煤炭開采與巖層控制的時(shí)間尺度分析

康 紅 普

( 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；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013 )

時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與變化的持續(xù)性、順序性的表現(xiàn)，包含時(shí)刻與時(shí)段2個(gè)概念。時(shí)間與某種變化有關(guān)，沒有變化，就沒有時(shí)間。時(shí)間尺度是完成某一過程所需時(shí)間的平均度量。一般情況下，過程演變?cè)铰瑫r(shí)間尺度越長。

時(shí)間是物理學(xué)中7個(gè)基本物理量之一，時(shí)間尺度在物理學(xué)研究中非常重要[1]。圖1為物理學(xué)研究對(duì)象的時(shí)間尺度[2]。人類能感受到的時(shí)間尺度一般從零點(diǎn)幾秒(10-1s )到幾十年( 109s )。我們賴以生存的地球年齡已有46億a( 1.45×1017s )，當(dāng)開展地球物質(zhì)組成與構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)、礦產(chǎn)資源形成與演化等地質(zhì)學(xué)研究時(shí)，常以萬年、百萬年的地質(zhì)時(shí)間尺度對(duì)地球發(fā)展年代進(jìn)行分段[3]。目前，宇宙的年齡約為137億a( 4.32×1017s )，涉及到地球起源、太陽系的形成及星系、宇宙的演化等問題，則屬于天文學(xué)的研究范圍，常以億年、十億年的宇宙時(shí)間尺度思考。物理學(xué)研究的另一個(gè)方向是極短時(shí)間的物質(zhì)與過程，代表性的分支是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子及其相互作用的粒子物理學(xué)，其中強(qiáng)相互作用的特征時(shí)間僅為10-23s[4]。目前物理學(xué)研究的最小時(shí)間尺度為普朗克時(shí)間，5.4×10-44s。上述物理學(xué)研究的時(shí)間尺度共跨61個(gè)量級(jí)。

圖1 物理學(xué)與采礦工程研究的時(shí)間尺度分布Fig.1 Temporal scale distribution of physics and mining engineering

煤炭開采與巖層控制是研究如何將煤炭資源從地下安全、高效、高回收率地采出，并盡量減少開采對(duì)生態(tài)環(huán)境損傷的學(xué)科。該學(xué)科的主要研究對(duì)象是煤炭及煤系地層，涉及煤炭的形成、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力場演化、煤炭資源分布及地質(zhì)條件、煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)、煤炭開采及巖層控制等多個(gè)方面，均與時(shí)間有關(guān)。目前研究的時(shí)間尺度見表1，從1016～10-7s，共跨23個(gè)量級(jí)。

表1 煤炭開采與巖層控制時(shí)間尺度Table 1 Temporal scales of coal mining and strata control

本文以時(shí)間為主線，介紹國內(nèi)外煤炭開發(fā)歷史，煤炭開采與巖層控制在不同時(shí)間尺度的主要研究內(nèi)容，煤炭開采參數(shù)的時(shí)間尺度，煤巖力學(xué)試驗(yàn)時(shí)間尺度，及煤巖破碎、變形與破壞的時(shí)間尺度，以期對(duì)煤炭開采與巖層控制技術(shù)研究在時(shí)間上有一總體了解。

1 成煤年代與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度

煤是埋藏在地下的古代植物，經(jīng)過漫長、極其復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化形成的固體可燃性有機(jī)巖。煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構(gòu)造密切相關(guān)[5-7]。煤炭在整個(gè)地質(zhì)年代中( 常以萬年、百萬年、億年為單位 )，主要有三大成煤期，見表2[8-9]。古生代的石炭紀(jì)( 距今3.54億～2.95億a )是第1個(gè)重要的成煤期，與后續(xù)的二疊紀(jì)( 距今2.95億～2.50億a )合并稱為石炭―二疊紀(jì)成煤期，該期的成煤植物主要是蕨類植物，煙煤和無煙煤為主要煤種；中生代的侏羅紀(jì)( 2.08億～1.37億a )為第2個(gè)重要成煤期，接下來的白堊紀(jì)( 1.37億～0.65億a )也有煤炭形成，該期成煤植物主要是裸子植物，主要煤種為褐煤和煙煤；新生代的古近紀(jì)和新近紀(jì)( 65~2.6 Ma )為第3個(gè)重要的成煤期，成煤植物主要是被子植物，煤種以褐煤為主，也存在年輕煙煤。可見，不同成煤期形成的煤種、煤的成分、煤化程度、煤的物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)等均有所不同。當(dāng)成煤環(huán)境溫度、壓力相近的情況下，經(jīng)歷的時(shí)間越長，煤化程度越高。由表2可知，成煤期的時(shí)間尺度為1013~1016s。從地質(zhì)年代的尺度，可分析研究時(shí)間對(duì)煤炭形成、演化過程的影響。

表2 中國成煤期及含煤地層分布Table 2 Distribution of coal-forming periods and coal bearing strata in China

構(gòu)造作用是控制成煤、煤層賦存與分布、煤盆地形成與演化的首要地質(zhì)因素。構(gòu)造作用不僅影響成煤過程中的成煤場所、物質(zhì)來源、煤化進(jìn)程、煤層分布等，而且在成煤期后形成的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造，會(huì)將煤盆地分割成不同形狀和大小的塊段，破壞煤盆地的完整性[10-12]。

中國大陸是由眾多較穩(wěn)定地塊和構(gòu)造活動(dòng)帶經(jīng)多次拼合而成的復(fù)合陸塊，板塊規(guī)模小，活動(dòng)帶密度大，且經(jīng)歷了漫長的多旋回、復(fù)合造山過程。中國大陸板塊特征決定其煤盆地的鮮明特色。與歐洲大陸、北美的含煤區(qū)相比，中國煤盆地類型多樣，后期改造強(qiáng)烈，煤層賦存狀況復(fù)雜。

一般情況下，成煤時(shí)代越早，煤層經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)越多，地質(zhì)條件越復(fù)雜。自古生代以來，我國大陸經(jīng)歷了4個(gè)主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)( 表2 )。不同時(shí)代、不同地域的地殼運(yùn)動(dòng)及其疊加作用對(duì)大地構(gòu)造演化的影響不同，導(dǎo)致不同成煤期、不同地域的煤盆地所受到的影響也有明顯的差異。

以華北地區(qū)的石炭—二疊紀(jì)煤盆地為例，經(jīng)歷了上述4個(gè)主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。已有的研究成果表明[13]：在海西運(yùn)動(dòng)期晚古生代，華北板塊相對(duì)比較穩(wěn)定，地層基本呈連續(xù)沉積，沒有明顯的構(gòu)造變形；印支運(yùn)動(dòng)期是華北晚古生代煤盆地開始強(qiáng)烈變形與破壞的時(shí)期，受華北板塊和揚(yáng)子板塊強(qiáng)烈碰撞的影響，出現(xiàn)東西向的褶曲及擠壓斷裂構(gòu)造；燕山運(yùn)動(dòng)期華北板塊主要表現(xiàn)為板塊內(nèi)部變形。在前期主要是陸內(nèi)的強(qiáng)烈擠壓變形，形成遠(yuǎn)離板塊邊緣的造山帶和相伴的褶曲—斷裂帶。在后期受到區(qū)域一定方向的伸展作用，板塊上一些原有的逆斷層逐步轉(zhuǎn)化為正斷層，并形成一系列斷陷盆地；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)與印支、燕山運(yùn)動(dòng)相比的影響較小，繼承了燕山運(yùn)動(dòng)后期弱擠壓應(yīng)力環(huán)境，并出現(xiàn)伸展斷陷構(gòu)造。在整個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，地質(zhì)構(gòu)造具有“多旋回”的演化特征。

相反，對(duì)于鄂爾多斯煤盆地中的侏羅紀(jì)煤系和內(nèi)蒙古東部的早白堊世煤系，成煤后所受的后期改造很小，基本保持了原型煤盆地的構(gòu)造特征。因此，煤系地層中地質(zhì)構(gòu)造少、煤層賦存穩(wěn)定、煤層結(jié)構(gòu)完整。

地應(yīng)力，特別是構(gòu)造應(yīng)力是煤田地質(zhì)構(gòu)造形成、變形、發(fā)展的根本驅(qū)動(dòng)力。因此，研究地質(zhì)構(gòu)造的演化，必須要研究構(gòu)造應(yīng)力場的分布特征與變化規(guī)律[14]。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力主要來源于大陸板塊邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)和板內(nèi)深部物質(zhì)活動(dòng)。古生代以來，我國大陸板塊經(jīng)歷了多期不同類型、不同方向及不同強(qiáng)度的區(qū)域應(yīng)力場作用[15]。圖2為我國大陸板塊主應(yīng)力跡線分布[16]。我國大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊的推擠，同時(shí)受到菲律賓板塊與西伯利亞板塊的約束，導(dǎo)致板塊發(fā)生擠壓變形，產(chǎn)生水平方向的擠壓應(yīng)力場。研究這些構(gòu)造應(yīng)力場的演化歷史對(duì)了解煤的形成、含煤地層賦存狀況與地質(zhì)構(gòu)造演化具有重要作用。

圖2 中國板塊主應(yīng)力跡線[16]Fig.2 Main stress trajectory in continental plates in China[16]

2 煤炭開采的發(fā)展歷史

2.1 國內(nèi)外煤炭開采歷史

( 1 ) 國內(nèi)煤炭開采歷史

表3為煤炭開發(fā)史上的一些重要事件。根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，在人類歷史上，中國古人最早發(fā)現(xiàn)和利用煤的時(shí)間可上溯到新石器時(shí)代晚期，距今約6 800 a[17-18]。根據(jù)歷史記載，我國煤炭開采始于西漢( 公元前202—公元8 )，當(dāng)時(shí)陜西、河南、河北、江西等地區(qū)的煤炭已得到不同程度的開采和利用。大規(guī)模開采和使用煤炭，始于宋朝( 960—1279 )，煤炭開采與利用技術(shù)得到快速發(fā)展，開采煤炭的地區(qū)也越來越多。經(jīng)歷了宋元時(shí)期，形成了以手工操作為基本特征的、比較完整的煤炭開采體系，到明清時(shí)期，煤炭開采技術(shù)在局部得到進(jìn)一步改善。明末宋應(yīng)星在《天工開物》中詳細(xì)記載了煤的種類及采煤技術(shù)，包括地質(zhì)、開拓、采煤、支護(hù)、通風(fēng)、提升以及瓦斯排放等，說明當(dāng)時(shí)采煤技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平。但總體來說，煤炭開采依舊停留在手工作業(yè)的水平上。

表3 煤炭開發(fā)若干歷史事件時(shí)間( 至2020年 )Table 3 Time table of some historic events in coal development( to 2020 )

我國近代煤礦誕生的主要標(biāo)志是引進(jìn)西方先進(jìn)的采煤技術(shù)與設(shè)備，即西法開采技術(shù)( 機(jī)器采煤 )，及以蒸汽為動(dòng)力的提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)及排水機(jī)等設(shè)備[19]。1876年開辦的臺(tái)灣基隆煤礦，1879年正式投產(chǎn)，是中國第1個(gè)采用機(jī)器開采的煤礦，是中國近代煤礦的先聲。1877年設(shè)立的開平礦務(wù)局，1881年投產(chǎn)，最高日產(chǎn)能力達(dá)2 000 t。基隆煤礦和開平煤礦在中國煤炭史上具有重要作用，帶動(dòng)了中國近代煤炭工業(yè)的興起。1912年，中國煤炭產(chǎn)量近900萬t。到1936年，全國煤炭產(chǎn)量達(dá)3 934萬t，其中煤炭年產(chǎn)量50萬t以上的煤礦有61個(gè)，60萬t以上的有10個(gè)煤礦，包括開灤、撫順、中興( 棗莊 )、井陘、本溪、西安、萍鄉(xiāng)等煤礦。到1949年全國煤炭產(chǎn)量為3 243萬t。

新中國成立后，黨和政府十分重視煤炭工業(yè)的發(fā)展，建設(shè)了大批新礦井，原煤產(chǎn)量飛速增長。特別是改革開放以來，煤炭工業(yè)發(fā)展取得了更為突出的成就，采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、通風(fēng)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平和生產(chǎn)集中化程度大幅提高，平均單產(chǎn)、工效增長很快，創(chuàng)造了許多新的世界紀(jì)錄。1989年我國煤炭產(chǎn)量突破10億t，達(dá)到世界第1；2013年，煤炭產(chǎn)量為39.7億t，達(dá)到歷史最高水平；之后煤炭產(chǎn)量有所下降，2018年以來又開始有所回升，2019年產(chǎn)量為38.5億t，70 a凈增118倍。

( 2 ) 國外煤炭開采歷史

在國際上，古羅馬在2 000多年前已開始用煤加熱。英國從13世紀(jì)起，開始在紐卡斯?fàn)栭_采煤炭。16世紀(jì)末到17世紀(jì)后期，英國的煤礦發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模。1700年，英國的煤炭產(chǎn)量達(dá)到270萬t。世界近代煤炭工業(yè)是從18世紀(jì)60年代英國產(chǎn)業(yè)革命開始的。1705 年英國人托馬斯·紐可曼( Thomas NEWCOMEN )發(fā)明了世界上第1臺(tái)大氣活塞式蒸汽機(jī)，1764年詹姆斯·瓦特( James WATT )對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行了重大改進(jìn)[20]。伴隨著蒸汽機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用，煤炭工業(yè)在世界范圍內(nèi)逐步建立起來，煤炭成為人類生產(chǎn)生活的主要能源，帶來了前所未有的巨大生產(chǎn)力，推動(dòng)了工業(yè)和整個(gè)人類文明史的跨越式發(fā)展。英國1815年的煤炭產(chǎn)量達(dá)2 300萬t，1861年超過5 000萬t，1913年達(dá)2.92億t。德國1850年的煤炭產(chǎn)量只有500萬t，1871年達(dá)到4 300萬t，1900年達(dá)到1.5億t。法國、比利時(shí)1900年的煤炭產(chǎn)量分別是3 300萬t、2 400萬t。美國1850年的煤炭產(chǎn)量僅為800萬t，到1900年達(dá)2.45億t，1913年達(dá)5.17億t，成為當(dāng)時(shí)世界最大的煤炭生產(chǎn)大國[21]。煤炭成為18世紀(jì)以來人類使用的主要能源之一。

第1次世界大戰(zhàn)前后，世界煤炭產(chǎn)量為13.2億t，達(dá)到一個(gè)高峰，占世界一次能源總產(chǎn)量的92.2%。從20世紀(jì)20年代開始，世界能源結(jié)構(gòu)逐漸由煤炭轉(zhuǎn)向石油和天然氣，煤炭產(chǎn)量增長緩慢，1950年的世界總產(chǎn)量為18.2億t。20世紀(jì)50年代后，煤炭在世界一次能源中的地位不斷下降，1966年被石油超過而退居第2位。以英國為例，1947年英國煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)國有化，1956年的煤炭產(chǎn)量為2.5億t，而到20世紀(jì)70年代，英國歷史上第1次開始大量進(jìn)口煤炭。1994年英國煤礦重歸私有化，1999年的煤炭產(chǎn)量下降到3 700萬t。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，英國、德國等發(fā)達(dá)國家的煤炭產(chǎn)量逐年下降。2015年英國關(guān)閉了最后一個(gè)井工煤礦，始于300多年前的煤炭井工開采告別歷史舞臺(tái)。德國于2018年也關(guān)閉了最后一座井工煤礦。美國、澳大利亞仍然是采煤大國，2019年的煤炭產(chǎn)量分別為6.39億t、5.06億t。2019年的世界煤炭總產(chǎn)量達(dá)到81.29億t，產(chǎn)量排名前十的國家為：中國、印度、美國、印尼、澳大利亞、俄羅斯、南非、德國、哈薩克斯坦和波蘭。2019年中國的煤炭產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的47.3%。

可見，在國外，以英國、德國為代表的發(fā)達(dá)國家煤炭工業(yè)經(jīng)歷了“起步—快速發(fā)展—鼎盛—發(fā)展放緩—逐步被其他能源替代—全部退出”的過程，歷時(shí)僅二三百年，這在人類發(fā)展史上是很短暫的。 以美國、澳大利亞為代表的發(fā)達(dá)國家，目前煤炭依然是一次能源的重要組成部分，但煤炭在整個(gè)能源中的占比不斷減少。如美國2008年的煤炭產(chǎn)量達(dá)10.63億t，到2019年下降了40%。2019年煤炭在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比重也降至27%。

2.2 煤炭開采技術(shù)發(fā)展歷史

井工煤礦開采技術(shù)經(jīng)歷了手工開采、爆破開采、普通機(jī)械化開采到綜合機(jī)械化開采的發(fā)展過程[22]；采煤工藝經(jīng)歷了巷式、柱式到壁式的發(fā)展過程；落煤方式經(jīng)歷了手工刨煤、爆破落煤、機(jī)械割煤、機(jī)械割煤+放頂煤的發(fā)展過程。

古代的煤炭開采一般用平硐、斜井或小立井方式，自然通風(fēng)、人工排水，用鎬刨煤，籮筐背煤，采煤與掘進(jìn)基本沒有區(qū)別，屬于手工開采。

隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明及應(yīng)用，使煤炭開采進(jìn)入機(jī)器開采時(shí)代。蒸汽為提升、通風(fēng)及排水提供動(dòng)力，后來又發(fā)明了蒸汽驅(qū)動(dòng)的圓盤式截煤機(jī)，大幅提升了生產(chǎn)效率。氣動(dòng)沖擊式鑿巖機(jī)、安全炸藥的發(fā)明及在煤礦的應(yīng)用，革新了煤礦開采與掘進(jìn)技術(shù)。

世界機(jī)械化采煤始于20世紀(jì)40年代。英國、德國、前蘇聯(lián)相繼研制出采煤機(jī)、刨煤機(jī)，使工作面落煤、裝煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化[23]。1954年，綜合機(jī)械化長壁開采技術(shù)在英國問世，是世界采煤史上的一次重大技術(shù)革命。隨后德國、前蘇聯(lián)、波蘭等國家進(jìn)行了綜采技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用。美國一直大量采用房柱式開采，在20世紀(jì)50年代從德國引進(jìn)綜合機(jī)械化長壁開采技術(shù)，70年代中期又從德國引進(jìn)掩護(hù)式液壓支架，使得長壁綜采技術(shù)得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用[24]。目前，綜采已成為世界主要產(chǎn)煤國家的主體采煤技術(shù)。

放頂煤開采技術(shù)起源于歐洲，早在20世紀(jì)40年代末50年代初，法國、前蘇聯(lián)等國家就開始試驗(yàn)應(yīng)用放頂煤開采技術(shù)[25]。1957年、1963年法國、前蘇聯(lián)研制出放頂煤液壓支架，并在井下試驗(yàn)成功，之后歐洲一些國家引進(jìn)和應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)。但是到20世紀(jì)80年代中期，由于各種原因，放頂煤開采技術(shù)逐漸萎縮，沒有得到推廣應(yīng)用。

如前所述，中國近代煤礦開采技術(shù)在19世紀(jì)70年代從西方國家引進(jìn)。之后，逐步形成了煤礦開拓、采煤系統(tǒng)，采煤與掘進(jìn)有了區(qū)別，出現(xiàn)殘柱式、高落式、灑砂充填等采煤法。礦井提升、通風(fēng)、排水等輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但采煤與掘進(jìn)工作面工藝過程仍然主要靠手工完成。1930—1931年，中興公司從德國引進(jìn)簸運(yùn)機(jī)和電動(dòng)割煤機(jī)，在100 m長的工作面進(jìn)行采煤，這是中國近代煤礦首次采用長壁式采煤法[19]。

新中國成立后，很多煤礦開展了采煤方法改革[26]。長壁開采方法得到推廣應(yīng)用，工作面落煤采用爆破技術(shù)，運(yùn)煤采用刮板輸送機(jī)，并使用機(jī)械回柱。為提高采煤機(jī)械化程度，從20世紀(jì)50年代開始，我國試驗(yàn)了截煤機(jī)掏槽、爆破落煤及裝煤工藝，采用過深截式聯(lián)合采煤機(jī)。1958年開始水力采煤技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用。到20世紀(jì)60年代，試驗(yàn)了淺截式采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)、配合金屬支柱及金屬鉸接頂梁，后來又研制出單體液壓支柱，實(shí)現(xiàn)了包括落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)的普通機(jī)械化采煤。

1970年11月，我國第1套綜采設(shè)備在大同煤峪口煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，標(biāo)志著我國煤炭開采技術(shù)進(jìn)入綜采時(shí)代[27]。1974、1977年分別引進(jìn)43、100套綜采設(shè)備，并進(jìn)行了大量后續(xù)自主研發(fā)。1984年4月沈陽蒲河煤礦進(jìn)行了第1個(gè)緩傾斜厚煤層綜放開采工作面井下工業(yè)試驗(yàn)[28]，隨后，綜采放頂煤開采技術(shù)逐步得到推廣應(yīng)用，煤炭產(chǎn)量與效益不斷提高。

進(jìn)入21世紀(jì)后，大采高、超大采高綜采，普通綜放、大采高綜放開采技術(shù)與裝備得到快速發(fā)展，工作面采高、煤炭產(chǎn)量不斷刷新世界紀(jì)錄。目前，一次采全高開采最大采高達(dá)8.6 m，工作面年生產(chǎn)能力突破1 500萬t[29]；大采高綜放開采技術(shù)在20 m特厚煤層得到成功應(yīng)用，工作面年產(chǎn)量突破1 000萬t[30]。

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了我國煤礦自動(dòng)化、智能化水平不斷提高[31]。2014年，黃陵一號(hào)煤礦研發(fā)出1.4～2.2 m中厚煤層自動(dòng)化成套裝備，開創(chuàng)了工作面“有人巡視、無人值守”的自動(dòng)化、智能化開采模式[32]。目前，很多煤礦開展了智能化開采的攻關(guān)研究與試驗(yàn)應(yīng)用，成為今后煤礦安全高效開采的主要發(fā)展方向。

縱觀世界2 000多年( 時(shí)間尺度1010s )的煤炭開采技術(shù)發(fā)展史，采煤技術(shù)的進(jìn)步不僅得益于對(duì)煤炭地質(zhì)條件的不斷了解，對(duì)采煤工藝的不斷探索，對(duì)礦山壓力規(guī)律的不斷認(rèn)識(shí)，也取決于開采裝備的進(jìn)步，與其他行業(yè)( 機(jī)械、電氣、材料、信息等 )的發(fā)展也有很大關(guān)系。特別是最近60多年( 時(shí)間尺度109s )來，煤炭開采技術(shù)與裝備的創(chuàng)新與變革，促進(jìn)了現(xiàn)代煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，為全球工業(yè)和社會(huì)發(fā)展奠定了能源基礎(chǔ)。但是，我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，在世界范圍內(nèi)，煤炭作為主體能源的鼎盛時(shí)期已經(jīng)過去，一些歐洲發(fā)達(dá)國家經(jīng)過二三個(gè)世紀(jì)的開采后已關(guān)閉井工煤礦，煤炭在能源消費(fèi)中所占的比重也逐漸下降。在新形勢下如何繼續(xù)做好煤炭開采與利用這篇大文章，值得我們深思。

3 煤炭開采工藝參數(shù)的時(shí)間尺度

井工煤礦開采是根據(jù)煤田分布，劃分成不同的礦區(qū)、礦井、水平、采區(qū)、區(qū)段進(jìn)行的，其時(shí)間尺度見表4。

表4 井工煤礦開采的時(shí)間尺度Table 4 Temporal scales for underground coal mining

礦區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃和開發(fā)一個(gè)煤田或其中的一部分，包括若干煤礦。礦區(qū)的范圍及年限一般根據(jù)煤炭資源規(guī)模、地質(zhì)與生產(chǎn)條件及地面設(shè)施等而定。一個(gè)礦區(qū)的開采年限一般為幾十年到二三百年。在國外，以德國魯爾礦區(qū)為例[33]，該礦區(qū)在14世紀(jì)初就開始煤炭開采活動(dòng)。進(jìn)入19世紀(jì)，蒸汽機(jī)的應(yīng)用有力促進(jìn)了煤炭開采的發(fā)展。1850年后煤礦更是飛速發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，煤炭開采帶來的一些問題逐漸暴露出來。2018年魯爾礦區(qū)關(guān)閉了最后一座煤礦，宣告該礦區(qū)250多年煤炭開采史的結(jié)束。

開平礦務(wù)局始建于1877年，是我國大陸最早的礦區(qū)，到現(xiàn)在已有143年的歷史，至今，開灤礦區(qū)仍然是我國的重要產(chǎn)煤基地。徐州利國礦務(wù)總局成立于1882年，1959年成立徐州礦務(wù)局，至今已有138年的歷史。淮南煤礦1897年建礦，1939年成立淮南煤礦股份有限公司，20世紀(jì)50年代成立淮南礦務(wù)局，至今已有123年的歷史。很多大型礦區(qū)是新中國成立后建設(shè)的，如陽泉( 1950年 )、西山( 1956年 )、新汶( 1956年 )、晉城( 1958年 )、潞安( 1959年 )、兗州( 1976年 )等礦區(qū)，已有40～70 a的歷史。改革開放以來，我國進(jìn)一步加大了現(xiàn)代化煤礦區(qū)的建設(shè)，最典型的是20世紀(jì)90年代建設(shè)的神東礦區(qū)，已成為我國乃至世界最大的煤炭生產(chǎn)基地。從上述分析可知，一個(gè)礦區(qū)開采年限的時(shí)間尺度為109s。

礦井是形成井工煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的井巷、硐室、裝備、地面建筑物和構(gòu)筑物的總稱。礦井的井田范圍大小、煤炭儲(chǔ)量、礦井生產(chǎn)能力和服務(wù)年限等是礦井的關(guān)鍵參數(shù)。表5為我國煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的各種井型礦井與開采水平設(shè)計(jì)服務(wù)年限[25]。從小型到特大型礦井，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為50～80 a，時(shí)間尺度為109s。近十幾年來，隨著煤礦產(chǎn)量的不斷提高，千萬噸礦井的大量出現(xiàn)，礦井的服務(wù)年限有減少的趨勢。

表5 不同井型礦井與開采水平設(shè)計(jì)服務(wù)年限[25]Table 5 Service periods of coal mines and mining level with various production capabilities[25]

礦井可根據(jù)井田內(nèi)可采煤層層數(shù)、煤層傾角、井田尺寸( 斜長和垂高 )等，設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)開采水平。開采水平的設(shè)計(jì)服務(wù)年限一般為礦井服務(wù)年限的1/3～1/2，對(duì)于大型礦井第1水平服務(wù)年限應(yīng)不低于30 a。

一個(gè)開采水平可分為若干采區(qū)進(jìn)行開采。一般有生產(chǎn)采區(qū)和接替采區(qū)。為了簡化生產(chǎn)系統(tǒng)，提高礦井集中生產(chǎn)水平，同時(shí)開采的采區(qū)不能過多。中小型礦井的同采采區(qū)應(yīng)為1～2個(gè)，大型、特大型礦井的同采采區(qū)可為2～4個(gè)。采區(qū)的服務(wù)年限一般為幾年至十幾年，時(shí)間尺度為107～108s。

一個(gè)采區(qū)又可劃分成若干區(qū)段回采。根據(jù)采區(qū)尺寸、煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造等合理布置采煤工作面進(jìn)行回采。工作面服務(wù)時(shí)間與煤層條件、工作面參數(shù)( 傾斜長度、推進(jìn)速度等 )、采煤工藝與裝備等多種因素有關(guān)，一般為幾個(gè)月到1～2 a，時(shí)間尺度為107s。

煤炭開采中的任何作業(yè)、工序均需要一定的時(shí)間完成，只是所用的時(shí)間不同而已。煤炭開采涉及的很多參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，見表6，時(shí)間尺度從毫秒( 10-3s )到年( 107s )。速度是常用參數(shù)，包括線速度與角速度。線速度包括采煤工作面推進(jìn)速度、掘進(jìn)進(jìn)尺、鉆孔進(jìn)尺等，常用的時(shí)間單位為年、月、日、班等；對(duì)于膠輪車等井下輔助運(yùn)輸設(shè)備，速度常以小時(shí)計(jì)量；對(duì)于采掘設(shè)備的行走速度，運(yùn)輸設(shè)備的帶速、鏈速等，常用的時(shí)間單位為分、秒；對(duì)于風(fēng)、水等流體的流速，多用單位m/s來描述。角速度用來評(píng)價(jià)物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，一般用轉(zhuǎn)速來描述，煤炭開采中用到很多轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，如采煤機(jī)截割滾筒、掘進(jìn)機(jī)截割部、鉆機(jī)、通風(fēng)機(jī)、泵及各種電機(jī)等，常用的單位為r/min。

表6 井工煤礦開采參數(shù)的時(shí)間尺度Table 6 Temporal scales for underground coal mining parameters

單位時(shí)間的產(chǎn)量、通過物質(zhì)的量也是煤礦生產(chǎn)中常用的參數(shù)，如煤礦的年、月、日產(chǎn)量，工作面的班產(chǎn)量。衡量刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備的能力常以小時(shí)、分為時(shí)間單位。評(píng)價(jià)通風(fēng)量、泵流量等參數(shù)，常以分、秒為單位。

以上分析了秒級(jí)及以上的時(shí)間尺度，在煤炭開采過程中，有些設(shè)備控制過程、工序的時(shí)間更短，可達(dá)到毫秒級(jí)。如在液壓支架上采用的電液控制系統(tǒng)，電磁先導(dǎo)閥的開啟響應(yīng)時(shí)間≤90 ms，復(fù)位時(shí)間≤120 ms，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間≤300 ms[34]。巖石爆破在煤礦應(yīng)用很多，其中毫秒爆破對(duì)雷管延期時(shí)差要求很嚴(yán)格。時(shí)差較短的為6～10 ms，一般為15～30 ms[35]。

與時(shí)間有關(guān)的另一個(gè)物理量是加速度( 線加速度和角加速度 )，用以描述速度變化的快慢。加速度對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)和制動(dòng)非常重要，很多設(shè)備要求能快速啟動(dòng)，提高效率；遇到危險(xiǎn)能立即制動(dòng)、停止，避免損失。同時(shí)，在設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)盡量保持平穩(wěn)，避免速度過大的變化。

4 煤巖力學(xué)試驗(yàn)的時(shí)間尺度

巖石力學(xué)試驗(yàn)是了解煤炭開采與巖層控制中遇到的煤巖物理力學(xué)性能及參數(shù)的重要方法。巖石力學(xué)試驗(yàn)按試驗(yàn)場所可分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與井下原位試驗(yàn)；按試驗(yàn)時(shí)間可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要用于鑿巖、爆破、振動(dòng)、抗震、巖爆、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象的研究[36-37]。應(yīng)變率是巖石動(dòng)力試驗(yàn)中的一個(gè)重要參數(shù)，一般情況下，應(yīng)變率越高，巖石的動(dòng)態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度及彈性模量越大。按照應(yīng)變率大小可將巖石力學(xué)試驗(yàn)劃分為蠕變、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及超動(dòng)態(tài)，如圖3所示[38-39]。一般認(rèn)為，常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)的應(yīng)變率為10-5～10-1s-1；流變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變率小于10-5s-1；巖石動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)變率為10-1～104s-1。從蠕變到動(dòng)態(tài)，巖樣的破壞時(shí)間可從數(shù)年( 108s )到幾微秒( 10-6s )。

圖3 巖石力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)變率及破壞時(shí)間分布Fig.3 Distribution of strain rates and damage periods in rock mechanics tests

4.1 常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)

任何巖石力學(xué)試驗(yàn)的完成都需要一定的時(shí)間。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)巖石力學(xué)試驗(yàn)，包括單軸、三軸壓縮、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)等，在國家有關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)及要求中，已明確了加載速度( 表7 )[40]，巖樣從開始加載到破壞的時(shí)間從十幾秒( 101s )到數(shù)分鐘( 102s )不等，三軸壓縮試驗(yàn)需要施加圍壓與軸向壓力，試驗(yàn)步驟較多，需要更長時(shí)間。

表7 常規(guī)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)試驗(yàn)加載速度與破壞時(shí)間Table 7 Loading rates and sample damage periods for common rock mechanical tests in laboratory

在煤礦沖擊地壓防治中，煤層沖擊傾向性鑒定是必要的基礎(chǔ)工作[41]。沖擊傾向性評(píng)價(jià)有3個(gè)指標(biāo)，其中之一是煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間。該時(shí)間可通過常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)得到，即煤樣從極限強(qiáng)度到完全破壞所經(jīng)歷的瞬態(tài)延續(xù)時(shí)間。有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[42]：>500 ms為無沖擊傾向，≤50 ms為強(qiáng)沖擊傾向，兩者之間為弱沖擊傾向。

4.2 巖石動(dòng)載試驗(yàn)

目前，國內(nèi)外有多種巖石動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法及設(shè)備[38]。其中，液壓、氣動(dòng)快速加載機(jī)，其應(yīng)變率可達(dá)10～20 s-1；霍普金森桿裝置可研究機(jī)械沖擊和爆破等問題，常用應(yīng)變率范圍為102～103s-1。國外的一些試驗(yàn)表明，當(dāng)應(yīng)變率在102s-1量級(jí)時(shí)，巖石的破壞時(shí)間為20～25 μs；對(duì)于應(yīng)變率要求達(dá)到104s-1以上的試驗(yàn)，一般采用爆轟加載的萊茵哈特彈技術(shù)，平板撞擊技術(shù)( 炸藥平面波發(fā)生器和輕氣炮 )，國外還使用電磁加速技術(shù)，加載時(shí)間可以從亞微秒到4～5 μs。可見，巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，最小的時(shí)間尺度可達(dá)到10-7s量級(jí)。

巖石的動(dòng)彈性模量、動(dòng)泊松比等參數(shù)可采用聲波試驗(yàn)，由測量縱波或橫波波速獲得。對(duì)于100 mm高的巖樣，假設(shè)巖塊中縱波波速為3 000 m/s，則縱波在巖樣中的傳播時(shí)間僅為33.3 μs。巖石聲波試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，時(shí)間測量精度應(yīng)達(dá)到0.1 μs。

4.3 巖石流變?cè)囼?yàn)

任何巖石變形均具有不同時(shí)間尺度的時(shí)效性，即流變性。如地殼在億萬年的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的變形，應(yīng)變率僅為10-14～10-16s-1[43]，而有些軟巖的應(yīng)變率可達(dá)10-4s-1。煤炭開采與巖層控制中遇到的煤巖體很多屬于軟巖，使煤巖流變性的研究更加重要。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是研究巖石流變特性的主要方法。試驗(yàn)研究的內(nèi)容主要包括[44]：蠕變，巖石在恒定應(yīng)力作用下變形隨時(shí)間增長的特性，如圖4( a )所示；松弛，巖石在恒定應(yīng)變條件下應(yīng)力隨時(shí)間不斷降低的特性；長期強(qiáng)度，巖體強(qiáng)度隨時(shí)間不斷降低，并趨近于穩(wěn)定的低限值( 圖4( b ) )；彈性后效和滯后效應(yīng)，前者指卸荷后巖石變形隨時(shí)間加長逐漸恢復(fù)的過程；后者為加荷過程中變形隨時(shí)間加長逐漸增長的過程。在上述4項(xiàng)內(nèi)容中，尤以巖石蠕變特性研究的最多。

圖4 巖石蠕變與長期強(qiáng)度曲線Fig.4 Curves of rock creep and long-term strength

巖石流變有一個(gè)下限，當(dāng)巖石所受應(yīng)力值達(dá)到或超過該下限值，才產(chǎn)生隨時(shí)間而增長的流變變形。典型的蠕變曲線分為3個(gè)階段( 圖4( a ) )：減速蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段。與時(shí)間相關(guān)的巖石總應(yīng)變[45]可表示為

式中，ε( t )為t時(shí)間的總應(yīng)變；ε0為瞬時(shí)應(yīng)變；ε1( t )，ε2( t )，ε3( t )分別為減速、穩(wěn)定、加速蠕變階段的應(yīng)變。

蠕變速率與巖石性質(zhì)及所施加的載荷大小有關(guān)，穩(wěn)定蠕變的應(yīng)變速率一般為10-6～10-10s-1，最大可達(dá)10-4s-1的量級(jí)。

根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)中試件的受力狀態(tài)，可將巖石蠕變?cè)囼?yàn)分為：單軸壓縮、三軸壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲及剪切蠕變?cè)囼?yàn)[46]。加載設(shè)備包括伺服試驗(yàn)機(jī)、砝碼杠桿式、彈簧式、油-氣儲(chǔ)能器式等設(shè)備。加載方式主要有2種：逐級(jí)增量加載方式和分級(jí)加卸載方式。前者逐級(jí)施加載荷，每級(jí)載荷巖石蠕變一定時(shí)間或達(dá)到穩(wěn)定后，再接著施加下一級(jí)載荷，直至試件破壞；后者是每級(jí)載荷巖石蠕變一定時(shí)間或達(dá)到穩(wěn)定后，卸載并觀測蠕變變形的恢復(fù)，然后再重新施加下一級(jí)荷載，直至試件破壞。無論是何種加載方式，每級(jí)載荷的加載時(shí)間和達(dá)到穩(wěn)定的判別是很重要的參數(shù)。根據(jù)巖石性質(zhì)及試驗(yàn)?zāi)康模虞d時(shí)間長短不等，從數(shù)小時(shí)到數(shù)月，有的甚至達(dá)幾十年，時(shí)間尺度范圍達(dá)103～109s。常用的加載時(shí)間為數(shù)小時(shí)、數(shù)天到數(shù)月。對(duì)于變形穩(wěn)定的判別，有些試驗(yàn)中將10 000 s內(nèi)變形量小于0.01 mm認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定。

煤是具有多相介質(zhì)的有機(jī)巖，常含瓦斯、水等流體，其組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)比巖石復(fù)雜得多[47]。除個(gè)別礦區(qū)的煤層以外，煤的強(qiáng)度與彈性模量相比巖石要小，會(huì)在較低的應(yīng)力下發(fā)生明顯變形，其流變行為與巖石有很大差異。煤樣流變?cè)囼?yàn)不像巖石材料那樣多，下面介紹2個(gè)試驗(yàn)。

山東某煤礦3號(hào)煤單軸抗壓強(qiáng)度為10.09 MPa。煤樣流變?cè)囼?yàn)加載過程[48]為：在同一試件上依次加載2～8 kN，共7級(jí)，級(jí)差為1 kN。每級(jí)加載時(shí)間2 h，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 s。試驗(yàn)表明：煤樣流變下限值為3.44 MPa；長期強(qiáng)度為3.86 MPa，其與單軸抗壓強(qiáng)度的比值，即流變系數(shù)僅為0.383，遠(yuǎn)低于一般巖石( 0.6～0.8 )。

華北某煤礦3號(hào)煤單軸抗壓強(qiáng)度為12.6 MPa。每塊煤樣流變?cè)囼?yàn)2個(gè)月，每5～7 d加載一次，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示[49]。可見，初期的3級(jí)加載引起的煤樣變形大，但蠕變不明顯；后續(xù)各級(jí)加載引起的煤樣變形較小，且有不斷降低的趨勢，而蠕變變得比較明顯；當(dāng)載荷超過5.5 MPa時(shí)，煤樣變形急劇增大。煤樣的流變系數(shù)為0.467，長期強(qiáng)度不到其單軸抗壓強(qiáng)度的一半。

4.4 巖石動(dòng)靜組合試驗(yàn)

煤礦井下圍巖不僅受地應(yīng)力作用，而且受開挖引起的集中應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力作用，及振動(dòng)、爆破、沖擊地壓等影響，是典型的動(dòng)靜組合受力模式。為了研究上述問題，開發(fā)了多種巖石動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)設(shè)備，目前主要有靜載與微擾組合加載、基于SHPB的動(dòng)靜組合加載2種試驗(yàn)設(shè)備[38]。前者是在巖石試件上先施加靜載，然后再加載一定波形的小擾動(dòng)動(dòng)載；后者是在SHPB裝置的基礎(chǔ)上，增加液壓機(jī)構(gòu)施加靜載，通過啟動(dòng)應(yīng)力波發(fā)生裝置施加動(dòng)載荷。

圖5 煤塊壓縮蠕變曲線[49]Fig.5 Curves of rock creep under uniaxial compression[49]

為了研究處于流變狀態(tài)的巖石，其受到爆破、沖擊地壓等動(dòng)載擾動(dòng)后的變形與破壞特性，研制出巖石流變擾動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)[50-51]，靜載采用砝碼加載、盤輪和曲軸兩級(jí)擴(kuò)力，擾動(dòng)載荷利用爆炸載荷或重物下落的沖擊載荷施加。還研發(fā)出基于全液壓非伺服高精度蠕變穩(wěn)壓系統(tǒng)的巖石蠕變-沖擊試驗(yàn)機(jī)[52]。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，每12 h施加1次沖擊擾動(dòng)，共施加3次，歷時(shí)36 h。沖擊后巖石軸向應(yīng)力和應(yīng)變瞬時(shí)增大，軸向應(yīng)力會(huì)在300 μs左右恢復(fù)到?jīng)_擊前的水平，3次沖擊引起的應(yīng)變?cè)黾臃謩e為345με、418με、666με，逐次增大，蠕變變形也不斷增加。隨時(shí)間延長，軸向應(yīng)變經(jīng)歷了減速、穩(wěn)定、加速蠕變階段。在加速蠕變的瞬間，軸向應(yīng)變急劇增加。

圖6 巖石蠕變-沖擊試驗(yàn)中軸向應(yīng)變-時(shí)間曲線[52]Fig.6 Axial strain-time curve of rock sample under creep-impact test[52]

4.5 現(xiàn)場原位試驗(yàn)

現(xiàn)場原位測試在井下地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行，與實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣試驗(yàn)相比，具有試件和測試范圍大，能夠考慮煤巖體非均質(zhì)性、各向異性、結(jié)構(gòu)面等多種因素等優(yōu)勢，因此，測試結(jié)果更接近巖體。原位測試內(nèi)容和方法較多[53-54]，包括巖體變形、巖體強(qiáng)度、巖體應(yīng)力及巖體聲波試驗(yàn)等。井下環(huán)境與地面實(shí)驗(yàn)室的條件相差很大，測試對(duì)象的空間尺度更大，因此，所需的測試時(shí)間一般更長。如在巖體變形與強(qiáng)度測試過程中，加載時(shí)間間隔一般以分鐘計(jì)算，完成測試需要數(shù)小時(shí)甚至更長時(shí)間。下面以地應(yīng)力測量為例進(jìn)行介紹。

煤礦井下地應(yīng)力測量主要采用空心包體應(yīng)力解除法和水壓致裂法[14]。應(yīng)力解除法通過測量巖心解除前后應(yīng)變的變化確定地應(yīng)力大小和方向，套鉆解除是關(guān)鍵工序。套鉆深度應(yīng)超過孔底應(yīng)力集中影響區(qū)，一般為400～600 mm。應(yīng)進(jìn)行連續(xù)套鉆解除，每鉆進(jìn)20 mm讀數(shù)一次。解除時(shí)間與所采用的鉆機(jī)、鉆具、巖石性質(zhì)等有關(guān)，一些測點(diǎn)在20～30 min內(nèi)可完成解除過程。套鉆解除后，需將帶有應(yīng)變計(jì)的巖心進(jìn)行圍壓試驗(yàn)，間隔時(shí)間不宜超過24 h。

水壓致裂法通過注水壓裂所選鉆孔段巖石獲得地應(yīng)力值和方向，準(zhǔn)確確定破裂壓力、重張壓力、關(guān)閉壓力是關(guān)鍵，如圖7所示[55]。影響這些參數(shù)的主要因素除原巖應(yīng)力外，還有巖石的抗拉強(qiáng)度、滲透性以及水泵的流量等。已有研究表明[56]泵流量( L/min )對(duì)破裂壓力有不同程度的影響：對(duì)于低滲透性巖石，采用大流量快速加壓與小流量慢速加壓，得到的破裂壓力基本相同；對(duì)于高滲透性巖石，慢速壓裂比快速壓裂得到的破裂壓力低20%～40%；對(duì)于中等滲透性巖石，慢速壓裂的破裂壓力比快速壓裂低10%左右。因此，在進(jìn)行水壓致裂應(yīng)力測量的第1回次壓裂時(shí)，應(yīng)采用較大的流量，以降低巖石滲透性的影響。壓裂一般進(jìn)行4～7個(gè)回次，具體次數(shù)應(yīng)根據(jù)重張壓力是否趨于穩(wěn)定而定。每個(gè)回次時(shí)間一般在1 min左右，完成整個(gè)壓裂過程需200～500 s。

圖7 晉城寺河礦水力壓裂曲線Fig.7 Hydraulic fracturing curve in Sihe Coal Mine，Jincheng mining area

與應(yīng)力解除法相比，水壓致裂法不需要套心和測定巖石的力學(xué)參數(shù)，壓裂時(shí)間較短，是一種快速測量地應(yīng)力的方法，目前已在煤礦得到大面積應(yīng)用。

綜上所述，煤巖力學(xué)試驗(yàn)從流變、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)到超動(dòng)態(tài)，試驗(yàn)時(shí)間、加載時(shí)間、巖石破壞時(shí)間可從幾十年到亞微秒，時(shí)間尺度范圍為10-7～109s。

5 煤巖破碎的時(shí)間尺度

煤炭開采與巖層控制主要有兩大任務(wù)：一是煤巖破碎，將煤炭資源采出；二是采掘空間的維護(hù)，保證采煤作業(yè)的順利進(jìn)行并運(yùn)輸?shù)降孛妗?/p>

煤巖破碎包括采煤、掘進(jìn)2個(gè)環(huán)節(jié)，如前所述，作業(yè)方式經(jīng)歷了手工、爆破、機(jī)械截割的發(fā)展過程。2018年，我國煤礦采煤機(jī)械化程度已達(dá)96.1%，掘進(jìn)機(jī)械化程度為54.1%。

采煤機(jī)是工作面落煤的核心設(shè)備，對(duì)于放頂煤開采，支架后方的頂煤冒落也很重要。與時(shí)間有關(guān)的采煤機(jī)參數(shù)主要包括采煤機(jī)牽引速度( m/min )、截割滾筒轉(zhuǎn)速( r/min )及開機(jī)率等。工作面的產(chǎn)量均是在一定時(shí)間內(nèi)完成的，包括工作面完成1個(gè)正規(guī)生產(chǎn)循環(huán)所需要的時(shí)間，不同時(shí)間段的工作面推進(jìn)速度和產(chǎn)量( 班、日、月、年 )等。如對(duì)于煤層采高3 m、采煤機(jī)截深0.8 m、工作面長度250 m、年產(chǎn)量300萬t的工作面，按300 d有效工作時(shí)間計(jì)算，工作面主要 生產(chǎn)參數(shù)：產(chǎn)量為5 000 t/班( 2班生產(chǎn)、1班檢修 )，1萬t/d，25萬t/月，300萬t/a；推進(jìn)長度為4.76 m/班，9.52 m/d，238 m/月，2 856 m/a。

掘進(jìn)分巖巷、半煤巖巷及煤巷掘進(jìn)。巖巷破巖方式仍以鉆爆法為主，也有少數(shù)煤礦采用TBM( 隧道掘進(jìn)機(jī) )、懸臂式硬巖掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械破巖方式；煤巷施工以掘進(jìn)機(jī)為主，但仍有一些中小煤礦采用鉆爆法作業(yè)。鉆爆法主要包括2個(gè)工序：鉆孔與爆破。對(duì)于比較堅(jiān)硬的巖石，常采用沖擊、旋轉(zhuǎn)破巖方式鉆孔；對(duì)于比較松軟的巖石和煤層，則采用純旋轉(zhuǎn)式鉆孔。下面以液壓鑿巖機(jī)為例進(jìn)行分析。

液壓鑿巖機(jī)用于鉆鑿巖石中的爆破孔、錨桿鉆孔及其他鉆孔，具有沖擊、回轉(zhuǎn)功能，通過沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)與巖孔沖洗完成鉆孔工作，綜合指標(biāo)為鉆孔速度( m/min )[57]。液壓鑿巖機(jī)沖擊性能參數(shù)包括沖擊能、沖擊頻率、沖擊功率、液體工作壓力及工作流量等，均與時(shí)間有關(guān)。沖擊能是沖擊活塞每沖擊一次具有的能量，活塞質(zhì)量一定時(shí)，其取決于活塞運(yùn)動(dòng)速度( m/s )；沖擊頻率是活塞運(yùn)動(dòng)周期( s )的倒數(shù)，而沖擊功率由沖擊能與頻率決定。沖擊頻率一般在30～70 Hz，有的高達(dá)200 Hz；活塞運(yùn)動(dòng)速度為4.5～12 m/s，加速度可達(dá)數(shù)百至數(shù)千m/s2。沖擊活塞運(yùn)動(dòng)周期由活塞沖程、回程時(shí)間及活塞沖擊釬尾停頓時(shí)間組成，前兩者取決于活塞行程與速度，而沖擊釬尾停頓時(shí)間較短，淺孔鑿巖時(shí)僅為0.5～0.7 ms[58]。活塞沖擊釬桿，由釬桿將沖擊能以應(yīng)力波的形式傳遞給巖石，使其破碎。圖8為采用應(yīng)力波法測得的釬桿應(yīng)力譜[59]，沖擊頻率為48～62 Hz，在16～20 ms完成一次沖擊，釬桿最大動(dòng)應(yīng)力達(dá)240 MPa，這些高幅值的應(yīng)力決定了鑿巖機(jī)破碎巖石的能力。

圖8 液壓鑿巖機(jī)釬桿應(yīng)力譜[59]Fig.8 Stress spectrum on rod of hydraulic hammer drill[59]

爆破是利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的幾千攝氏度的高溫及幾萬兆帕的高壓，形成每秒數(shù)千米的爆炸沖擊波，在巖石中產(chǎn)生很高的徑向與切向應(yīng)力，使炸藥周圍巖石發(fā)生粉碎、破裂的過程[60]。炸藥在反應(yīng)區(qū)內(nèi)變成爆炸氣體產(chǎn)物的時(shí)間僅需幾微秒到幾十微秒。

在巖石爆破中常用雷管引爆炸藥，在煤礦井下準(zhǔn)許使用電雷管，按引爆的時(shí)間分為瞬發(fā)電雷管、秒延期電雷管及毫秒延期電雷管。煤礦井下應(yīng)用最廣泛的毫秒延期電雷管的延期時(shí)間為：1段，<13 ms；2段，25±10 ms；3段，50±10 ms；4段，75±15 ms；5段，100±15 ms。井下電雷管的起爆必須采用發(fā)爆器，電容式發(fā)爆器的供電時(shí)間僅為2～6 ms。

井巷爆破應(yīng)采用光面爆破，使得爆破后成形規(guī)整，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)與破壞，保持其自身強(qiáng)度。在全斷面一次爆破時(shí)，應(yīng)按起爆順序，即“掏槽眼—輔助眼—周邊眼”裝入多段毫秒電雷管起爆。各段之間的間隔時(shí)間只有幾十毫秒，可使各段炸藥產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力場相互影響，提高爆破效果，有效降低爆破振動(dòng)。為確保安全，毫秒電雷管的總延期時(shí)間必須控制在130 ms以內(nèi)[61]。

巖石爆破理論認(rèn)為，爆炸引起的巖石破壞是爆炸應(yīng)力波與爆生氣體共同作用的結(jié)果，在炸藥周圍的巖石會(huì)形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)及彈性震動(dòng)區(qū)，因此，研究爆炸應(yīng)力波在巖石中的傳播特征與規(guī)律非常重要。楊仁樹[62]等在有機(jī)玻璃上設(shè)置炮孔，模擬研究了爆破應(yīng)力波的傳播，在距炮孔100 mm處應(yīng)變測試結(jié)果如圖9所示。與時(shí)間相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)為：P波波速2 320 m/s，S波波速1 260 m/s，爆破應(yīng)力脈沖延續(xù)時(shí)間2 μs。由圖9可知，應(yīng)力波作用時(shí)間僅為10 μs左右，測點(diǎn)徑向先受壓后受拉，壓應(yīng)力作用時(shí)間短，拉應(yīng)力作用時(shí)間長。應(yīng)變上升沿時(shí)間僅為2 μs，下降沿時(shí)間為6 μs。

圖9 爆破模擬中應(yīng)變-時(shí)間曲線[62]Fig.9 Strain-time curve in physical explosion simulation[62]

掘進(jìn)機(jī)是掘進(jìn)工作面機(jī)械破巖的關(guān)鍵設(shè)備。與時(shí)間有關(guān)的掘進(jìn)機(jī)參數(shù)主要包括掘進(jìn)機(jī)行走速度( m/min )、截割頭轉(zhuǎn)速( r/min )、裝載能力( t/min )、運(yùn)輸能力( t/min )等。如果掘進(jìn)機(jī)上配有錨桿鉆機(jī)，還包括錨桿鉆機(jī)的相關(guān)參數(shù)( 轉(zhuǎn)速、給進(jìn)速度等 )。與采煤工作面類似，掘進(jìn)進(jìn)尺也是在一定時(shí)間內(nèi)完成的，常用班、日、月、年進(jìn)尺衡量掘進(jìn)的快慢。我國煤巷機(jī)械化掘進(jìn)主要有3種方式：懸臂式掘進(jìn)機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)工藝，連續(xù)采煤機(jī)配錨桿臺(tái)車交叉換位工藝，及掘錨聯(lián)合機(jī)組工藝[63-64]。第1種工藝使用最多，月進(jìn)尺一般為200～500 m/月，少數(shù)煤礦可超過500 m/月；第2種工藝適合頂板條件好的礦區(qū)，如神東礦區(qū)最高掘進(jìn)速度達(dá)3 060 m/月；第3種工藝在條件適合的情況下，月進(jìn)尺可達(dá)到1 000 m。另外，由中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院等單位研發(fā)的快掘系統(tǒng)，在神東大柳塔煤礦創(chuàng)造了日進(jìn)132 m、月進(jìn)3 088 m的紀(jì)錄。除煤巷掘進(jìn)外，有些礦區(qū)還在巖巷中試驗(yàn)應(yīng)用了TBM，如陽泉新景煤礦，TBM小時(shí)破巖速度為1.5 m，最高小班進(jìn)尺達(dá)10.5 m，最高日進(jìn)尺為20.1 m，月進(jìn)尺可達(dá)到450 m以上。

無論是采煤機(jī)還是掘進(jìn)機(jī)，在截割煤巖的過程中均會(huì)產(chǎn)生周期性強(qiáng)烈振動(dòng)。主要原因是煤巖硬度與力學(xué)性質(zhì)不均勻；截割頭上的截齒分布不連續(xù)，參與截割的截齒數(shù)與截齒瞬時(shí)切削厚度不斷變化，產(chǎn)生交變沖擊載荷[65]。強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)造成截齒過度磨損與損壞及掘進(jìn)機(jī)其他部件的疲勞與失效，顯著影響掘進(jìn)機(jī)的可靠性。為此，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭的振動(dòng)特征進(jìn)行監(jiān)測與分析非常必要。圖10為以EBZ135懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)為對(duì)象，在Matlab中仿真得到的掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖[66]。可見，截齒不連續(xù)截割煤巖的振動(dòng)頻率為13.2 Hz，周期為76 ms。正常情況下的振動(dòng)信號(hào)比較平穩(wěn)，振幅約為2；截齒斷裂時(shí)振動(dòng)幅值呈正弦函數(shù)周期性變化，最大幅值約為4，是正常時(shí)的2倍。

圖10 掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)曲線[66]Fig.10 Vibration curve of roadheader[66]

綜合上述分析，當(dāng)研究巖石爆破時(shí)，常用的時(shí)間尺度為毫秒( 10-3s )、微秒( 10-6s )級(jí)；當(dāng)研究沖擊鑿巖時(shí)，往往以秒( 100s )、毫秒( 10-3s )為時(shí)間單位；當(dāng)研究采掘機(jī)械振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)周期經(jīng)常采用秒、毫秒表示。

6 圍巖變形與破壞的時(shí)間尺度

煤炭采出或巖石開挖后，形成的采掘空間圍巖會(huì)發(fā)生不同程度的變形與破壞，需要在不同的時(shí)間段進(jìn)行維護(hù)，以保證正常的煤炭生產(chǎn)。

6.1 采場圍巖變形與破壞

采煤工作面是直接開采煤炭的場所，開采順序包括工作面安裝、初采、正常推進(jìn)、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特點(diǎn)是作業(yè)場所不斷移動(dòng)，頂板不斷處于暴露—支護(hù)—垮落的循環(huán)過程，液壓支架對(duì)頂板巖層的作用不斷處于加載與卸載的狀態(tài)。上述3個(gè)特點(diǎn)決定了采場圍巖變形與破壞隨時(shí)間的變化規(guī)律。

隨著工作面從開切眼不斷推進(jìn)，頂板巖層將依次出現(xiàn)直接頂垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，從而引起采場圍巖變形、應(yīng)力與支架阻力的不斷變化，這些變化均與時(shí)間有關(guān)。頂板下沉、圍巖應(yīng)力重新分布、頂板巖層與煤壁破壞及采空區(qū)矸石壓實(shí)均需要一定時(shí)間完成。如初次來壓的持續(xù)時(shí)間一般為1～3 d，周期來壓持續(xù)時(shí)間一般較短。描述采場圍巖變形的參數(shù)有頂板下沉量、頂板下沉速度( mm/min，mm/h )等。頂板下沉量由落煤、放頂引起的下沉量及兩者間隔期間的下沉量組成，落煤與放頂造成的頂板下沉一般在較短的時(shí)間內(nèi)( 1～2 h )即可完成[67]。頂板下沉速度從每小時(shí)幾毫米到幾十毫米不等，當(dāng)頂板發(fā)生突然垮落時(shí)，頂板下沉?xí)查g劇烈增加，甚至出現(xiàn)壓死支架的現(xiàn)象[68]。

在影響采場礦山壓力顯現(xiàn)的主要因素中，工作面推進(jìn)速度是一個(gè)時(shí)效性比較強(qiáng)的因素。普通工作面的推進(jìn)速度一般為每天數(shù)米，快速推進(jìn)的工作面可達(dá)每天十幾米，而神東礦區(qū)一些條件好的工作面推進(jìn)速度可達(dá)20 m/d以上[69]。假設(shè)采煤機(jī)截深為0.8 m，控頂距為4.8 m，作業(yè)方式為“3班生產(chǎn)、1班準(zhǔn)備”，不同推進(jìn)度的循環(huán)時(shí)間見表8。由表8可知，加快工作面推進(jìn)速度，可縮短工作面單個(gè)循環(huán)的時(shí)間，從而影響采場礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)。

表8 不同推進(jìn)速度的工作面循環(huán)時(shí)間Table 8 Cycling times of face under various advance rates

很多學(xué)者開展了工作面推進(jìn)度對(duì)采場礦壓影響的研究，有些學(xué)者[70]認(rèn)為在一定條件下提高工作面推進(jìn)速度，可顯著減小采場礦壓顯現(xiàn)程度，有利于工作面圍巖控制；而另一些學(xué)者[71]研究發(fā)現(xiàn)，提高工作面推進(jìn)速度，會(huì)加劇采場礦壓顯現(xiàn)程度，對(duì)圍巖維護(hù)不利。總結(jié)已有的實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有以下規(guī)律：

( 1 ) 當(dāng)工作面推進(jìn)速度緩慢或停止時(shí)，頂板端面破碎、煤壁片幫現(xiàn)象增多，支架壓力增大，采場礦壓顯現(xiàn)加劇。在這種情況下，適當(dāng)加大工作面推進(jìn)速度，可減弱礦壓顯現(xiàn)程度。

( 2 ) 隨著工作面推進(jìn)速度增加，初次與周期來壓步距增大，周期來壓次數(shù)減少，持續(xù)時(shí)間與動(dòng)載系數(shù)增大。

( 3 ) 工作面推進(jìn)速度越高，煤壁前方支承壓力峰值越大，峰值點(diǎn)與煤壁的距離越小( 圖11 )[72]。

圖11 不同推進(jìn)速度工作面前方煤壁支承壓力分布[72]Fig.11 Distribution of abutment stress in coal seam in front of face[72]

( 4 ) 工作面推進(jìn)速度不同，液壓支架的工作阻力變化特征不同[73]，推進(jìn)速度較大時(shí)，液壓支架多呈現(xiàn)“急增阻—微增阻( —急增阻 )”的趨勢；當(dāng)工作面推進(jìn)較慢時(shí)，液壓支架呈近似線性一直增長的趨勢。隨著工作面推進(jìn)速度加大，液壓支架的平均工作阻力有下降的趨勢。

( 5 ) 隨著工作面推進(jìn)速度增加，圍巖的加卸載速度增加，支架作用于頂板的時(shí)間縮短，不利于圍巖中彈性能的釋放。

( 6 ) 不僅工作面推進(jìn)速度對(duì)采場礦壓有影響，而且工作面推進(jìn)速度的變化也是一個(gè)重要因素。推進(jìn)速度變化過大，往往會(huì)導(dǎo)致采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

( 7 ) 加快工作面推進(jìn)速度對(duì)采場礦壓的影響是雙面的：有利的一面是縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，減少落煤與放頂之間頂板、煤壁的流變變形，減少周期來壓次數(shù)；不利的一面是來壓步距增大，動(dòng)壓影響加劇，彈性能不易釋放，發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的概率增加。應(yīng)綜合考慮上述兩方面的因素合理確定工作面推進(jìn)速度，并盡量保持平穩(wěn)推進(jìn)。

綜上所述，描述工作面頂板變形與支架阻力變化的時(shí)間單位多為分( 101s )、小時(shí)( 103s )，描述工作面推進(jìn)速度及變化的時(shí)間單位多為天( 104s )。

6.2 巷道圍巖變形與破壞

與采場相比，巷道開挖空間較小，但維護(hù)時(shí)間較長。維護(hù)時(shí)間最短的是工作面開切眼，從掘進(jìn)到工作面設(shè)備安裝完畢，少則1～2月，多則6個(gè)月。回采巷道的維護(hù)時(shí)間一般為1～2 a，當(dāng)服務(wù)兩個(gè)或多個(gè)工作面時(shí)( 沿空留巷、多巷布置的留巷等 )，維護(hù)時(shí)間要成倍增加。即使對(duì)于同一條巷道，先掘的部分比后掘的部分維護(hù)時(shí)間要長。如對(duì)于一條2 000 m的巷道，平均掘進(jìn)速度為300 m/月，最先掘進(jìn)地段比最后掘進(jìn)地段的維護(hù)時(shí)間長6.7個(gè)月。采區(qū)集中巷的維護(hù)時(shí)間從幾年到十幾年不等，而大巷、主要硐室的維護(hù)時(shí)間多為十幾年到幾十年，有的與礦井服務(wù)年限相當(dāng)。

圖12為典型的受上下2個(gè)工作面影響的回采巷道圍巖變形分布[74]。巷道總位移量u可表示為

式中，u0，u1，u2分別為掘進(jìn)、上工作面開采及下工作面開采引起的附加位移量，mm；t0為巷道從掘進(jìn)至上區(qū)段工作面開采時(shí)的維護(hù)時(shí)間，d；t1為上下工作面開采的間隔時(shí)間，d；v0，v1分別為掘進(jìn)影響穩(wěn)定期位移速度、上工作面回采影響穩(wěn)定期位移速度，mm/d。

圖12 回采巷道圍巖變形分布[74]Fig.12 Deformation distribution of gateroad[74]

巷道圍巖變形可分為5個(gè)階段：掘進(jìn)影響期( 圖12中Ⅰ )，掘進(jìn)影響穩(wěn)定期( Ⅱ )，上工作面回采影響期( Ⅲ )，上工作面回采影響穩(wěn)定期( Ⅳ )，及下工作面回采影響期( Ⅴ )。

巷道掘進(jìn)引起的圍巖變形屬于四維時(shí)空問題，即掘進(jìn)工作面周圍應(yīng)看作三維空間問題分析，且變形隨時(shí)間不斷變化，直至穩(wěn)定。掘進(jìn)引起的變形包括3部分：掘進(jìn)工作面前方變形、掘進(jìn)工作面后方未支護(hù)時(shí)的變形及支護(hù)后的變形。在掘進(jìn)工作面前方相當(dāng)于巷道寬度的距離處，圍巖就開始受到擾動(dòng)、產(chǎn)生變形，在工作面位置頂板下沉量可達(dá)到掘進(jìn)影響期總下沉量的1/3左右[75]。掘出后、未支護(hù)前頂板的自穩(wěn)時(shí)間是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它決定著設(shè)置支護(hù)的時(shí)間、掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺的選取。對(duì)于非常破碎的煤巖體，剛掘出就可能發(fā)生垮落，自穩(wěn)時(shí)間很短，在這種條件下需要采用超前注漿、管棚支護(hù)等措施；相反，對(duì)于一些堅(jiān)硬、完整的煤巖體，自穩(wěn)時(shí)間很長，甚至在巷道服務(wù)期間不需要支護(hù)。Bieniawski在其巖體分類( RMR )系統(tǒng)中，就將巖體類別與自穩(wěn)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)應(yīng)[76]。如Ⅰ類巖體，15 m跨度下自穩(wěn)時(shí)間為20 a；而Ⅴ類巖體，1 m跨度下自穩(wěn)時(shí)間僅為30 min。

煤礦巷道一般均需要支護(hù)，支護(hù)所占用的時(shí)間對(duì)成巷速度有顯著影響。以錨桿支護(hù)為例，施工工藝流程[77]為：掘進(jìn)出煤后鋪金屬網(wǎng)、上鋼帶，臨時(shí)支護(hù)，鉆孔，裝樹脂藥卷和錨桿，攪拌樹脂藥卷至規(guī)定時(shí)間( 8～35 s )，停止攪拌并等待規(guī)定時(shí)間( 超快藥卷10～30 s )，擰緊螺母施加預(yù)緊力，依次安裝其他錨桿。其中鉆孔、攪拌樹脂藥卷與擰緊螺母為主要工序，其他為輔助工序。為提高支護(hù)速度，應(yīng)合理安排各個(gè)工序，一方面要減少每個(gè)工序所占用的時(shí)間，另一方面盡量使輔助工序與主要工序平行作業(yè)，縮短總的支護(hù)時(shí)間。以月進(jìn)尺300 m的綜掘工作面為例，有效時(shí)間為25 d，每米巷道錨桿數(shù)為11根( 頂板5根，每幫各3根，排距1 m )，作業(yè)方式為“2班生產(chǎn)、1班檢修”，支護(hù)時(shí)間占70%，頂板、兩幫錨桿順序施工，則平均到每根錨桿的施工時(shí)間為5 min。井下施工表明，從鉆孔到安裝完1根錨桿所需時(shí)間一般為3～5 min。

掘進(jìn)工作面的端面支撐作用對(duì)巷道圍巖變形的影響是有限的，一般情況下，在掘進(jìn)工作面后方1.5～2倍巷道寬度的距離后，圍巖應(yīng)力與位移變化趨于穩(wěn)定，接近于巷道平面應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)巷道寬度為5 m，日掘進(jìn)速度為10 m時(shí)，1 d左右的時(shí)間即可基本穩(wěn)定。但對(duì)于軟巖巷道、深部高應(yīng)力巷道，掘進(jìn)影響的時(shí)間會(huì)很長。圖13為新汶?yún)f(xié)莊礦某運(yùn)輸巷頂板離層曲線，該巷道埋深為1 150 m，最大水平主應(yīng)力高達(dá)35 MPa。采用全螺紋等強(qiáng)錨桿、高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的巷道，離層穩(wěn)定時(shí)間約為40 d，而采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)后，離層穩(wěn)定時(shí)間為13 d。可見，掘進(jìn)影響時(shí)間不僅取決于巷道圍巖地質(zhì)條件，而且與支護(hù)形式及參數(shù)有很大關(guān)系[78]。

圖13 新汶?yún)f(xié)莊礦運(yùn)輸巷頂板離層曲線Fig.13 Roof separation curves of a maingate in the Xiezhuang Coal Mine，Xinwen coal area

掘進(jìn)影響穩(wěn)定后至受到回采工作面采動(dòng)影響前，可認(rèn)為巷道處于蠕變階段，可采用黏彈性、黏彈塑性等理論進(jìn)行分析。若采用Poyting-Thomson蠕變模型，圓形、雙向等壓巷道周邊黏彈性位移ue( t )[79]可用下式計(jì)算：

式中，P0為巷道所受原巖應(yīng)力；r0為巷道半徑；t為時(shí)間；G0為圍巖瞬時(shí)剪切變形模量；G∞為圍巖長期剪切模量；Tret為圍巖延遲時(shí)間，Tret=TrelG0/G∞；Trel為圍巖松弛時(shí)間，Trel=η1/Gm，η1為圍巖黏性組分的黏性系數(shù)，Gm為圍巖黏性組分的剪切變形模量。

巷道周邊黏塑性位移up( t )可用下式表示：

式中，R0( t )為巷道塑性區(qū)半徑；M=2P0sin φ+2Ccos φ，C為圍巖黏聚力，φ為圍巖內(nèi)摩擦角。

可見，無論是黏彈性、黏塑性位移，還是塑性區(qū)范圍，均是隨著時(shí)間變化的。圓形巷道黏彈塑性位移計(jì)算實(shí)例如圖14[80]所示，巷道表面位移隨時(shí)間的延長不斷增加，當(dāng)位移超過一定量值，巷道就會(huì)失穩(wěn)破壞。

當(dāng)巷道逐步接近上工作面時(shí)，會(huì)受到工作面超前支承壓力的影響，導(dǎo)致圍巖變形顯著增加。超前影響距離的變化范圍很大，小的僅有幾米，大的可超過100 m，多數(shù)處于20～70 m。當(dāng)上工作面推過巷道后，巷道將受到更強(qiáng)烈的采動(dòng)影響。晉城礦區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)表明[81]，工作面滯后影響范圍可達(dá)300～400 m，而且在50～200 m的位置上圍巖位移速度達(dá)到最大，引起巷道強(qiáng)烈底臌、煤幫嚴(yán)重?cái)D出。若以超前影響距離50 m，滯后影響距離350 m，工作面推進(jìn)速度為10 m/d，則巷道要經(jīng)受40 d的上工作面采動(dòng)影響。可見，采動(dòng)影響期間圍巖變形的增加主要是由于采動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)與時(shí)間也有關(guān)系，屬于變載荷作用下的流變過程。

圖14 圓形巷道周邊黏彈塑性位移曲線[80]Fig.14 Curve of viscoelastic and plastic displacement of circular roadway surface[80]

當(dāng)上工作面回采影響穩(wěn)定后，巷道進(jìn)入第2個(gè)蠕變階段，直至受到下工作面超前支承壓力影響。在這個(gè)階段，巷道仍以一定的速度變形，位移速度大于掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段的位移速度。

當(dāng)受到下工作面采動(dòng)影響后，圍巖變形又會(huì)逐漸增加，直到巷道報(bào)廢。但無論是采動(dòng)影響程度、影響范圍還是影響時(shí)間，都比上工作面滯后影響小。

不僅巷道圍巖變形與時(shí)間相關(guān)，而且圍巖中裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合，塑性區(qū)、破碎區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展均需要時(shí)間。如圍巖松動(dòng)圈的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)[82]表明：小松動(dòng)圈的形成需要3～7 d，大松動(dòng)圈的形成需要1～3月，且松動(dòng)圈發(fā)展的時(shí)間與圍巖變形的時(shí)間是一致的。此外，圍巖冒頂、片幫也需要時(shí)間，如一巖塊從3 m高的頂板落到底板，需要0.78 s。

與巷道圍巖類似，各種巷道支護(hù)構(gòu)件的受力變化、變形與破壞均與時(shí)間有關(guān)，只不過支護(hù)構(gòu)件的物理力學(xué)性質(zhì)、受力狀態(tài)等與圍巖有較大差別，其流變性各有特色。圖15是BHRB600、直徑22 mm的高強(qiáng)錨桿加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，采用金屬蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)得到的錨桿試件蠕變曲線[83]。當(dāng)蠕變載荷小于錨桿拉斷載荷的60%時(shí)，錨桿伸長率很低，且加載后錨桿變形迅速增加，隨后的蠕變很小；當(dāng)載荷增加至錨桿拉斷載荷的90%時(shí)，加載后16 h伸長率增加了0.3%，與時(shí)間有關(guān)的蠕變變形變得明顯。

圖15 BHRB600錨桿試件蠕變曲線Fig.15 Creep curve of BHRB600 bolt sample

礦壓監(jiān)測是巷道圍巖控制的一個(gè)重要內(nèi)容，對(duì)了解圍巖與支護(hù)體變形、破壞及巷道的安全程度有重要作用。礦壓監(jiān)測需要一定的頻度，才能獲得不同時(shí)間的礦壓數(shù)據(jù)。國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定了各類巷道的監(jiān)測頻度：巖巷距掘進(jìn)工作面100 m內(nèi)、煤層大巷距掘進(jìn)工作面50 m內(nèi)，頂板離層儀觀測頻度每天應(yīng)不少于一次；回采巷道距掘進(jìn)工作面50 m內(nèi)和回采工作面100 m內(nèi)，頂板離層儀觀測頻度每天應(yīng)不少于一次。這些規(guī)定以外，觀測頻度可為每周一次。可見，常規(guī)礦壓監(jiān)測的時(shí)間單位為天，圍巖位移速度的單位多為mm/d。當(dāng)?shù)V壓監(jiān)測數(shù)據(jù)在一天內(nèi)變化較大時(shí)，必須增加監(jiān)測頻次。在線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)可滿足這種要求，讀數(shù)周期可設(shè)置為小時(shí)、分、秒，甚至更短的時(shí)間，以捕捉短時(shí)間變化很大的礦壓數(shù)據(jù)。

綜上所述，描述巷道圍巖變形與支護(hù)體受力變化的時(shí)間單位多為天，變化幅度較小時(shí)可采用周、月；描述巷道支護(hù)施工的時(shí)間單位有秒、分及小時(shí)；描述巷道維護(hù)的時(shí)間單位有月、年。以上覆蓋了從秒( 100s )到年( 107s )的各個(gè)時(shí)間尺度。

7 煤礦動(dòng)力災(zāi)害的時(shí)間尺度

除上述靜態(tài)的圍巖變形與破壞外，煤礦還存在多種形式的動(dòng)力災(zāi)害，如沖擊地壓、頂板大面積來壓及煤與瓦斯突出等，本文主要討論沖擊地壓。沖擊地壓是積聚了大量變形能的煤巖體，在一定條件下突然、劇烈破壞，將煤巖拋出，發(fā)出聲響，引起煤巖體震動(dòng)的動(dòng)力現(xiàn)象[84]。該定義中的“突然”是指沖擊地壓發(fā)生前沒有明顯的宏觀前兆，持續(xù)過程很短，僅有幾秒到幾十秒，且伴隨著煤巖體震動(dòng)。可見，沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間尺度以秒級(jí)計(jì)算。

沖擊地壓的影響因素眾多，包括煤巖的力學(xué)特性，開采深度及地應(yīng)力，上覆巖層結(jié)構(gòu)，地質(zhì)構(gòu)造及采動(dòng)影響等。在煤巖力學(xué)性質(zhì)方面，煤的沖擊傾向性是評(píng)價(jià)煤層沖擊性的基礎(chǔ)參數(shù)。沖擊傾向性評(píng)價(jià)有3個(gè)指標(biāo)，其中之一就是如前所述的煤層動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間。

國外一些學(xué)者將沖擊地壓分為3種類型：應(yīng)變沖擊型、煤柱沖擊型及斷層滑動(dòng)沖擊型[85]。應(yīng)變型沖擊地壓發(fā)生在開挖空間周邊切向應(yīng)力峰值附近的圍巖中；煤柱型沖擊地壓由承受高應(yīng)力的煤柱核心區(qū)突然破壞引起；斷層滑動(dòng)型沖擊地壓是由遠(yuǎn)離開挖空間的斷層滑動(dòng)釋放的能量動(dòng)態(tài)擾動(dòng)而引起。無論何種沖擊地壓，都與煤巖體中的能量積聚、釋放有關(guān)。隨著開采深度增加、地應(yīng)力增大及采動(dòng)影響加劇，促進(jìn)了煤巖體中能量的快速積聚，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)后，即使是較小的擾動(dòng)都可能引發(fā)能量突然釋放，出現(xiàn)沖擊地壓事故。沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理及判據(jù)有多種，其中常用的能量理論與判別準(zhǔn)則[86-87]為

式中，UR，UC為圍巖、煤層中儲(chǔ)存的彈性能；US為礦震輸入的能量；Ub為沖擊地壓發(fā)生時(shí)煤巖體消耗的能量；t為時(shí)間。

可見，當(dāng)圍巖、煤層中儲(chǔ)存的彈性能及礦震輸入能量在短時(shí)間內(nèi)的變化量超過同一時(shí)間煤巖體可消耗的能量時(shí)，沖擊地壓就會(huì)發(fā)生。

預(yù)測預(yù)報(bào)是沖擊地壓防治的重要內(nèi)容，除需要預(yù)測沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)、規(guī)模外，預(yù)報(bào)沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間也是非常重要的。目前，沖擊地壓預(yù)測預(yù)報(bào)方法很多，主要包括早期沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測及多參量綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[88]。多種地球物理方法，如微震、地音、電磁輻射等技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，在預(yù)報(bào)沖擊地壓發(fā)生地點(diǎn)及強(qiáng)度方面起到重要作用。圖16為河南義馬千秋煤礦21141工作面微震與沖擊地壓隨時(shí)間的分布[89]。微震事件在沖擊地壓發(fā)生前后有比較明顯的周期性變化規(guī)律。每隔10～15 d有一次微震事件的高發(fā)期，每周期的最后一天容易發(fā)生沖擊地壓。沖擊地壓發(fā)生前，每天的微震能量和事件數(shù)呈穩(wěn)定、波動(dòng)或緩慢增長態(tài)勢，為能量積聚期。當(dāng)能量積累到一定程度后會(huì)發(fā)生大能級(jí)事件，能量得到釋放。大能級(jí)事件后緊跟著微震事件的高峰，之后每日微震事件次數(shù)逐步下降，進(jìn)入下一個(gè)能量積聚期。通過分析微震事件的周期性分布及能量的積聚與釋放過程，可預(yù)報(bào)沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間。

圖16 義馬千秋礦工作面微震與沖擊地壓隨時(shí)間的分布[89]Fig.16 Distribution of microseismic and rockburst activities at working face in Qianqiu Coal Mine，Yima[89]

圖17 為內(nèi)蒙古某煤礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測曲線[90]。監(jiān)測初期，無論是頻次還是能量均呈波動(dòng)式變化，在中等沖擊危險(xiǎn)之下。當(dāng)監(jiān)測到第19天時(shí)，頻次和能量突然增大，出現(xiàn)中等及強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，主要原因是掘進(jìn)工作面進(jìn)入了邊界煤柱區(qū)。可見，通過分析地音監(jiān)測曲線的變化，同樣可預(yù)測沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間。

圖17 內(nèi)蒙古某煤礦回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測曲線[90]Fig.17 Acoustic emission monitoring curve of heading face at tailgate in a coal mine in Inner Mongolia[90]

無論是微震、地音還是其他方法的監(jiān)測預(yù)警，預(yù)警的時(shí)間單位非常重要。如目前微震監(jiān)測的預(yù)警時(shí)間單位一般為天，這對(duì)于保障快速推進(jìn)的采煤工作面和快速掘進(jìn)的巷道安全是不夠的。需根據(jù)地質(zhì)與生產(chǎn)條件加大監(jiān)測預(yù)警密度，如每1個(gè)小班( 6～8 h )、1 h甚至幾分鐘進(jìn)行預(yù)警，以便及時(shí)采取措施，避免人員傷亡。

沖擊地壓防治有多種方法，從控制原理上可分為支護(hù)法、卸壓法及支—卸相結(jié)合的方法。錨桿支護(hù)是我國煤礦巷道的主體支護(hù)方式，對(duì)于沖擊地壓巷道，開發(fā)出全長預(yù)應(yīng)力錨固、高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿與錨索支護(hù)技術(shù)，并在井下得到成功應(yīng)用[91]。為了研究錨桿在沖擊載荷作用下的受力與破壞規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室采用錨桿力學(xué)性能綜合試驗(yàn)臺(tái)，測試研究了錨桿在靜載與沖擊載荷組合作用下錨桿的力學(xué)響應(yīng)特征[92]。圖18為錨桿預(yù)緊、拉伸后再受到?jīng)_擊載荷時(shí)的沖擊載荷隨時(shí)間的變化曲線。在錨桿垂直安裝的情況下，動(dòng)載沖擊作用持續(xù)時(shí)間為37.65～57.95 ms，作用時(shí)長為20.30 ms，在51.85 ms時(shí)支護(hù)系統(tǒng)的沖擊動(dòng)載達(dá)到峰值226.46 kN，51.85 ms之后逐漸衰減。由于擺錘沖擊下產(chǎn)生的應(yīng)力波多次反射效應(yīng)使整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)多次震動(dòng)，在峰值沖擊動(dòng)載附近產(chǎn)生一些小的沖擊動(dòng)載。錨桿以20°角傾斜布置時(shí)，沖擊動(dòng)載超過350 kN。

圖18 錨桿沖擊動(dòng)載與時(shí)間曲線Fig.18 Impact load along bolt vs time

為了獲取沖擊地壓巷道錨桿受力特征，在井下巷道中布置礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)( 讀數(shù)頻率為每分鐘1次 )和微震系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測錨桿受力狀況，并與微震監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖19為沖擊能量事件與錨桿受力關(guān)系曲線。沖擊地壓巷道錨桿受力變化的最大特點(diǎn)是受沖擊影響呈鋸齒狀波動(dòng)。當(dāng)能量較高的沖擊事件出現(xiàn)，錨桿受力就會(huì)急劇增加，隨后又快速降低。較高沖擊能量事件主要發(fā)生在距掘進(jìn)工作面20～30 m范圍內(nèi)，錨桿安裝后5～9 d內(nèi)受力增長最快。之后，沖擊能量變小，錨桿受力逐漸趨于穩(wěn)定。可見，錨桿受力在短時(shí)間內(nèi)的急劇變化可作為沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的一個(gè)指標(biāo)。

圖19 錨桿受力與沖擊能量關(guān)系Fig.19 Relation between rock bolt loads and burst energy

卸壓法是沖擊地壓防治的有效途徑，爆破、鉆孔、水力壓裂等方法已得到廣泛應(yīng)用[93]。圖20為井下水力壓裂施工過程中水壓隨時(shí)間的變化曲線[94]。在10 min的壓裂時(shí)間內(nèi)水壓波動(dòng)很大。初始需要較高的壓力才能使巖石裂縫起裂；隨后有些時(shí)段壓力比較穩(wěn)定，曲線呈現(xiàn)緊密的鋸齒狀，裂縫能在相對(duì)恒定壓力下不斷擴(kuò)展；有些時(shí)段壓力變化劇烈，可能是裂縫擴(kuò)展過程中遇到原生結(jié)構(gòu)面或裂縫所致。通過分析水壓隨時(shí)間的變化趨勢，可評(píng)價(jià)水力裂縫擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)和卸壓效果。

圖20 水力壓裂壓力與時(shí)間曲線Fig.20 Curve of pressure vs time in hydraulic fracturing

綜上所述，沖擊地壓持續(xù)時(shí)間很短，常以秒計(jì)。當(dāng)研究沖擊地壓發(fā)生、發(fā)展及破壞過程的細(xì)節(jié)，圍巖、支護(hù)體受力與變形的突然變化時(shí)，需要更小的時(shí)間尺度，如毫秒甚至微秒。當(dāng)進(jìn)行沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警時(shí)，預(yù)警時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，需要根據(jù)煤礦具體地質(zhì)與生產(chǎn)條件，盡量縮短預(yù)警時(shí)間。

8 結(jié) 論

( 1 ) 煤炭開采與巖層控制研究的時(shí)間尺度集中分布在10-7～1016s之間，跨23個(gè)數(shù)量級(jí)。從地球上最早的成煤期到巖石動(dòng)載試驗(yàn)中的亞微秒量級(jí)。

( 2 ) 在地質(zhì)年代的時(shí)間尺度上，可研究煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構(gòu)造的關(guān)系；不同成煤期煤的種類、成分、煤化程度、煤的物理化學(xué)力學(xué)特性；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤盆地形成與演化、煤層賦存條件與分布、煤巖體應(yīng)力場演化的影響等內(nèi)容。這些煤田地質(zhì)領(lǐng)域的研究內(nèi)容對(duì)煤炭開采的地質(zhì)保障具有重要作用。

( 3 ) 井工煤礦開采需要根據(jù)煤田分布，劃分成不同礦區(qū)、礦井、水平、采區(qū)、區(qū)段進(jìn)行，不同階段的時(shí)間尺度不同。一個(gè)礦區(qū)的開采年限一般為幾十年到二三百年，而采煤工作面的服務(wù)時(shí)間一般為幾個(gè)月到1~2 a。煤炭開采的任何工序均需要一定的時(shí)間完成。煤炭開采涉及的很多參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，如產(chǎn)量、進(jìn)尺、速度、能力、流量等，常用的時(shí)間尺度從毫秒到年。

( 4 ) 煤巖力學(xué)試驗(yàn)是煤炭開采與巖層控制的重要研究內(nèi)容。按試驗(yàn)時(shí)間可將煤巖力學(xué)試驗(yàn)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，按照應(yīng)變率大小可細(xì)分為蠕變、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及超動(dòng)態(tài)。煤巖蠕變?cè)囼?yàn)加載時(shí)間可從1 h到數(shù)月，有的甚至達(dá)幾十年，時(shí)間尺度范圍達(dá)103～109s。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要用于鑿巖、爆破、采掘機(jī)械振動(dòng)、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象的研究。當(dāng)應(yīng)變率達(dá)102s-1量級(jí)時(shí)，巖石的破壞時(shí)間僅為幾十微秒。最快的動(dòng)載加載時(shí)間可達(dá)到微秒、亞微秒量級(jí)。

( 5 ) 煤巖破碎是煤炭開采中的一大任務(wù)，涉及鑿巖、爆破、機(jī)械截割振動(dòng)等動(dòng)力問題。液壓鑿巖機(jī)在十幾毫秒就可完成一次沖擊，沖擊過程中釬尾的停頓時(shí)間不到1 ms，沖擊頻率、沖擊功率、工作壓力及流量等參數(shù)決定著鑿巖機(jī)的性能。炸藥在反應(yīng)區(qū)變成爆炸氣體產(chǎn)物的時(shí)間僅需幾微秒到幾十微秒，研究巖石爆破及爆炸應(yīng)力波在巖石中傳播規(guī)律的時(shí)間單位常用毫秒、微秒。

( 6 ) 采掘空間圍巖均會(huì)發(fā)生不同程度的變形與破壞，屬于四維時(shí)空問題( 三維空間加時(shí)間 )，有些情況可簡化為平面問題。采煤工作面是一個(gè)移動(dòng)的場所，工作面頂板不斷變形、破壞及垮落，支架阻力變化也較快，常用分、小時(shí)等時(shí)間單位描述這些參數(shù)的變化。與采場相比，巷道的服務(wù)時(shí)間較長，少則數(shù)月，多則數(shù)年、數(shù)十年，圍巖變形與破壞的時(shí)效性更強(qiáng)。采煤工作面采動(dòng)引起的變形與穩(wěn)定期間圍巖流變是煤礦巷道變形的主要部分。描述巷道圍巖變形與支護(hù)體受力變化的時(shí)間單位多為天、周及月。

( 7 ) 沖擊地壓、頂板大面積來壓及煤與瓦斯突出等煤礦動(dòng)力災(zāi)害，時(shí)間上表現(xiàn)為“突然”，空間上表現(xiàn)為“劇烈”。沖擊地壓持續(xù)的時(shí)間僅為幾秒到幾十秒，研究沖擊地壓發(fā)生、發(fā)展及破壞過程的細(xì)節(jié)，需要在更小的時(shí)間尺度上進(jìn)行。沖擊地壓預(yù)警時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，需要根據(jù)煤礦地質(zhì)與生產(chǎn)條件確定，盡量縮短預(yù)警時(shí)間。

( 8 ) 不同的煤炭開采與巖層控制問題需要在不同的時(shí)間尺度研究。如在地質(zhì)年代尺度上，可研究煤系地層應(yīng)力場分布特征及隨時(shí)間的演化規(guī)律，但在一個(gè)礦區(qū)、礦井的時(shí)間尺度上，則完全可將地應(yīng)力場看成是穩(wěn)定的、不變的。有些問題需要進(jìn)行多時(shí)間尺度研究，才能發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。如研究煤巖蠕變的時(shí)間一般比較長，但在研究不同蠕變階段的過渡點(diǎn)、加速蠕變階段煤巖破壞臨界點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)在較小的時(shí)間尺度下進(jìn)行。

( 9 ) 世界煤炭開采已有2 000多年的歷史，特別是最近60多年，煤炭開采與巖層控制技術(shù)、裝備實(shí)現(xiàn)了重大突破，促進(jìn)了現(xiàn)代煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，使煤炭成為全球的主要能源之一。但是，大規(guī)模的煤炭開采也帶來一系列問題，煤炭作為主體能源的鼎盛時(shí)期已過，煤炭在能源消費(fèi)中所占的比重逐漸下降。如何繼續(xù)做好煤炭開采與巖層控制工作，需要新思路、新工藝、新技術(shù)。