李洪彪，王 升，朱元廣

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦，河南 平頂山 467000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗，湖北 武漢 430071)

隨著淺部煤炭資源日漸枯竭，我國中東部地區(qū)煤礦大多已進入深部開采階段。進入深部后，高地應力環(huán)境下多煤層開采引起的應力場疊加效應加劇了煤礦深部煤與瓦斯突出、沖擊地壓及大變形失穩(wěn)等災害發(fā)生的風險，給深部煤炭資源的安全高效開采帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)[1-3]。

除本煤層開采工作面間的應力疊加外，多煤層開采引起的應力場疊加效應主要包含兩個方面，即上層煤開采對下層煤開采的影響和下層煤開采對上層煤開采的影響，其中前者產(chǎn)生的影響更為復雜。上部層煤開采后開始開采下部煤層時，由于上部巖層經(jīng)歷過劇烈破壞重構和大范圍應力調(diào)整，下部煤層再次開采時將再次激活上覆巖層應力調(diào)整，這將導致更大范圍巖層結構變形破壞和失穩(wěn)，從而引發(fā)煤炭資源開采中的各種災害問題。針對上述問題，張義順等[4]研究了上下煤層同采時，上下工作面之間的相互影響。孫玉寧等[5]采用現(xiàn)場觀測、相似模擬等實驗方法，研究了煤層群開采產(chǎn)生的復雜應力場和位移場對巷道穩(wěn)定性的影響，探討了采準巷道與工作面開采之間合理的時空關系及其巷道的合理布置方式。郭文兵等[6]應用相似理論和光彈性力學模擬實驗方法，對多煤層同采條件下采場圍巖應力場特點以及相互影響關系進行了研究，得出了多層煤開采時采場圍巖應力分布規(guī)律、應力集中系數(shù)及其相互之間的影響范圍和影響程度。張俊英[7]、張榮亮[8]等從礦壓顯現(xiàn)的時空關系及其相互作用規(guī)律出發(fā)，采用現(xiàn)場觀測、相似模擬等方法，研究了煤層群開采產(chǎn)生的復雜應力場和位移場對巷道穩(wěn)定性的影響?？傮w而言，現(xiàn)有研究主要集中在多應力場疊加作用下圍巖穩(wěn)定性理論分析、數(shù)值仿真以及物理試驗方面，而關于受上覆采空區(qū)影響的工作面圍巖應力分布規(guī)律現(xiàn)場測試方面的研究則相對較少。

受上覆丁5，6-22260工作面采空區(qū)影響，平煤股份六礦戊8-32020工作面巷道掘進過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，災害發(fā)生風險較高。本研究依托平煤股份六礦戊8-32020工作面，基于深部破碎軟弱圍巖的流變應力恢復法巖體應力測試技術，開展受上覆采空區(qū)影響的工作面巷道圍巖應力分布規(guī)律測試研究，掌握掘進工作面圍巖的應力分布特征和上覆采空區(qū)對掘進工作面圍巖應力的影響范圍，為后續(xù)工作面的采掘布置提供基礎數(shù)據(jù)。以期為國內(nèi)其它有類似條件的多煤層開采工作面布置提供參考。

1 工作面概況

平煤股份六礦開采緩傾斜近距離煤層群，井田內(nèi)主要可開采煤層為丁組煤、戊組煤，丁組煤與戊組煤的層間距為72.9m，鉆孔柱狀圖顯示丁組煤與戊組煤之間主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，含少量中、細粒砂巖。

丁5，6-22260工作面平均煤層厚度約4.2m，標高約-643m，埋深約820m，工作面煤層直接頂與直接底均為泥巖，已于2007年底完成回采，覆巖已基本穩(wěn)定。圍巖應力測試位置如圖1所示，戊8-32020工作面位于丁5，6-22260工作面下方，丁5，6-22260運輸巷與戊8-32020回風巷水平距離約66m，高差約100m。煤層厚度2.5～3.5m，平均3.0m，埋深超900m，工作面兩側均為未采動實體。戊8-32020工作面煤層直接頂與直接底均為砂質(zhì)泥巖，基本頂和基本底均為細粒砂巖。戊8-32020回風巷設計長度2600m，標高約-760m，埋深約923m，其在掘進過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，災害發(fā)生風險較高，因此圍巖應力測試地點也布置在該條巷道，測試位置距離巷道口約500m。

圖1 圍巖應力測試位置

2 流變應力恢復法軟巖應力測試技術

煤礦圍巖應力測試通常采用在鉆孔中預埋鉆孔應力計的方式來測試工作面回采或其它施工過程中圍巖的擾動應力變化值，但這種方式無法獲得圍巖擾動應力的絕對值，而且鉆孔應力計一般為單向壓力傳感，難以獲得圍巖三維應力變化特征。常見的地應力測試方法，如水壓致裂法[9，10]和套芯應力解除法[11，12]也可用于圍巖的擾動應力測試，而且測試結果是圍巖擾動應力的絕對值。然而，由于煤礦深部圍巖結構軟弱破碎、強度低[2]，這兩種方法很難成功實施。為此，劉泉聲等[13-17]基于煤礦深部軟巖的強流變特性，提出了煤礦深部軟巖的流變應力恢復法巖體應力測試技術，并通過儀器研制和軟件開發(fā)形成了成套技術系統(tǒng)。該方法假設[14]：在深部軟巖中鉆孔埋設三維應力傳感器，由于軟巖在高應力下的強流變性質(zhì)，傳感器的感知應力將逐漸上升并最終趨于穩(wěn)定，進而通過傳感器的感知應力來解算圍巖鉆孔前的初始應力或擾動應力演化，流變應力恢復法的技術原理如圖2所示[17，18]。平煤股份六礦戊8-32020工作面煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，在高應力條件下顯現(xiàn)出強流變特性，滿足流變應力恢復法巖體應力測試技術的應用條件，因此可用于受上覆采空區(qū)影響的工作面巷道圍巖應力分布規(guī)律的現(xiàn)場測試研究。

流變應力恢復法巖體應力測試儀器設備主要包括：光纖光柵式六向壓力傳感器、本質(zhì)安全型光纖光柵解調(diào)儀、傳感器安裝定向裝置以及配套的測試工具配件等。其中，光纖光柵式六向壓力傳感器包含6個獨立的壓力(正應力)傳感單元和1個溫度補償單元，傳感器量程為35MPa，測試精度1%。根據(jù)傳感器各傳感單元的測量方向，由式(1)可計算得到傳感器測得6個正應力σni(i=1～6)與三維應力狀態(tài)σij間的變化矩陣。本安型光纖光柵解調(diào)儀，主要用于巖體應力實測監(jiān)測，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過實時傳輸至監(jiān)控室，包含6個通道，波長解調(diào)范圍為1525～1565nm。安裝定向裝置由推送組件、定向組件以及固定組件組成。其中，定向組件上綁定三維電子羅盤，用于確定傳感器在鉆孔中的三維姿態(tài)，傳感器安裝到位后與固定組件分離，可重復使用。

圖2 流變應力恢復法的技術原理

流變應力恢復法巖體應力測試步驟包括：圍巖鉆孔、傳感器安裝、注漿回填和應力監(jiān)測。對于原巖應力測試，傳感器埋深度一般超3倍巷寬，對于擾動應力測試，需提前設計好傳感器的埋設間距，且傳感器間距應不小于1m。傳感器感應球頭直徑為63mm，建議測試鉆孔孔徑為90mm以上，若鉆孔極其軟弱破碎，建議110mm以上鉆孔，并在鉆孔后迅速安裝傳感器，以防鉆孔塌孔。傳感器安裝到位后，應采用具有膨脹性速凝水泥漿充填密實，以保證傳感器與圍巖緊密接觸。

3 圍巖應力測試方案

3.1 傳感器布置

圖3 戊8-32020回風巷圍巖應力測試傳感器布置

巷道開挖會引起周邊局部范圍圍巖應力重分布，因此為盡量避免這種影響，用于戊8-32020回風巷圍巖應力測試的傳感器均埋設在3倍巷寬以外，戊8-32020回風巷圍巖應力測試傳感器布置如圖3所示，在戊8-32020回風巷右?guī)停纯拷鼘嶓w煤一側，打20m深水平鉆孔，孔徑?94mm，埋設1個傳感器(1#)，傳感器實際埋設孔深18.5m，作為原巖應力參考點。在戊8-32020回風巷左幫，即靠近丁5，6-22260采空區(qū)一側，打一50m深水平鉆孔，孔徑?94mm，埋設4個傳感器，傳感器實際埋設孔深分別為43.0m(2#)、32.5m(3#)、27.0m(4#)和22.5m(5#)，作為擾動應力測點。

3.2 現(xiàn)場測試過程

為保證鉆孔成孔質(zhì)量并減少對孔壁煤體擾動，鉆孔采用風壓排渣。鉆孔完成后，根據(jù)流變應力恢復法軟巖應力測試步驟，立即開展了現(xiàn)場圍巖應力測試，具體過程如下。將傳感器與光纖光柵解調(diào)儀連接，檢查傳感器輸出波長及信號強度是否正常，記錄傳感器編號及相應傳感單元的初始波長；利用安裝定向裝置將傳感器依次推送至預設位置，并根據(jù)三維電子羅盤顯示記錄下傳感器在鉆孔中的三維姿態(tài)；待所有傳感器安裝到位后，利用注漿設備及硫鋁酸鹽水泥進行封孔注漿，使得傳感器與煤體孔壁緊密接觸；利用礦用本安直流電源給解調(diào)儀供電，并將傳感器與解調(diào)儀連接，再次檢查各通道傳感器輸出波長及信號強度是否正常，設置本次測試的數(shù)據(jù)保存頻率和名稱。

4 圍巖應力分布規(guī)律

4.1 流變應力恢復曲線

用于傳感器數(shù)據(jù)采集的光纖光柵解調(diào)儀數(shù)據(jù)采集頻率為1h/次，累計監(jiān)測時間32d。1#—5#傳感器溫度補償單元和各壓力傳感單元的初始波長見表1，監(jiān)測結束時各傳感單元最終穩(wěn)定波長值見表2。根據(jù)傳感器的波長變化值及傳感單元的出廠標定系數(shù)，通過式(2)計算確定傳感器各傳感單元的感知應力。

σni=kσi[(λi-λi0)-kT(λT-λT0)]

(2)

式中，σni(i=1，2，3，…，6)表示傳感器i號傳感單元的感知壓力，MPa；kσi表示傳感器i號傳感單元的標定系數(shù)，MPa/nm；λi和λi0分別表示i號傳感單元的實時波長和初始波長，nm；kT表示溫度變化對壓力傳感單元的影響，無量綱；λT和λT0分別表示傳感器溫度補償單元的實時波長和初始波長，nm。

表1 傳感器編號及各傳感單元初始波長

根據(jù)傳感器各傳感單元的波長變化、標定系數(shù)以及傳感器的嵌入效應系數(shù)，計算得到1#—5#測點傳感器各傳感單元感知的流變應力恢復曲線如圖4所示。由于水泥漿液固化過程中的收縮作用，傳感器在注漿后的短期內(nèi)出現(xiàn)應力先下降后上升的現(xiàn)象，待漿液完全凝固后應力逐漸上升，并最終趨于穩(wěn)定；巷道圍巖應力測點的應力恢復曲線與常規(guī)巖石流變應力性質(zhì)試驗曲線總體上保持一致，呈現(xiàn)出初期快速增長、中期緩慢增長并最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，表明本次流變應力恢復法圍巖應力測試數(shù)據(jù)準確可靠，可用于圍巖應力的計算分析；不同測試方向的壓力傳感單元其應力恢復曲線到達至穩(wěn)定的時間也存在一定差異，表明測試地點煤巖體力學性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性和非均質(zhì)特征。

表2 傳感器編號及各傳感單元最終穩(wěn)定波長

圖4 各應力測點的流變應力恢復曲線

4.2 結果分析

根據(jù)傳感器的流變應力恢復曲線，取值得到傳感器最終應力恢復值σni(i=1～6)，見表3。根據(jù)式(1)，即傳感器測得六個方向正應力與三維應力狀態(tài)間的變換關系，可以計算得到鉆孔局部坐標系下1#—5#測點處的三維應力狀態(tài)。

為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一與對比，一般將圍巖應力測試結果顯示在大地坐標系OXYZ下，大地坐標以Z軸向上，Y軸向北，X軸向東。見表4，給出了大地坐標系下1#—5#測點傳感器在鉆孔中埋設的三維姿態(tài)，包括方位角、傾角以及傳感器在鉆孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角。進而，通過坐標變換計算得到1#—5#測點在大地坐標系下的應力狀態(tài)，見表5。

已有地應力測試數(shù)據(jù)表明[18]，受鍋底山斷層影響，該礦區(qū)深部地層地應力場已構造應力為主，σH/σV平均值為1.82。但1#—5#測點的結果顯示自重應力Z方向應力水平顯著高于水平兩個方向的應力水平，表明受丁5，6-22260工作面采空區(qū)影響，戊8-32020回風巷圍巖應力水平由構造應力為主狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾貞橹鞯臓顟B(tài)。

表3 流變應力恢復曲線穩(wěn)定值

表4 大地坐標系下傳感器的三維埋設姿態(tài)

表5 大地坐標系下測點應力值 MPa

為詳細分析上覆采空區(qū)與掘進巷道斷面內(nèi)圍巖的應力分布，根據(jù)戊8-32020回風巷的方位角如圖6所示，將表5大地坐標系應力測試結果變換到巷道局部坐標系OX′Y′Z′下，見表6。其中，Z′軸為自重方向，Y′軸垂直巷道走向，X′軸與巷道走向平行。

表6 巷道局部坐標系下測點應力值 MPa

根據(jù)側壓力系數(shù)的定義，巷道局部坐標系下1#—5#測點的X′方向側壓力系數(shù)λX分別為：0.79、0.78、0.75、0.75、0.75，Y′方向側壓力系數(shù)λY分別為：0.65、0.64、0.62、0.62、0.62，表明測試區(qū)域應力以自重應力水平為主，但側壓力系數(shù)未隨測點位置改變發(fā)生明顯變化。

平煤股份六礦地質(zhì)鉆孔柱狀圖顯示測點處埋深約930m，假設上覆巖層的平均密度為2.3×103kg/m3，估算得到測點處垂直方向的原巖應力約21.39MPa，因此由丁5，6-22260工作面采空區(qū)影響引起的戊8-32020回風巷圍巖1#—5#測點垂直方向應力集中系數(shù)分別為：1.62、1.63、1.72、1.74、1.75，表明1#—5#測點均處于丁5，6-22260工作面采空區(qū)影響范圍之內(nèi)。

根據(jù)表6應力值和1#—5#測點位置，繪制戊8-32020回風巷圍巖各測點應力值與測點位置間的關系，如圖5所示。

圖5 巷道坐標系下測點應力值擬合曲線

5 結 論

1)戊8-32020回風巷圍巖應力狀態(tài)在一定程度上受到了丁5，6-22260工作面采空區(qū)影響，導致巷道垂直方向應力大于水平方向的應力。

2)巷道靠近采空區(qū)一側應力變化呈先上升后下降的趨勢，巷道遠離采空區(qū)一側應力呈下降趨勢，并且垂直方向的應力變化最為劇烈。

3)根據(jù)擬合曲線大約在巷道右?guī)?5m處，垂直應力接近于水平應力，可認為巷道受采空區(qū)影響可以忽略，即上覆采空區(qū)水平方向的影響范圍約146m。