激光測距監測在綜采放頂煤工作面的應用研究

呂經超 路亞軍 毛永光

（兗州礦業集團公司興隆莊煤礦，山東 濟寧 272000）

1 工作面概況

興隆莊煤礦3302（下）工作面設計為綜采放頂煤工作面，工作面長度214.9～216.2 m，總推進長度699.2 m。所采煤層為下二疊統山西組底部之3 煤，煤層厚度最小3.30 m，煤層厚度最大8.80 m，平均7.20 m，煤層傾角2°～17°，平均 9°。煤層結構復雜，含一層夾矸，夾矸位于3 煤頂板之下2.80～3.00 m 處，厚度0.03 m，巖性為粉砂巖。工作面北部受沖刷帶影響，煤厚變化較大。普氏硬度f= 2～3。煤層基本頂為中砂巖，平均厚度18.14 m；直接頂為灰色粉砂巖，平均厚度2.67 m，層理比較明顯；直接底為灰色中粉砂巖，平均厚度13.22 m；基本底為粉砂巖，平均厚度16.68 m。主要應力表現為大地靜力場型，斷層構造發育區處應力集中。

2 綜放工作面超前支承壓力的影響

工作面超前支承壓力是礦山壓力的重要組成部分，巷道圍巖表面位移是礦山壓力顯現的重要表現形式。支承壓力的監測主要針對其分布特征，如分布范圍、高峰位置、低應力區范圍等重要特征參數，通過監測巷道圍巖表面位移可以得到超前支承壓力對工作面巷道的影響范圍和大小，為礦山壓力控制設計提供依據。綜采放頂煤采煤法之所以達到經濟實用、高產高效的效果，大都是因為煤層厚、機采高度大，與單一煤層開采相比，支承壓力的影響范圍和峰值點也不盡相同。針對綜放工作面的特殊性，需借助一定的監測手段對其超前支承壓力的分布和變化規律進行分析研究[1-5]，為采掘工作面頂板管理、超前支護及防沖措施的制定提供技術參考依據，同時也為開采相鄰或類似工作面積累經驗。

3 巷道圍巖變形監測方案

3.1 激光測距儀簡介

激光測距儀主要用于煤礦井下巷道兩幫形變檢測、頂底板形變檢測，也可以進行單純距離測量等。該設備如圖1 所示，由傳感器和固定支架組成，二者之間用螺栓連接，采用了相位式測量技術，用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制并測定調制光往返測線一次所產生的相位延遲，再根據調制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，可實現信號遠距離傳輸。

圖1 激光測距傳感器

3.2 巷道圍巖表面位移監測布置

為了深入監測分析綜采放頂煤工作面在回采過程中頂底板、兩幫圍巖變形運動規律，需觀測 3302（下）軌順巷在工作面回采期間巷道圍巖表面收斂變形。分別在工作面軌順巷超前52.6 m、82.6 m、123 m、153 m、233.6 m、253.6 m、273.6 m、293.6 m 處標記點位置安裝8 個激光測距傳感器，其安裝斷面形式如圖2，采用類“十字交叉法”布置方式。激光測距傳感器分別布置安裝在頂板中部、側幫中部位置，用于實時測量記錄頂底板和兩幫的變形收斂數據。

圖2 激光測距傳感器巷道安裝斷面圖

4 軌順巷圍巖變形分析

在2020 年12 月5 日到2021 年3 月11 日3302（下）工作面回采期間，通過傳感器監測得到圖3 所示的各測站頂底板表面位移量曲線圖。結果表明，頂底板、兩幫表面位移量變化在工作面回采初始階段較為平緩，圍巖變形比較穩定，隨著采煤工作面不斷推進，回采的中期和后期各測站監測的頂底板、兩幫表面位移量變化不斷增加，其增長幅度不盡相同，具體分析為：

（1）初始位置距工作面52.6 m 的傳感器監測數據如圖3（a）。當工作面推進到距傳感器33.85 m 時，頂底板、兩幫移近量增長幅度開始變大；推進到距傳感器3.1 m 時，頂底板累計移近604 mm，兩幫累計移近905 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方33.85～3.1 m。（2）初始位置距工作面82.6 m 的傳感器監測數據如圖3（b）。頂底板累計移近416 mm，兩幫累計移近1023 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方52.6～5.85 m。（3）初始位置距工作面122.6 m 的傳感器監測數據如圖3（c）。頂底板累計移近420 mm，兩幫累計移近749 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方73.1～27.1 m。（4）初始位置距工作面152.6 m 的傳感器監測數據如圖3（d）。頂底板累計移近266 mm，兩幫累計移近514 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方103.1～42.1 m。（5）初始位置距工作面233.6 m 的傳感器監測數據如圖3（e）。頂底板累計移近859 mm，兩幫累計移近1480 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方106.35～6.6 m。（6）初始位置距工作面253.6 m的傳感器監測數據如圖3（f）。頂底板累計移近648 mm，兩幫累計移近1126 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方126.35～12.35 m。（7）初始位置距工作面273.6 m 的傳感器監測數據如圖3（g）。頂底板累計移近1196 mm，兩幫累計移近1798 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方119.35～18.1 m。（8）初始位置距工作面293.6 m 的傳感器監測數據如圖3（h）。頂底板累計移近1156 mm，兩幫累計移近1564 mm，超前支承壓力作用范圍大體在工作面前方66.6～7.4 m。

圖3 工作面推進過程中巷道表面位移曲線圖

頂底板、兩幫距離工作面越近，其圍巖變形受到影響越劇烈，并且可以看出后期圍巖變形有繼續增加趨勢。由數據可知，綜放工作面巷道在受到開采影響下而產生的圍巖表面位移累計最后通常大于1000 mm，最大可達1798 mm，要遠遠大于平常普通巷道位移100 mm 的預警值。對于綜放工作面的圍巖變形應加強圍巖變形監測，如遇危險狀況及時處理，補強支護。

5 結論

由于傳感器主要監測巷道頂底板、兩幫圍巖的移近量及煤巖體中的靜載荷，因而，監測數據僅對監測區域圍巖移近量及靜載荷情況進行分析。

（1）受回采工作面推進影響，大致得出各傳感器顯示超前支承壓力影響范圍，其中1#：

33.85～3.1 m；2#：52.6～5.85 m；3#：73.1～27.1 m；4#：103.1～42.1 m；5#：106.35～6.6 m；6#：126.35～12.35 m。該范圍僅參考圍巖變形情況，具體還應與圍巖應力情況相互驗證使用。

（2）軌順巷各傳感器顯示綜放工作面巷道圍巖變形遠大于普通巷道，表面最大位移量達1798 mm，說明該位置巷道圍巖受到超前支承壓力的顯著影響。工作面越往前推進，頂底板、兩幫移近量越大，后期圍巖變形有繼續增加趨勢，建議繼續加強圍巖變形監測，如遇危險狀況及時處理，補強支護。