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，采場上覆巖層受采動影響而發(fā)生劇烈運動，下區(qū)段沿空巷道在掘進時需要充分考慮頂板運動的具體狀況。掘進時間過早，采場上覆巖層運動的影響較為明顯,圍巖變形嚴(yán)重,造成巷道維護困難等問題；掘進時間過晚，影響下一工作面的回采工作，拖延工期，降低礦井的經(jīng)濟效益。因此，確定合理的掘巷滯后時間是成功發(fā)揮沿空掘巷技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵。

確定合理的掘巷滯后時間需要建立在全面掌握工作面?zhèn)认蛎后w支承壓力動態(tài)分布規(guī)律以及基本頂運動特征的基礎(chǔ)之上。許多學(xué)者采用理論計算和數(shù)值模擬、甚至是經(jīng)驗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算公式，同時通過力學(xué)方法，研究了非充分采動階段支承壓力極大值與工作面推進距離的關(guān)系[11-12]。王書文等通過現(xiàn)場應(yīng)力及微震監(jiān)測，對采空區(qū)側(cè)向煤體垂直應(yīng)力在工作面推進方向和傾向上的階段性及區(qū)間性特征進行分析，基于實測數(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)律進行在線監(jiān)測，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)力計監(jiān)測了區(qū)段煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律[16-17]。樊勝強等采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對兗州礦區(qū)滯后工作面的支承壓力分布特征進行了研究[18]。雖然不少學(xué)者對工作面支承壓力分布特征開展了大量研究工作[19-20]，但對工作面?zhèn)认蛎后w支承壓力及基本頂運動發(fā)展過程的現(xiàn)場實測，尤其是對采空區(qū)后方側(cè)向煤體應(yīng)力及變形的大距離、長時間的滯后實測還相對較少。受實驗室條件的限制，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)測因采動引起的煤壁內(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的動態(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動穩(wěn)定的時間（即基本頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉觸矸的時間），從而為指導(dǎo)沿空掘巷合理的滯后時間提供科學(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?；卷?、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 觀測儀器及測區(qū)布置

2.1 觀測系統(tǒng)及方法

1）觀測系統(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，人員無法進入，因此傳統(tǒng)的監(jiān)測支承壓力的方法在該現(xiàn)場并不適用。為此，專門研制了一束-多線-多點（應(yīng)力及變形）傳感器，采用了實測工作面后方采空區(qū)頂板運動狀態(tài)的紅外采集觀測系統(tǒng)，包括：KTG12 礦用本安型光端機、GZY60W 礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器、GZY60H 鉆孔應(yīng)力計、GUD-240 圍巖移動傳感器、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 配套檢測軟件等。在進行觀測之前，需先于7432 工作面超前支承壓力影響范圍外的區(qū)域進行測區(qū)布置等工作，即在工作面回采巷道（運輸工作面）實體煤側(cè)鉆鑿不同深度的用于安裝鉆孔應(yīng)力計和圍巖移動傳感器的鉆孔，通過通訊電纜將測區(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、抗壓強度大，防腐蝕能力強的鎧裝電纜。另外，為防止工作面推過后頂板冒落矸石對線路的損壞，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)場施工為宜。最后，采用浮煤將其進行掩蓋。

2）觀測方法。傳感器每5 min 自動采集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 型圍巖移動傳感器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過通訊電纜將數(shù)據(jù)傳入KTG12 型光端機進行處理、存儲，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)傳入井上計算機進行軟件顯示、統(tǒng)計分析。

2.2 測區(qū)布置

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

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

1）應(yīng)力測點布置。1#測區(qū)在巷道下幫布置6 個鉆孔，自煤壁向內(nèi)依次編號為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)場具體情況確定），孔深依次為2、4、6、8、10、12 m；2#測區(qū)在巷道下幫布置4 個鉆孔，鉆孔自煤壁向內(nèi)依次編號為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)場具體情況確定），孔深依次為3、6、9、12 m。

2）位移測點布置。在1#和2#測區(qū)的兩側(cè)分別對稱布置2 臺4 測點圍巖移動傳感器，開孔高度距底板0.5～1.5 m（根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定），孔深為12 m。圍巖位移傳感器根據(jù)安裝時間的不同，將其依次編號為11#、12#、13#、14#，每臺圍巖移動傳感器測點數(shù)（基點）相同，均為4 個，基點的深度分別為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動穩(wěn)定的時間。必須根據(jù)具體工作面?zhèn)认蛎后w應(yīng)力及變形的實測及分析，才能比較準(zhǔn)確地確定基本頂?shù)倪\動狀態(tài)及其劇烈運動穩(wěn)定（回轉(zhuǎn)下沉觸矸）的時間，從而確定沿空巷道的合理滯后掘進時間。

3.1 基本頂巖梁在工作面推進過程中的動態(tài)變化

以“上覆巖層運動”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（應(yīng)力及變形）傳感器組成的紅外采集觀測系統(tǒng)，可將采煤工作面不同回采階段側(cè)向煤體變形值的動態(tài)變化過程劃分為3 個發(fā)展階段：即超前支承壓力影響下的變形緩增階段、頂板劇烈運動影響下的急劇變形階段和采空區(qū)矸石壓實過程中的變形漸趨穩(wěn)定階段。側(cè)向煤體位移隨時間的變化規(guī)律如圖3。基本頂巖梁在工作面推采過程中的動態(tài)變化特征如圖4。

1）變形緩增階段。當(dāng)距工作面較遠，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，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)工作面推進到測點受超前支承壓力影響范圍內(nèi)時，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。該階段覆巖運動較小，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、外應(yīng)力場。此時雖然基本頂仍處于由煤壁支撐的暫時鉸接平衡狀態(tài)，但會出現(xiàn)漸進的回轉(zhuǎn)下沉運動，所以煤體變形傳感器的變形值會出現(xiàn)較明顯增大。當(dāng)工作面推進到斷裂線附近或推過后，基本頂巖梁將失去煤壁支撐，由煤壁支撐的暫時鉸接平衡被打破，從而發(fā)生劇烈的回轉(zhuǎn)下沉運動，靠近煤壁的測點由于基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉壓縮作用，煤體進一步破碎，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動階段，回轉(zhuǎn)下沉觸矸前，基本頂?shù)膭×疫\動引起工作面周圍煤巖體產(chǎn)生非常明顯的礦壓顯現(xiàn)，運動形態(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，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，由于直接頂垮落巖石相對比較松散破碎，基本頂巖梁觸矸后會將垮落的松散破碎矸石壓得更加緊密，進而導(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出現(xiàn)一定程度的增加。隨著工作面的持續(xù)推進，基本頂巖梁進一步壓縮工作面后方的矸石，當(dāng)工作面推過測區(qū)一定距離時，基本頂巖梁已基本將矸石壓實，不再有明顯的運動，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動形態(tài)如圖4（c）。變形值趨穩(wěn)的拐點對應(yīng)的時間（圖3 中的T 點）可作為沿空巷道合理掘巷時間的判據(jù)。

3.2 工作面基本頂巖梁運動趨穩(wěn)的實測結(jié)果

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

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

圖6 中負值代表2#測區(qū)位于工作面前方，正值代表2#測區(qū)位于工作面后方。從各測點的應(yīng)力及變形量（位移）變化可以看出，當(dāng)工作面推過前40 m后各測點的應(yīng)力開始有明顯變化，工作面推過20 m后各測點應(yīng)力、位移均開始出現(xiàn)較快變化，推過90 m 后各點變化開始趨緩，直到采煤工作面推過測區(qū)后160 m，各測點的應(yīng)力及煤體變形基本保持不變，這表明采空區(qū)基本頂巖梁運動結(jié)束，進入穩(wěn)定階段。從時間關(guān)系上看，2014 年9 月3 日工作面推進至2#測區(qū)，工作面推過后160 m 的時間為2015 年1月1 日，前后共計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，推進較慢，故若按正常的工作面推進速度為2.5 m/d，則采空區(qū)基本頂運動穩(wěn)定時2#測區(qū)滯后工作面的實際距離應(yīng)大于160 m，且達到300 m 以上。因此，7432 工作面采空區(qū)頂板運動趨于穩(wěn)定的滯后距離不小于300 m，時間不少于4 個月。

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

圖6 不同測點應(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動穩(wěn)定的時間會有差異，同時IV1 采區(qū)大面積回采后，覆巖運動的范圍會加大，工作面基本頂運動穩(wěn)定的時間也會出現(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間不少于5 個月，滯后工作面距離不小于300 m。

4 結(jié) 論

1）合理滯后掘巷時間的確定是使小煤柱沿空掘巷免受工作面劇烈采動影響的關(guān)鍵。對工作面前后方（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)律進行長時間紅外在線監(jiān)測，對于準(zhǔn)確判斷確定具體工作面推過后基本頂運動穩(wěn)定的時間并進而確定沿空掘巷合理滯后時間具有重要指導(dǎo)意義。

2）判斷基本頂巖梁的運動狀態(tài)必須建立在全面掌握采場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穩(wěn)定狀態(tài)逐步發(fā)展為回轉(zhuǎn)下沉的劇烈運動狀態(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、頂板劇烈運動影響下的急劇變形階段和采空區(qū)矸石壓實過程中的變形趨穩(wěn)階段。

3）通過研制由一束-多線-多點（應(yīng)力及變形）傳感器組成的紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對孔莊煤礦Ⅳ1 采區(qū)7432 工作面運輸巷側(cè)向煤體應(yīng)力及變形的長期在線監(jiān)測?；趯ΡO(jiān)測結(jié)果的采集、存儲、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間應(yīng)不少于上工作面回采后5 個月。