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(xué)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(jī)也已面世，計(jì)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(dǎo)致的壓架事故仍時(shí)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(shí)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(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，往往預(yù)警相對滯后，給頂板災(zāi)害防治預(yù)留時(shí)間不足。

在淺埋深工作面頂板災(zāi)害防控方面，國內(nèi)很多學(xué)者[1-13]從淺埋煤層界定、關(guān)鍵層理論等多個方面開展了大量的理論和實(shí)踐研究，為淺埋煤層頂板災(zāi)害機(jī)理認(rèn)識和災(zāi)害防治奠定了基礎(chǔ)。近年來，淺埋煤層研究也取得了一些新的進(jìn)展，楊俊哲等[14]結(jié)合神東礦區(qū)淺埋煤層大量的高強(qiáng)度開采實(shí)踐，提出了頂板災(zāi)害防控的新認(rèn)識；黃慶享、宋桂軍等[15，16]提出了煤層群開采雙關(guān)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(yīng)用初步實(shí)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(yù)測預(yù)報(bào)，預(yù)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(zāi)害發(fā)生過程中的時(shí)間序列問題。趙仕元[19]運(yùn)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(jī)制。吳文達(dá)[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(zāi)害機(jī)理以及防治技術(shù)，在頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的時(shí)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(diǎn)，在以往淺埋煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析和相似材料模擬方法，探索覆巖應(yīng)變的發(fā)展過程及與切頂壓架災(zāi)害的關(guān)系特點(diǎn)，提出淺埋工作面切頂壓架的應(yīng)變預(yù)警方法，為淺埋煤層開采頂板災(zāi)害的超前預(yù)警和及時(shí)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(diǎn)

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(jìn)長度為5254.8m，設(shè)計(jì)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(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度為1.71～1.83MPa。

正常開采期間，距切眼300～440m對應(yīng)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(shí)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(shí)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(qiáng)烈；非來壓時(shí)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(jì)

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(xì)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(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)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(yīng)力分布如圖2所示，來壓與非來壓對比明顯，進(jìn)出溝谷發(fā)生壓架之前，工作面壓力無異常，切頂后相應(yīng)區(qū)域變?yōu)楦邞?yīng)力區(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(shí)性，切頂后工作面支架呈急增阻，動載強(qiáng)烈，動載系數(shù)1.5以上，大量安全閥開啟卸壓，短時(shí)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(dá)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(jì)

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(hù)強(qiáng)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(jìn)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(shí)，工作面大面積來壓，40#-120#支架壓力均值達(dá)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(jì)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(shí)支架增阻速率平均634kN/min，提高了近39倍，最大達(dá)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(shí)性、突發(fā)性；切頂后動載系數(shù)為1.62，動載異常強(qiáng)烈，壓架發(fā)生前安全閥頻繁開啟，開啟比例達(dá)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(jì)

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(yīng)變關(guān)系

根據(jù)上述多個典型淺埋深工作面礦壓特點(diǎn)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(shí)增阻速率小，來壓時(shí)增阻速率大。淺埋工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)反映了頂板破壞運(yùn)動特征，即破斷前頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，下沉量小，覆巖應(yīng)變?。黄茢嗪箜敯宀灰仔纬煞€(wěn)定結(jié)構(gòu)而突然急劇下沉，覆巖應(yīng)變大。由于覆巖應(yīng)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(yīng)變積累和疊加，從而突變引起大的位移，進(jìn)而產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)。因此，應(yīng)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(shí)頂板應(yīng)變特征的實(shí)驗(yàn)室研究。

2 淺埋工作面覆巖應(yīng)變特征試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

表4 煤巖力學(xué)參數(shù)及相似材料配比(1∶50)

考慮邊界效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢蓚?cè)各留400mm作為邊界，工作面有效推進(jìn)長度為2200mm(對應(yīng)實(shí)際推進(jìn)距離110m)，切眼尺寸為156mm×80mm(對應(yīng)7.8m×4m)，循環(huán)進(jìn)度為16mm(對應(yīng)0.8m)。采用非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對頂板巖層破壞特征進(jìn)行采集分析。非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)采用DIC(Digital Image Correlation)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，即一種通過圖像相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行對比的算法，通過該方法計(jì)算出物體表面位移及應(yīng)變分布，經(jīng)運(yùn)算后3D全場應(yīng)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(shí)際組件的變形和應(yīng)變。

2.2 應(yīng)變演化特征

初次來壓前，頂板上位巖層具有顯著的拉應(yīng)變顯現(xiàn)，初次破斷沿著拉應(yīng)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(yīng)變和垂向位移的變化，覆巖發(fā)生垮落瞬時(shí)，垮落區(qū)出現(xiàn)了拉壓應(yīng)變，同時(shí)，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(yīng)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(diǎn)60組，提取每一次開挖前后測點(diǎn)的應(yīng)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(yīng)變與推進(jìn)度的關(guān)系曲線如圖6所示，隨著工作面推進(jìn)，直接頂隨采隨冒，其應(yīng)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(yīng)變急劇下降。工作面推進(jìn)至84m切頂前和切頂后，代表直接頂、基本頂和上位基巖層運(yùn)動屬性的三條測線應(yīng)變特征如圖7所示。初次來壓期間，直接頂和基本頂應(yīng)變曲線變化特征一致，上位基巖層未受到波及，應(yīng)變保持恒定；歷次周期來壓相應(yīng)層位應(yīng)變曲線特征相似，直接頂首先垮落，應(yīng)變小幅度波動后保持穩(wěn)定；切頂破斷至地表時(shí)，基本頂及上位巖層應(yīng)變同步突變，呈現(xiàn)出“尖峰”狀。

圖6 三條測線上的40號測點(diǎn)應(yīng)變隨工作面推進(jìn)的變化曲線

圖7 推進(jìn)至84m切頂前后模型走向應(yīng)變特征

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

3 基于覆巖應(yīng)變的淺埋工作面切頂預(yù)警方法

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

光纖應(yīng)變是其單位長度的變形量，BOTDR為現(xiàn)場應(yīng)變監(jiān)測主要用到的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)單端測試，即傳感光纖破斷，斷點(diǎn)之前長度的光纖應(yīng)變不受斷點(diǎn)影響，具有長距離(80km)、高分辨率(1m)的優(yōu)點(diǎn)[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(shè)傳感光纜，隨工作面采動覆巖變形運(yùn)動的BOTDR進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。光纖與所埋設(shè)的巖層耦合協(xié)調(diào)變形，可以根據(jù)光纖應(yīng)變的變化進(jìn)行巖層運(yùn)動狀態(tài)反演[22]：當(dāng)巖層破裂產(chǎn)生大量微小裂縫時(shí)，光纖受拉伸作用產(chǎn)生拉應(yīng)變，應(yīng)變與裂紋大小成正比；當(dāng)巖層離層時(shí)，離層位置光纖出現(xiàn)應(yīng)變峰值；當(dāng)巖層垮落時(shí)，若垮落位置光纖破斷，則相應(yīng)的光纖應(yīng)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(diǎn)光纜作為備用光纜，采用鉆孔注漿布設(shè)方式植入覆巖層內(nèi)，鉆孔仰角45°、直徑60mm，長度70m，設(shè)計(jì)監(jiān)測方案如圖8所示。在超前應(yīng)力影響范圍之外進(jìn)行BOTDR應(yīng)變初始化測量，當(dāng)處于應(yīng)力影響范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行密集采集，可根據(jù)不同層位的應(yīng)變值的突變變化，實(shí)現(xiàn)對切頂和工作面來壓的超前預(yù)警。實(shí)驗(yàn)室中的監(jiān)測效果如圖9所示。

圖8 覆巖應(yīng)變分布式光纖監(jiān)測方案(m)

圖9 頂板不同層位光纖測點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)，即來壓與非來壓區(qū)分明顯，來壓時(shí)增阻大，認(rèn)為淺埋工作面頂板破斷前穩(wěn)定，下沉量小，覆巖應(yīng)變??；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(yīng)變大。

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

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