qū)分明顯，來壓時增阻大，認為淺埋工作面頂板破斷前穩(wěn)定，下沉量小，覆巖應變小；破斷后頂板不易形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)從而急劇下沉，覆巖應變大。

2)采用非接觸全場應變測量系統(tǒng)開展了淺埋煤層覆巖運動的相似材料模擬，得出淺埋工作面覆巖應變有效反映頂板破壞與運動特征，可通過覆巖應變實現(xiàn)異常來壓的超前預警。

3)提出了采用分布式光纖技術(shù)進行淺埋工作面頂板災害預警方法，為淺埋工作面頂板安全管理提供一種實用方法。