厚煤層開采覆巖移動規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測研究＊

王樹忠 王繼林 于 洋 胡學(xué)軍 劉連峰 熊國軍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

厚煤層開采覆巖移動規(guī)律的現(xiàn)場監(jiān)測研究＊

王樹忠1王繼林1于 洋2胡學(xué)軍1劉連峰2熊國軍2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

現(xiàn)有的監(jiān)測大多在巷道頂板5～8m深的范圍展開，本文通過深孔多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)時監(jiān)測了工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷頂板巖層0～20m深處范圍內(nèi)的巖層移動規(guī)律。獲得了不同回采階段覆巖移動變形規(guī)律，并根據(jù)監(jiān)測曲線獲得了周期來壓步距。

深部開采 深部覆巖 多點(diǎn)位移計(jì) 實(shí)時監(jiān)測 覆巖移動規(guī)律

1 前言

覆巖移動一直是采礦工程研究的核心課題之一，特別是隨著煤炭開采深度的增加，深部煤層頂板的破斷規(guī)律及位移監(jiān)測成為重點(diǎn)關(guān)注的對象。通常認(rèn)為采空區(qū)附近及上覆巖層的移動、變形和破壞的現(xiàn)象和過程是由于采動所引起的。由于上覆巖層的巖性、厚度、層位關(guān)系及構(gòu)造情況不同，存在著多種多樣的運(yùn)動規(guī)律，而頂板的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了頂板的運(yùn)動特征，因此也是決定頂板控制方式和方法的關(guān)鍵因素。近年來，隨著綜放技術(shù)的發(fā)展及開采深度的不斷增加，與礦山壓力相關(guān)的重大災(zāi)害逐漸增多，事故分析的結(jié)果表明，應(yīng)重新認(rèn)識深部礦山壓力的計(jì)算模型和事故發(fā)生的機(jī)理，推動采場上覆巖層結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)一步發(fā)展。目前有關(guān)監(jiān)測覆巖移動的方法，多數(shù)是通過2個測點(diǎn)來測量頂板的3～8m范圍內(nèi)的巖層移動。為了獲得更大范圍的頂板移動規(guī)律，通過多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測，得出了對五陽煤礦頂板鉆孔深20m范圍的覆巖移動規(guī)律。

2 五陽礦7605工作面上覆巖層移動監(jiān)測方案

工作面上覆巖層位移測量主要是監(jiān)測該工作面回采過程中受采動影響的上覆巖層變形隨時間變化的情況。上覆巖層位移測量的目的是深入了解巷道上覆巖層不同深度巖層的位移、巖層弱化和破壞的范圍；推斷上覆巖層的“三帶”分布情況。

本設(shè)計(jì)采用KDW－1型機(jī)械式多點(diǎn)位移計(jì)。本次位移監(jiān)測工作擬在7605工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷進(jìn)行。根據(jù)量測需要和儀器要求，本設(shè)計(jì)從巷道頂板中部位置分別打垂直向上鉆孔，考慮到采煤工作面的超前影響以及施工鉆孔工期，最終在回風(fēng)巷沿工作面走向距開切眼220m處開始布置5個觀測孔，觀測站走向布孔，間距7m，同時，在運(yùn)輸巷距開切眼320m處亦布置間距為7m的5個觀測孔。共布置10個鉆孔，孔徑50mm，頂板鉆孔深度為20m，鉆孔內(nèi)每隔2m布置測點(diǎn)，每孔布置10個測點(diǎn)。一個測點(diǎn)安裝一個孔內(nèi)固定器，分別從巷道頂開始，垂直向上在主要巖層中布置測點(diǎn)（距孔口1.5m、3m、5m、7m、9m、11m、13 m、15m、17m、19m距離），如圖1所示。

圖1 工作面測點(diǎn)布置示意圖

在工作面回采期間每隔一段時間下井采集巖層移動數(shù)據(jù)，與初讀數(shù)之差即為該測點(diǎn)相對于巷道圍巖表面的位移值。考慮到采煤工作面的超前影響，從工作面生產(chǎn)開始即進(jìn)行觀測，在頂板巖層活動劇烈期間每天至少要測一次。工作面采過鉆孔一段距離后由于覆巖垮落不能再監(jiān)測時停止觀測。設(shè)初始點(diǎn)A點(diǎn)為不動點(diǎn)，而隨著回采影響，測點(diǎn)A將發(fā)生移動到新位置B點(diǎn)，如果測得A點(diǎn)、B點(diǎn)與圍巖表面的相對位移LA和LB，則它們的差LA–LB就是A點(diǎn)到B點(diǎn)間離層位移相對值。

3 巖層移動現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及分析

從2010年7月8日到2010年9月13日，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測和分析，根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)觀測數(shù)據(jù)，繪制回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷不同深度巖層位移絕對沉降量曲線見圖2和圖3，其中測繩伸長時為正值，表示巖層下降；縮短時為負(fù)值，表示巖層上升，這意味著巖層破斷后局部區(qū)域有回彈現(xiàn)象。通過對同孔不同高度處的沉降數(shù)值分析，得出同一位置處不同高度處的覆巖變形和沉降量的差異。

圖2（a）顯示8月9日以前巖層由于測點(diǎn)前方采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生周期破斷而發(fā)生周期性的上下移動，但此時巖層移動變化量較小；8月9日以后覆巖開始發(fā)生急劇沉降，這是由于隨著開采的不斷進(jìn)行，開采工作面離測孔越來越近，尤其當(dāng)開采面超過測孔后，由于覆巖已進(jìn)入采空區(qū)開始發(fā)生劇烈的沉降；曲線總體上是呈下降的趨勢，表明覆巖整體上是隨著開采的進(jìn)行垂直位移不斷增大；最后測繩縮短量的大小可知巖層越高測繩縮短量越大，根據(jù)所選取測量儀器的原理可知越高處的巖層下沉量越小，即位移變化速度越向上越慢。

由圖2（b）可知，前期總體上巖層發(fā)生較為微軟的下降趨勢；8月10號開采工作面已接近此測孔，這時覆巖開始發(fā)生劇烈變化，尤其是當(dāng)工作面推過測孔一段距離后垂直位移更加劇烈。

由圖2（c）顯示的趨勢與前面的趨勢相近，無異常點(diǎn)。

由圖2（d）可知，9m處測點(diǎn)在7月16日～8月13日大部分處于正值部分，這表明測繩變化量為正，測繩變長，這可能是此處巖層發(fā)生局部破壞致使測點(diǎn)處的位移計(jì)發(fā)生下滑；8月13日以后開始發(fā)生劇烈沉降。

由圖2（e）可知，整體上變化趨勢與前面相同；9m深處巖層在7月18日和7月20日發(fā)生兩次向上的突變，分析認(rèn)為這是由于測點(diǎn)處巖體較破碎致使測點(diǎn)處巖層下滑，測繩變長。

圖2 回風(fēng)巷不同深度巖層位移絕對沉降量

圖3（a）～3（e）為運(yùn)輸巷5個測孔的沉降變化曲線圖。開采工作面推至測孔位置處時，由于支撐將測繩處的巖層遮蓋住致使此時無法進(jìn)行測量，因此測不到覆巖發(fā)生較劇烈沉降變化時的值。這是由于上面所述原因使得圖形最后部分沒有發(fā)生類似回風(fēng)巷各孔的劇烈下降，這說明支架暫時有效阻止了巖層的移動。且離工作面越近測孔變化越劇烈，巖層越高垂直位移變化速度越小，即從淺部到深部的巖層移動總體上呈下降趨勢。由圖3（b）可以看出8月2日以后覆巖開始發(fā)生近于直線的下降；3m和5m測點(diǎn)在9月3日發(fā)生向上的突變，這說明這兩處發(fā)生了局部垮落，這可能是支架沒有有效發(fā)揮支撐作用所導(dǎo)致的。

圖3 運(yùn)輸巷不同深度巖層位移絕對沉降量

4 結(jié)論

通過多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)時監(jiān)測了工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷頂板巖層深0～20m范圍內(nèi)的巖層移動規(guī)律。在開采過程的前期監(jiān)測所得位移變化量很小，并呈現(xiàn)出一定規(guī)律的上下波動，這主要是遠(yuǎn)處覆巖周期性垮落對測點(diǎn)處覆巖的影響，當(dāng)工作面推過監(jiān)測區(qū)域后才會引起垂直位移的急劇增加；回采工作面推過一定距離（5m左右）后，監(jiān)測所得位移急劇增加，但是巖層位移速度不盡相同，特點(diǎn)是越向上越慢，這表明在各層覆巖之間出現(xiàn)了離層；利用覆巖隨時間位移變化曲線可以計(jì)算出7605工作面上覆巖層的周期來壓步距分布區(qū)間，本項(xiàng)目周期來壓步距大致為9.0m到14.0m左右，這與礦區(qū)其他相鄰工作面來壓步距大致吻合，驗(yàn)證了所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1] 湯建泉，何滿潮，馬慶云等.開采覆巖運(yùn)動和破壞規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國煤炭，1996（2）

[2] 周宏偉，謝和平，左建平.深部高地應(yīng)力下巖石力學(xué)行為研究[J].力學(xué)進(jìn)展，2005（1）

[3] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000

[4] 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

[5] 陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994

[6] 宋振騏.實(shí)用礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988

[7] 何滿潮，錢七虎.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2010

Field observation on strata movement law for thick coal seam mining

Wang Shuzhong1，Wang Jilin1，Yu Yang2，Hu Xuejun1，Liu Lianfeng2，Xiong Guojun2

（1.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

Most of the existing observations are focus on the roadway roof movement in the range of 5－8meters in the literatures.In this paper，multipoint displacement meter has been applied to real－time monitor the movement law of strata locating in the material and transportation tunnel in the range of 0－20m.The movement law of strata under different back mining stages has been obtained.Based on the movement curve of strata，we deduce the period pressure step.These may be helpful for the mining engineering.

deep mining，deep strata，multipoint displacement meter，real time monitor，strata movement law

TD325

A

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（2009QL08）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）資助項(xiàng)目（2010CB732002）；2010年度北京市科技新星計(jì)劃（2010B062）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET－09－0726）資助

王樹忠（1965－），男，博士研究生，高級工程師，主要從事采礦工程技術(shù)及管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）