基于應力監測系統的工作面終采線確定方法研究

劉偉建，劉 曄，潘貴豪

(1.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.云南省交通投資建設集團有限公司，云南 昆明 650228；3.新興鑄管集團資源投資發展有限公司，北京 100020)

隨著煤礦技術的發展，沖擊地壓的防治技術有了進一步的發展與完善[1-6]，但忽視了許多隱蔽性沖擊危險因素，其中下山巷道的蠕變沖擊[7-10]就沒有引起足夠的重視。巷道蠕變是一個持續緩慢的過程，隨著時間的變化往往忽略了這種因素，但在其他因素的聯合作用下會突然誘發沖擊地壓，造成嚴重災害。回采過程中采動產生的超前支承壓力作用在下山巷道上而引起的沖擊就是該類災害的典型情況。因此，在盡量不浪費資源的前提下，如何確定終采線位置，保證回采工作面超前支承壓力對下山巷道影響，保護下山巷道的安全，對礦山安全生產及礦山效益都有著重要意義。本文主要是根據蠕變的基本原理和性質，探索巷道蠕變沖擊的基本機理，提出微震監測系統及應力監測系統分析超前支承應力的方法，并結合礦井數據合理劃分實際終采線，保護下山巷道的安全。

1 蠕變型巷道沖擊機理

1.1 蠕變基本原理

蠕變是指巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時間逐漸增大的性質[11]。巖石蠕變是一種十分普遍的現象，在天然斜坡、人工邊坡和地下洞室中都可以直接觀測到。在巖塊試件上施加恒定荷載時，可得到典型蠕變曲線如圖1所示。在加載的瞬間，巖塊產生一瞬時應變(OA段)，隨后便產生連續不斷的蠕變變形。根據蠕變曲線的特征，可將巖石蠕變劃分為三個階段[11]：第Ⅰ階段，初始蠕變階段(AB段)或稱減速蠕變階段，曲線呈下凹型，應變最初隨時間增大較快，但其應變率隨時間迅速遞減，到B點達到最小值；第Ⅱ階段，等速蠕變階段(BC段)或稱穩定蠕變階段，曲線呈近似直線，即應變隨時間近似等速增加，直到C點；第Ⅲ階段，加速蠕變階段(CD段)，蠕變加速發展直至巖塊破壞(D點)。

圖1 蠕變曲線

以上典型蠕變曲線的形狀及某個蠕變階段所持續的時間，受巖石類型、荷載大小及溫度等因素的影響而不同。如同一種巖石，荷載越大，第Ⅱ階段蠕變的持續時間越短，試件越容易蠕變破壞。而荷載較小時，則可能僅出現第Ⅰ階段或第Ⅰ階段、第Ⅱ階段蠕變。

1.2 巷道蠕變沖擊原理

巷道蠕變沖擊的基本原理是，在服務年限長且有沖擊傾向性的煤層巷道或巖石巷道，在其正常蠕變過程中，由于開采影響產生的動壓，突然使作用在巷道上的載荷增加，促使蠕變過程加速，煤層或巖石突然破壞。在高應力載荷作用下，誘發煤層或巖石突然發生沖擊。其基本原理圖如圖2所示。

圖2 巷道蠕變沖擊曲線

巷道開挖形成后，巷道圍巖進入初始蠕變階段(AB段)，應變先隨時間增大較快，但其應變率隨時間迅速遞減，到B點達到最小值。隨著時間的推移巷道圍巖進入穩定蠕變階段(BC段)。此過程是持續時間相對較長的階段，在這段過程中，由于開采的影響，采場超前支承壓力影響到巷道圍巖，巷道穩定蠕變階段會突然結束直接進入加速蠕變階段(C′D′段)。蠕變加速發展直至巖塊破壞(D′點)。在持續高應力作用下，有沖擊傾向性的巖石或煤層會突然破壞，發生沖擊現象，形成沖擊地壓。

因此，為避免蠕變型巷道沖擊，確定合理的終采線位置十分重要，合理的終采線可以有效的減少采動影響對下山巷道的破壞，防止下山發生蠕變型巷道沖擊。

2 應力在線系統確定工作面終采線方法

應力在線監測系統[12，13]可以實時分析超前應力影響范圍及發展趨勢。具體方法主要是：通過在開采過程中，分析超前應力開始增長或達到一定應力值時測點距工作面距離，推測超前應力分布范圍、重點影響范圍及其發展規律。根據應力值升高大小、速度和組數，可推測危險區范圍和程度，從而確定終采線的位置保證安全回采。

利用應力在線監測系統確定超前影響范圍的方法如圖3所示，當應力計曲線開始出現增長時，此時應力增長點對應的時間t1為此應力計位置應力開始增長的時間，在工作面回采平面圖中找到t1時間對應的采位，量取t1采位至應力計直接的距離d1，即為超前應力影響范圍。同理，當應力計應力增長了Δσ時，此時對應的時間t2為此應力計位置應力變化Δσ時的時間，同樣在工作面回采平面圖中找到t2時間對應的采位，量取t2采位至應力計位置的距離d2，即為超前應力重點影響區域。根據d1、d2的值確定工作面超前影響的范圍及程度，從而確定回采工作面到下山的安全距離，即終采線的位置。其中，Δσ根據現場地質條件、支護措施等具體確定。

圖3 應力在線監測系統確定超前影響范圍的方法

3 現場應用

山東滕東生建煤礦3下109工作面2014年4月份開始回采，在經歷煤層自然發火災害、斷層、褶曲構造及巨厚礫巖斷裂等潛在誘發沖擊地壓災害后，截止到2015年6月7日為止，3下109工作面安全回采至設計工作面終采線160m。3下109工作面為高危工作面，壓力顯現較相鄰3下105、107工作面大，原有工業設計終采線不一定能保證下山的安全，因此，為確保3下109工作面安全回采及采區下山的安全，現根據應力在線系統及高精度微地震定位系統[14-16]數據分析確定實際終采線位置。

3.1 應力在線監測系統數據分析

在3下109工作面布置的應力在線監測系統每組監測點孔深為8m和14m，組間距在15m左右。2015年6月7日3下109工作面應力計安裝位置及工業終采線位置如圖4所示。

圖4 109工作面應力計及工業設計終采線位置圖

根據軌道巷應力在線監測數據可以看出，2015年3月3日第3組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為180m。4月10日第3組應力曲線升高2MPa(結合應力監測系統自身的敏感度，以及應力監測系統在該礦井前期使用過程中，當應力變化時，現場的煤粉鉆屑量、錨索應力值變化、現場巷道變形等情況確定的。因此，選用應力升高2MPa時認為此區域應力影響非常嚴重)，此時測點距工作面距離為120m。4月20日第4組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為120m。6月5日第4組應力曲線升高2MPa，此時測點距工作面距離為25m。(此時工作面開采位置正好受3下109工作面斷層應力以及工作面三次“見方”，應力較集中，且未向前轉移。因此，超前支承壓力影響范圍突然變小。)4月10日第5組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為150m。5月22日第5組應力曲線升高2MPa，此時測點距工作面距離為62m。4月7日第6組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為172m。5月16日第6組應力在線曲線升高2MPa，此時測點距工作面距離為90m。4月25日第7組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為152m。5月28日第7組應力在線曲線升高2MPa，此時測點距工作面距離為105m。4月30日第8組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為160m。5月25日第8組應力在線曲線升高2MPa，此時測點距工作面距離為108m。5月16日第10組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為136m，截止到6月7日為止應力值未升高2MPa。

根據運輸巷應力在線監測數據可以看出，4月10日第7組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為113m。5月25日第7組應力曲線增長2MPa，此時測點距工作面距離為30m；2月21日第8組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為220m。5月10日第8組應力曲線增長2MPa，此時測點距工作面距離為82m； 3月28日第10組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為190m。截止到目前為止(6月5日)應力值未升高2MPa；5月6日第1組應力曲線開始增長，此時測點距工作面距離為140m。截止到目前為止(6月5日)應力值未升高2MPa。

綜上所述，軌道巷超前應力分布影響范圍為120～180m，嚴重影響區域為工作面超前25～120m；運輸巷超前影響范圍為113～220m，嚴重影響區域為工作面超前30～82m。

3.2 高頻微震定位系統數據分析

2105年5月17至2015年6月7日微震事件“固定工作面”顯示圖如圖5所示，微震事件主要集中分布在距固定工作面130～200m范圍內。也就是說微震監測系統監測到巖層破裂范圍為130～200m，進而說明應力集中區域為距工作面130～200m左右，微震監測系統得到的數據較應力在線得到的數據較大10～20m左右，這是巖層破裂后應力轉移的滯后性。因此，微震監測系統分析工作面回采超前影響距離為130～200m。

圖5 微震事件“固定工作面”顯示圖

3.3 終采線位置

由以上數據分析可以得出，應力在線系統監測到工作面超前應力影響范圍為113～220m，嚴重影響區域為工作面超前25～120m(在地質條件影響下的最大嚴重影響區域的范圍)。為了確保安全，考慮下山的安全及資源不浪費的原則，根據應力在線監測分析數據，再結合微地震的數據，取距下山120m為實際終采線位置。工業設計終采線距采區下山最近距離為85m，為保證120m的安全距離，3下109工作面實際回采終采線較工業設計終采線提前35m。

4 結 論

1)通過介紹蠕變的基本性質，揭示了蠕變型巷道沖擊的機理，給出了應力在線系統分析超前支承壓力影響范圍的方法。

2)結合山東滕東生建煤礦工作面監測數據，應用應力在線監測系統分析超前支承壓力影響范圍，并確定了合理工作面實際終采線位置，該方法給類似條件下工作面終采線的確定提供了借鑒。