煤炭開采與巖層控制的時間尺度分析

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實驗室，北京 100013 )

時間是物質運動與變化的持續性、順序性的表現，包含時刻與時段2個概念。時間與某種變化有關，沒有變化，就沒有時間。時間尺度是完成某一過程所需時間的平均度量。一般情況下，過程演變越慢，時間尺度越長。

時間是物理學中7個基本物理量之一，時間尺度在物理學研究中非常重要[1]。圖1為物理學研究對象的時間尺度[2]。人類能感受到的時間尺度一般從零點幾秒(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 )，當開展地球物質組成與構造、地殼運動、礦產資源形成與演化等地質學研究時，常以萬年、百萬年的地質時間尺度對地球發展年代進行分段[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，則屬于天文學的研究范圍，常以億年、十億年的宇宙時間尺度思考。物理學研究的另一個方向是極短時間的物質與過程，代表性的分支是研究組成物質和射線的基本粒子及其相互作用的粒子物理學，其中強相互作用的特征時間僅為10-23s[4]。目前物理學研究的最小時間尺度為普朗克時間，5.4×10-44s。上述物理學研究的時間尺度共跨61個量級。

圖1 物理學與采礦工程研究的時間尺度分布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，并盡量減少開采對生態環境損傷的學科。該學科的主要研究對象是煤炭及煤系地層，涉及煤炭的形成、構造運動及應力場演化、煤炭資源分布及地質條件、煤巖體物理力學性質、煤炭開采及巖層控制等多個方面，均與時間有關。目前研究的時間尺度見表1，從1016～10-7s，共跨23個量級。

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

本文以時間為主線，介紹國內外煤炭開發歷史，煤炭開采與巖層控制在不同時間尺度的主要研究內容，煤炭開采參數的時間尺度，煤巖力學試驗時間尺度，及煤巖破碎、變形與破壞的時間尺度，以期對煤炭開采與巖層控制技術研究在時間上有一總體了解。

1 成煤年代與構造運動的時間尺度

煤是埋藏在地下的古代植物，經過漫長、極其復雜的生物化學和物理化學變化形成的固體可燃性有機巖。煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構造密切相關[5-7]。煤炭在整個地質年代中( 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( 距今3.54億～2.95億a )是第1個重要的成煤期，與后續的二疊紀( 距今2.95億～2.50億a )合并稱為石炭―二疊紀成煤期，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( 2.08億～1.37億a )為第2個重要成煤期，接下來的白堊紀( 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；新生代的古近紀和新近紀( 65~2.6 Ma )為第3個重要的成煤期，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、煤的物理化學力學性質等均有所不同。當成煤環境溫度、壓力相近的情況下，經歷的時間越長，煤化程度越高。由表2可知，成煤期的時間尺度為1013~1016s。從地質年代的尺度，可分析研究時間對煤炭形成、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因素。構造作用不僅影響成煤過程中的成煤場所、物質來源、煤化進程、煤層分布等，而且在成煤期后形成的褶皺、斷裂等地質構造，會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定地塊和構造活動帶經多次拼合而成的復合陸塊，板塊規模小，活動帶密度大，且經歷了漫長的多旋回、復合造山過程。中國大陸板塊特征決定其煤盆地的鮮明特色。與歐洲大陸、北美的含煤區相比，中國煤盆地類型多樣，后期改造強烈，煤層賦存狀況復雜。

一般情況下，成煤時代越早，煤層經歷的構造運動越多，地質條件越復雜。自古生代以來，我國大陸經歷了4個主要構造運動：海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動( 表2 )。不同時代、不同地域的地殼運動及其疊加作用對大地構造演化的影響不同，導致不同成煤期、不同地域的煤盆地所受到的影響也有明顯的差異。

以華北地區的石炭—二疊紀煤盆地為例，經歷了上述4個主要構造運動的影響。已有的研究成果表明[13]：在海西運動期晚古生代，華北板塊相對比較穩定，地層基本呈連續沉積，沒有明顯的構造變形；印支運動期是華北晚古生代煤盆地開始強烈變形與破壞的時期，受華北板塊和揚子板塊強烈碰撞的影響，出現東西向的褶曲及擠壓斷裂構造；燕山運動期華北板塊主要表現為板塊內部變形。在前期主要是陸內的強烈擠壓變形，形成遠離板塊邊緣的造山帶和相伴的褶曲—斷裂帶。在后期受到區域一定方向的伸展作用，板塊上一些原有的逆斷層逐步轉化為正斷層，并形成一系列斷陷盆地；喜馬拉雅運動與印支、燕山運動相比的影響較小，繼承了燕山運動后期弱擠壓應力環境，并出現伸展斷陷構造。在整個構造運動過程中，地質構造具有“多旋回”的演化特征。

相反，對于鄂爾多斯煤盆地中的侏羅紀煤系和內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造特征。因此，煤系地層中地質構造少、煤層賦存穩定、煤層結構完整。

地應力，特別是構造應力是煤田地質構造形成、變形、發展的根本驅動力。因此，研究地質構造的演化，必須要研究構造應力場的分布特征與變化規律[14]。區域構造應力主要來源于大陸板塊邊界相對運動和板內深部物質活動。古生代以來，我國大陸板塊經歷了多期不同類型、不同方向及不同強度的區域應力場作用[15]。圖2為我國大陸板塊主應力跡線分布[16]。我國大陸板塊受到印度板塊和太平洋板塊的推擠，同時受到菲律賓板塊與西伯利亞板塊的約束，導致板塊發生擠壓變形，產生水平方向的擠壓應力場。研究這些構造應力場的演化歷史對了解煤的形成、含煤地層賦存狀況與地質構造演化具有重要作用。

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

2 煤炭開采的發展歷史

2.1 國內外煤炭開采歷史

( 1 ) 國內煤炭開采歷史

表3為煤炭開發史上的一些重要事件。根據考古發現，在人類歷史上，中國古人最早發現和利用煤的時間可上溯到新石器時代晚期，距今約6 800 a[17-18]。根據歷史記載，我國煤炭開采始于西漢( 公元前202—公元8 )，當時陜西、河南、河北、江西等地區的煤炭已得到不同程度的開采和利用。大規模開采和使用煤炭，始于宋朝( 960—1279 )，煤炭開采與利用技術得到快速發展，開采煤炭的地區也越來越多。經歷了宋元時期，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，到明清時期，煤炭開采技術在局部得到進一步改善。明末宋應星在《天工開物》中詳細記載了煤的種類及采煤技術，包括地質、開拓、采煤、支護、通風、提升以及瓦斯排放等，說明當時采煤技術已達到相當高的水平。但總體來說，煤炭開采依舊停留在手工作業的水平上。

表3 煤炭開發若干歷史事件時間( 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志是引進西方先進的采煤技術與設備，即西法開采技術( 機器采煤 )，及以蒸汽為動力的提升機、通風機及排水機等設備[19]。1876年開辦的臺灣基隆煤礦，1879年正式投產，是中國第1個采用機器開采的煤礦，是中國近代煤礦的先聲。1877年設立的開平礦務局，1881年投產，最高日產能力達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，帶動了中國近代煤炭工業的興起。1912年，中國煤炭產量近900萬t。到1936年，全國煤炭產量達3 934萬t，其中煤炭年產量50萬t以上的煤礦有61個，60萬t以上的有10個煤礦，包括開灤、撫順、中興( 棗莊 )、井陘、本溪、西安、萍鄉等煤礦。到1949年全國煤炭產量為3 243萬t。

新中國成立后，黨和政府十分重視煤炭工業的發展，建設了大批新礦井，原煤產量飛速增長。特別是改革開放以來，煤炭工業發展取得了更為突出的成就，采煤、掘進、運輸、通風等生產環節的機械化、自動化水平和生產集中化程度大幅提高，平均單產、工效增長很快，創造了許多新的世界紀錄。1989年我國煤炭產量突破10億t，達到世界第1；2013年，煤炭產量為39.7億t，達到歷史最高水平；之后煤炭產量有所下降，2018年以來又開始有所回升，2019年產量為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世紀起，開始在紐卡斯爾開采煤炭。16世紀末到17世紀后期，英國的煤礦發展已經初具規模。1700年，英國的煤炭產量達到270萬t。世界近代煤炭工業是從18世紀60年代英國產業革命開始的。1705 年英國人托馬斯·紐可曼( Thomas NEWCOMEN )發明了世界上第1臺大氣活塞式蒸汽機，1764年詹姆斯·瓦特( James WATT )對蒸汽機進行了重大改進[20]。伴隨著蒸汽機在工業領域的廣泛使用，煤炭工業在世界范圍內逐步建立起來，煤炭成為人類生產生活的主要能源，帶來了前所未有的巨大生產力，推動了工業和整個人類文明史的跨越式發展。英國1815年的煤炭產量達2 300萬t，1861年超過5 000萬t，1913年達2.92億t。德國1850年的煤炭產量只有500萬t，1871年達到4 300萬t，1900年達到1.5億t。法國、比利時1900年的煤炭產量分別是3 300萬t、2 400萬t。美國1850年的煤炭產量僅為800萬t，到1900年達2.45億t，1913年達5.17億t，成為當時世界最大的煤炭生產大國[21]。煤炭成為18世紀以來人類使用的主要能源之一。

第1次世界大戰前后，世界煤炭產量為13.2億t，達到一個高峰，占世界一次能源總產量的92.2%。從20世紀20年代開始，世界能源結構逐漸由煤炭轉向石油和天然氣，煤炭產量增長緩慢，1950年的世界總產量為18.2億t。20世紀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年英國煤炭工業實現國有化，1956年的煤炭產量為2.5億t，而到20世紀70年代，英國歷史上第1次開始大量進口煤炭。1994年英國煤礦重歸私有化，1999年的煤炭產量下降到3 700萬t。

進入21世紀以來，英國、德國等發達國家的煤炭產量逐年下降。2015年英國關閉了最后一個井工煤礦，始于300多年前的煤炭井工開采告別歷史舞臺。德國于2018年也關閉了最后一座井工煤礦。美國、澳大利亞仍然是采煤大國，2019年的煤炭產量分別為6.39億t、5.06億t。2019年的世界煤炭總產量達到81.29億t，產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年中國的煤炭產量占全球總產量的47.3%。

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

2.2 煤炭開采技術發展歷史

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

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

隨著蒸汽機的發明及應用，使煤炭開采進入機器開采時代。蒸汽為提升、通風及排水提供動力，后來又發明了蒸汽驅動的圓盤式截煤機，大幅提升了生產效率。氣動沖擊式鑿巖機、安全炸藥的發明及在煤礦的應用，革新了煤礦開采與掘進技術。

世界機械化采煤始于20世紀40年代。英國、德國、前蘇聯相繼研制出采煤機、刨煤機，使工作面落煤、裝煤實現了機械化[23]。1954年，綜合機械化長壁開采技術在英國問世，是世界采煤史上的一次重大技術革命。隨后德國、前蘇聯、波蘭等國家進行了綜采技術的試驗與應用。美國一直大量采用房柱式開采，在20世紀50年代從德國引進綜合機械化長壁開采技術，70年代中期又從德國引進掩護式液壓支架，使得長壁綜采技術得到認可和廣泛應用[24]。目前，綜采已成為世界主要產煤國家的主體采煤技術。

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

如前所述，中國近代煤礦開采技術在19世紀70年代從西方國家引進。之后，逐步形成了煤礦開拓、采煤系統，采煤與掘進有了區別，出現殘柱式、高落式、灑砂充填等采煤法。礦井提升、通風、排水等輔助生產環節逐步實現了機械化，但采煤與掘進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簸運機和電動割煤機，在100 m長的工作面進行采煤，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用，工作面落煤采用爆破技術，運煤采用刮板輸送機，并使用機械回柱。為提高采煤機械化程度，從20世紀50年代開始，我國試驗了截煤機掏槽、爆破落煤及裝煤工藝，采用過深截式聯合采煤機。1958年開始水力采煤技術試驗與應用。到20世紀60年代，試驗了淺截式采煤機、可彎曲刮板輸送機、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，實現了包括落煤、裝煤、運煤、支護的普通機械化采煤。

1970年11月，我國第1套綜采設備在大同煤峪口煤礦進行了工業性試驗，標志著我國煤炭開采技術進入綜采時代[27]。1974、1977年分別引進43、100套綜采設備，并進行了大量后續自主研發。1984年4月沈陽蒲河煤礦進行了第1個緩傾斜厚煤層綜放開采工作面井下工業試驗[28]，隨后，綜采放頂煤開采技術逐步得到推廣應用，煤炭產量與效益不斷提高。

進入21世紀后，大采高、超大采高綜采，普通綜放、大采高綜放開采技術與裝備得到快速發展，工作面采高、煤炭產量不斷刷新世界紀錄。目前，一次采全高開采最大采高達8.6 m，工作面年生產能力突破1 500萬t[29]；大采高綜放開采技術在20 m特厚煤層得到成功應用，工作面年產量突破1 000萬t[30]。

物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的快速發展促進了我國煤礦自動化、智能化水平不斷提高[31]。2014年，黃陵一號煤礦研發出1.4～2.2 m中厚煤層自動化成套裝備，開創了工作面“有人巡視、無人值守”的自動化、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研究與試驗應用，成為今后煤礦安全高效開采的主要發展方向。

縱觀世界2 000多年( 時間尺度1010s )的煤炭開采技術發展史，采煤技術的進步不僅得益于對煤炭地質條件的不斷了解，對采煤工藝的不斷探索，對礦山壓力規律的不斷認識，也取決于開采裝備的進步，與其他行業( 機械、電氣、材料、信息等 )的發展也有很大關系。特別是最近60多年( 時間尺度109s )來，煤炭開采技術與裝備的創新與變革，促進了現代煤炭工業的快速發展，為全球工業和社會發展奠定了能源基礎。但是，我們必須清醒地認識到，在世界范圍內，煤炭作為主體能源的鼎盛時期已經過去，一些歐洲發達國家經過二三個世紀的開采后已關閉井工煤礦，煤炭在能源消費中所占的比重也逐漸下降。在新形勢下如何繼續做好煤炭開采與利用這篇大文章，值得我們深思。

3 煤炭開采工藝參數的時間尺度

井工煤礦開采是根據煤田分布，劃分成不同的礦區、礦井、水平、采區、區段進行的，其時間尺度見表4。

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

礦區統一規劃和開發一個煤田或其中的一部分，包括若干煤礦。礦區的范圍及年限一般根據煤炭資源規模、地質與生產條件及地面設施等而定。一個礦區的開采年限一般為幾十年到二三百年。在國外，以德國魯爾礦區為例[33]，該礦區在14世紀初就開始煤炭開采活動。進入19世紀，蒸汽機的應用有力促進了煤炭開采的發展。1850年后煤礦更是飛速發展。隨著時間的推移，煤炭開采帶來的一些問題逐漸暴露出來。2018年魯爾礦區關閉了最后一座煤礦，宣告該礦區250多年煤炭開采史的結束。

開平礦務局始建于1877年，是我國大陸最早的礦區，到現在已有143年的歷史，至今，開灤礦區仍然是我國的重要產煤基地。徐州利國礦務總局成立于1882年，1959年成立徐州礦務局，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50年代成立淮南礦務局，至今已有123年的歷史。很多大型礦區是新中國成立后建設的，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，已有40～70 a的歷史。改革開放以來，我國進一步加大了現代化煤礦區的建設，最典型的是20世紀90年代建設的神東礦區，已成為我國乃至世界最大的煤炭生產基地。從上述分析可知，一個礦區開采年限的時間尺度為109s。

礦井是形成井工煤礦生產系統的井巷、硐室、裝備、地面建筑物和構筑物的總稱。礦井的井田范圍大小、煤炭儲量、礦井生產能力和服務年限等是礦井的關鍵參數。表5為我國煤礦設計規范規定的各種井型礦井與開采水平設計服務年限[25]。從小型到特大型礦井，設計服務年限為50～80 a，時間尺度為109s。近十幾年來，隨著煤礦產量的不斷提高，千萬噸礦井的大量出現，礦井的服務年限有減少的趨勢。

表5 不同井型礦井與開采水平設計服務年限[25]Table 5 Service periods of coal mines and mining level with various production capabilities[25]

礦井可根據井田內可采煤層層數、煤層傾角、井田尺寸( 斜長和垂高 )等，設置一個或幾個開采水平。開采水平的設計服務年限一般為礦井服務年限的1/3～1/2，對于大型礦井第1水平服務年限應不低于30 a。

一個開采水平可分為若干采區進行開采。一般有生產采區和接替采區。為了簡化生產系統，提高礦井集中生產水平，同時開采的采區不能過多。中小型礦井的同采采區應為1～2個，大型、特大型礦井的同采采區可為2～4個。采區的服務年限一般為幾年至十幾年，時間尺度為107～108s。

一個采區又可劃分成若干區段回采。根據采區尺寸、煤層賦存條件、地質構造等合理布置采煤工作面進行回采。工作面服務時間與煤層條件、工作面參數( 傾斜長度、推進速度等 )、采煤工藝與裝備等多種因素有關，一般為幾個月到1～2 a，時間尺度為107s。

煤炭開采中的任何作業、工序均需要一定的時間完成，只是所用的時間不同而已。煤炭開采涉及的很多參數與時間有關，見表6，時間尺度從毫秒( 10-3s )到年( 107s )。速度是常用參數，包括線速度與角速度。線速度包括采煤工作面推進速度、掘進進尺、鉆孔進尺等，常用的時間單位為年、月、日、班等；對于膠輪車等井下輔助運輸設備，速度常以小時計量；對于采掘設備的行走速度，運輸設備的帶速、鏈速等，常用的時間單位為分、秒；對于風、水等流體的流速，多用單位m/s來描述。角速度用來評價物體轉動的快慢，一般用轉速來描述，煤炭開采中用到很多轉動構件，如采煤機截割滾筒、掘進機截割部、鉆機、通風機、泵及各種電機等，常用的單位為r/min。

表6 井工煤礦開采參數的時間尺度Table 6 Temporal scales for underground coal mining parameters

單位時間的產量、通過物質的量也是煤礦生產中常用的參數，如煤礦的年、月、日產量，工作面的班產量。衡量刮板輸送機、帶式輸送機等運輸設備的能力常以小時、分為時間單位。評價通風量、泵流量等參數，常以分、秒為單位。

以上分析了秒級及以上的時間尺度，在煤炭開采過程中，有些設備控制過程、工序的時間更短，可達到毫秒級。如在液壓支架上采用的電液控制系統，電磁先導閥的開啟響應時間≤90 ms，復位時間≤120 ms，系統的響應時間≤300 ms[34]。巖石爆破在煤礦應用很多，其中毫秒爆破對雷管延期時差要求很嚴格。時差較短的為6～10 ms，一般為15～30 ms[35]。

與時間有關的另一個物理量是加速度( 線加速度和角加速度 )，用以描述速度變化的快慢。加速度對設備的啟動和制動非常重要，很多設備要求能快速啟動，提高效率；遇到危險能立即制動、停止，避免損失。同時，在設備運行過程中，應盡量保持平穩，避免速度過大的變化。

4 煤巖力學試驗的時間尺度

巖石力學試驗是了解煤炭開采與巖層控制中遇到的煤巖物理力學性能及參數的重要方法。巖石力學試驗按試驗場所可分為實驗室試驗與井下原位試驗；按試驗時間可分為靜態和動態試驗。動態試驗主要用于鑿巖、爆破、振動、抗震、巖爆、沖擊地壓等動力現象的研究[36-37]。應變率是巖石動力試驗中的一個重要參數，一般情況下，應變率越高，巖石的動態抗壓、抗拉強度及彈性模量越大。按照應變率大小可將巖石力學試驗劃分為蠕變、靜態、動態及超動態，如圖3所示[38-39]。一般認為，常規巖石力學試驗的應變率為10-5～10-1s-1；流變試驗的應變率小于10-5s-1；巖石動態試驗的應變率為10-1～104s-1。從蠕變到動態，巖樣的破壞時間可從數年( 108s )到幾微秒( 10-6s )。

圖3 巖石力學試驗應變率及破壞時間分布Fig.3 Distribution of strain rates and damage periods in rock mechanics tests

4.1 常規巖石力學試驗

任何巖石力學試驗的完成都需要一定的時間。對于實驗室常規巖石力學試驗，包括單軸、三軸壓縮、抗拉強度、抗剪強度試驗等，在國家有關試驗方法標準及要求中，已明確了加載速度( 表7 )[40]，巖樣從開始加載到破壞的時間從十幾秒( 101s )到數分鐘( 102s )不等，三軸壓縮試驗需要施加圍壓與軸向壓力，試驗步驟較多，需要更長時間。

表7 常規實驗室巖石力學試驗加載速度與破壞時間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工作[41]。沖擊傾向性評價有3個指標，其中之一是煤層動態破壞時間。該時間可通過常規單軸壓縮試驗得到，即煤樣從極限強度到完全破壞所經歷的瞬態延續時間。有關國家標準中規定了評判標準[42]：>500 ms為無沖擊傾向，≤50 ms為強沖擊傾向，兩者之間為弱沖擊傾向。

4.2 巖石動載試驗

目前，國內外有多種巖石動態試驗方法及設備[38]。其中，液壓、氣動快速加載機，其應變率可達10～20 s-1；霍普金森桿裝置可研究機械沖擊和爆破等問題，常用應變率范圍為102～103s-1。國外的一些試驗表明，當應變率在102s-1量級時，巖石的破壞時間為20～25 μs；對于應變率要求達到104s-1以上的試驗，一般采用爆轟加載的萊茵哈特彈技術，平板撞擊技術( 炸藥平面波發生器和輕氣炮 )，國外還使用電磁加速技術，加載時間可以從亞微秒到4～5 μs。可見，巖石動力學試驗中，最小的時間尺度可達到10-7s量級。

巖石的動彈性模量、動泊松比等參數可采用聲波試驗，由測量縱波或橫波波速獲得。對于100 mm高的巖樣，假設巖塊中縱波波速為3 000 m/s，則縱波在巖樣中的傳播時間僅為33.3 μs。巖石聲波試驗方法標準中規定，時間測量精度應達到0.1 μs。

4.3 巖石流變試驗

任何巖石變形均具有不同時間尺度的時效性，即流變性。如地殼在億萬年的構造運動過程中發生的變形，應變率僅為10-14～10-16s-1[43]，而有些軟巖的應變率可達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。

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

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

巖石流變有一個下限，當巖石所受應力值達到或超過該下限值，才產生隨時間而增長的流變變形。典型的蠕變曲線分為3個階段( 圖4( a ) )：減速蠕變階段、穩定蠕變階段及加速蠕變階段。與時間相關的巖石總應變[45]可表示為

式中，ε( t )為t時間的總應變；ε0為瞬時應變；ε1( t )，ε2( t )，ε3( t )分別為減速、穩定、加速蠕變階段的應變。

蠕變速率與巖石性質及所施加的載荷大小有關，穩定蠕變的應變速率一般為10-6～10-10s-1，最大可達10-4s-1的量級。

根據蠕變試驗中試件的受力狀態，可將巖石蠕變試驗分為：單軸壓縮、三軸壓縮、扭轉、彎曲及剪切蠕變試驗[46]。加載設備包括伺服試驗機、砝碼杠桿式、彈簧式、油-氣儲能器式等設備。加載方式主要有2種：逐級增量加載方式和分級加卸載方式。前者逐級施加載荷，每級載荷巖石蠕變一定時間或達到穩定后，再接著施加下一級載荷，直至試件破壞；后者是每級載荷巖石蠕變一定時間或達到穩定后，卸載并觀測蠕變變形的恢復，然后再重新施加下一級荷載，直至試件破壞。無論是何種加載方式，每級載荷的加載時間和達到穩定的判別是很重要的參數。根據巖石性質及試驗目的，加載時間長短不等，從數小時到數月，有的甚至達幾十年，時間尺度范圍達103～109s。常用的加載時間為數小時、數天到數月。對于變形穩定的判別，有些試驗中將10 000 s內變形量小于0.01 mm認為達到穩定。

煤是具有多相介質的有機巖，常含瓦斯、水等流體，其組成與內部結構比巖石復雜得多[47]。除個別礦區的煤層以外，煤的強度與彈性模量相比巖石要小，會在較低的應力下發生明顯變形，其流變行為與巖石有很大差異。煤樣流變試驗不像巖石材料那樣多，下面介紹2個試驗。

山東某煤礦3號煤單軸抗壓強度為10.09 MPa。煤樣流變試驗加載過程[48]為：在同一試件上依次加載2～8 kN，共7級，級差為1 kN。每級加載時間2 h，數據采集間隔時間為10 s。試驗表明：煤樣流變下限值為3.44 MPa；長期強度為3.86 MPa，其與單軸抗壓強度的比值，即流變系數僅為0.383，遠低于一般巖石( 0.6～0.8 )。

華北某煤礦3號煤單軸抗壓強度為12.6 MPa。每塊煤樣流變試驗2個月，每5～7 d加載一次，試驗結果如圖5所示[49]。可見，初期的3級加載引起的煤樣變形大，但蠕變不明顯；后續各級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；當載荷超過5.5 MPa時，煤樣變形急劇增大。煤樣的流變系數為0.467，長期強度不到其單軸抗壓強度的一半。

4.4 巖石動靜組合試驗

煤礦井下圍巖不僅受地應力作用，而且受開挖引起的集中應力、采動應力作用，及振動、爆破、沖擊地壓等影響，是典型的動靜組合受力模式。為了研究上述問題，開發了多種巖石動靜組合加載試驗設備，目前主要有靜載與微擾組合加載、基于SHPB的動靜組合加載2種試驗設備[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動載；后者是在SHPB裝置的基礎上，增加液壓機構施加靜載，通過啟動應力波發生裝置施加動載荷。

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的巖石，其受到爆破、沖擊地壓等動載擾動后的變形與破壞特性，研制出巖石流變擾動效應試驗系統[50-51]，靜載采用砝碼加載、盤輪和曲軸兩級擴力，擾動載荷利用爆炸載荷或重物下落的沖擊載荷施加。還研發出基于全液壓非伺服高精度蠕變穩壓系統的巖石蠕變-沖擊試驗機[52]。試驗結果如圖6所示，每12 h施加1次沖擊擾動，共施加3次，歷時36 h。沖擊后巖石軸向應力和應變瞬時增大，軸向應力會在300 μs左右恢復到沖擊前的水平，3次沖擊引起的應變增加分別為345με、418με、666με，逐次增大，蠕變變形也不斷增加。隨時間延長，軸向應變經歷了減速、穩定、加速蠕變階段。在加速蠕變的瞬間，軸向應變急劇增加。

圖6 巖石蠕變-沖擊試驗中軸向應變-時間曲線[52]Fig.6 Axial strain-time curve of rock sample under creep-impact test[52]

4.5 現場原位試驗

現場原位測試在井下地質環境中進行，與實驗室巖樣試驗相比，具有試件和測試范圍大，能夠考慮煤巖體非均質性、各向異性、結構面等多種因素等優勢，因此，測試結果更接近巖體。原位測試內容和方法較多[53-54]，包括巖體變形、巖體強度、巖體應力及巖體聲波試驗等。井下環境與地面實驗室的條件相差很大，測試對象的空間尺度更大，因此，所需的測試時間一般更長。如在巖體變形與強度測試過程中，加載時間間隔一般以分鐘計算，完成測試需要數小時甚至更長時間。下面以地應力測量為例進行介紹。

煤礦井下地應力測量主要采用空心包體應力解除法和水壓致裂法[14]。應力解除法通過測量巖心解除前后應變的變化確定地應力大小和方向，套鉆解除是關鍵工序。套鉆深度應超過孔底應力集中影響區，一般為400～600 mm。應進行連續套鉆解除，每鉆進20 mm讀數一次。解除時間與所采用的鉆機、鉆具、巖石性質等有關，一些測點在20～30 min內可完成解除過程。套鉆解除后，需將帶有應變計的巖心進行圍壓試驗，間隔時間不宜超過24 h。

水壓致裂法通過注水壓裂所選鉆孔段巖石獲得地應力值和方向，準確確定破裂壓力、重張壓力、關閉壓力是關鍵，如圖7所示[55]。影響這些參數的主要因素除原巖應力外，還有巖石的抗拉強度、滲透性以及水泵的流量等。已有研究表明[56]泵流量( L/min )對破裂壓力有不同程度的影響：對于低滲透性巖石，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，在進行水壓致裂應力測量的第1回次壓裂時，應采用較大的流量，以降低巖石滲透性的影響。壓裂一般進行4～7個回次，具體次數應根據重張壓力是否趨于穩定而定。每個回次時間一般在1 min左右，完成整個壓裂過程需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

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

綜上所述，煤巖力學試驗從流變、靜態、動態到超動態，試驗時間、加載時間、巖石破壞時間可從幾十年到亞微秒，時間尺度范圍為10-7～109s。

5 煤巖破碎的時間尺度

煤炭開采與巖層控制主要有兩大任務：一是煤巖破碎，將煤炭資源采出；二是采掘空間的維護，保證采煤作業的順利進行并運輸到地面。

煤巖破碎包括采煤、掘進2個環節，如前所述，作業方式經歷了手工、爆破、機械截割的發展過程。2018年，我國煤礦采煤機械化程度已達96.1%，掘進機械化程度為54.1%。

采煤機是工作面落煤的核心設備，對于放頂煤開采，支架后方的頂煤冒落也很重要。與時間有關的采煤機參數主要包括采煤機牽引速度( m/min )、截割滾筒轉速( r/min )及開機率等。工作面的產量均是在一定時間內完成的，包括工作面完成1個正規生產循環所需要的時間，不同時間段的工作面推進速度和產量( 班、日、月、年 )等。如對于煤層采高3 m、采煤機截深0.8 m、工作面長度250 m、年產量300萬t的工作面，按300 d有效工作時間計算，工作面主要 生產參數：產量為5 000 t/班( 2班生產、1班檢修 )，1萬t/d，25萬t/月，300萬t/a；推進長度為4.76 m/班，9.52 m/d，238 m/月，2 856 m/a。

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

液壓鑿巖機用于鉆鑿巖石中的爆破孔、錨桿鉆孔及其他鉆孔，具有沖擊、回轉功能，通過沖擊、回轉、推進與巖孔沖洗完成鉆孔工作，綜合指標為鉆孔速度( m/min )[57]。液壓鑿巖機沖擊性能參數包括沖擊能、沖擊頻率、沖擊功率、液體工作壓力及工作流量等，均與時間有關。沖擊能是沖擊活塞每沖擊一次具有的能量，活塞質量一定時，其取決于活塞運動速度( m/s )；沖擊頻率是活塞運動周期( s )的倒數，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200 Hz；活塞運動速度為4.5～12 m/s，加速度可達數百至數千m/s2。沖擊活塞運動周期由活塞沖程、回程時間及活塞沖擊釬尾停頓時間組成，前兩者取決于活塞行程與速度，而沖擊釬尾停頓時間較短，淺孔鑿巖時僅為0.5～0.7 ms[58]。活塞沖擊釬桿，由釬桿將沖擊能以應力波的形式傳遞給巖石，使其破碎。圖8為采用應力波法測得的釬桿應力譜[59]，沖擊頻率為48～62 Hz，在16～20 ms完成一次沖擊，釬桿最大動應力達240 MPa，這些高幅值的應力決定了鑿巖機破碎巖石的能力。

圖8 液壓鑿巖機釬桿應力譜[59]Fig.8 Stress spectrum on rod of hydraulic hammer drill[59]

爆破是利用炸藥爆炸瞬間產生的幾千攝氏度的高溫及幾萬兆帕的高壓，形成每秒數千米的爆炸沖擊波，在巖石中產生很高的徑向與切向應力，使炸藥周圍巖石發生粉碎、破裂的過程[60]。炸藥在反應區內變成爆炸氣體產物的時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，在煤礦井下準許使用電雷管，按引爆的時間分為瞬發電雷管、秒延期電雷管及毫秒延期電雷管。煤礦井下應用最廣泛的毫秒延期電雷管的延期時間為：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爆器，電容式發爆器的供電時間僅為2～6 ms。

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

巖石爆破理論認為，爆炸引起的巖石破壞是爆炸應力波與爆生氣體共同作用的結果，在炸藥周圍的巖石會形成粉碎區、裂隙區及彈性震動區，因此，研究爆炸應力波在巖石中的傳播特征與規律非常重要。楊仁樹[62]等在有機玻璃上設置炮孔，模擬研究了爆破應力波的傳播，在距炮孔100 mm處應變測試結果如圖9所示。與時間相關的試驗參數為：P波波速2 320 m/s，S波波速1 260 m/s，爆破應力脈沖延續時間2 μs。由圖9可知，應力波作用時間僅為10 μs左右，測點徑向先受壓后受拉，壓應力作用時間短，拉應力作用時間長。應變上升沿時間僅為2 μs，下降沿時間為6 μs。

圖9 爆破模擬中應變-時間曲線[62]Fig.9 Strain-time curve in physical explosion simulation[62]

掘進機是掘進工作面機械破巖的關鍵設備。與時間有關的掘進機參數主要包括掘進機行走速度( m/min )、截割頭轉速( r/min )、裝載能力( t/min )、運輸能力( t/min )等。如果掘進機上配有錨桿鉆機，還包括錨桿鉆機的相關參數( 轉速、給進速度等 )。與采煤工作面類似，掘進進尺也是在一定時間內完成的，常用班、日、月、年進尺衡量掘進的快慢。我國煤巷機械化掘進主要有3種方式：懸臂式掘進機配單體錨桿鉆機工藝，連續采煤機配錨桿臺車交叉換位工藝，及掘錨聯合機組工藝[63-64]。第1種工藝使用最多，月進尺一般為200～500 m/月，少數煤礦可超過500 m/月；第2種工藝適合頂板條件好的礦區，如神東礦區最高掘進速度達3 060 m/月；第3種工藝在條件適合的情況下，月進尺可達到1 000 m。另外，由中國煤炭科工集團太原研究院等單位研發的快掘系統，在神東大柳塔煤礦創造了日進132 m、月進3 088 m的紀錄。除煤巷掘進外，有些礦區還在巖巷中試驗應用了TBM，如陽泉新景煤礦，TBM小時破巖速度為1.5 m，最高小班進尺達10.5 m，最高日進尺為20.1 m，月進尺可達到450 m以上。

無論是采煤機還是掘進機，在截割煤巖的過程中均會產生周期性強烈振動。主要原因是煤巖硬度與力學性質不均勻；截割頭上的截齒分布不連續，參與截割的截齒數與截齒瞬時切削厚度不斷變化，產生交變沖擊載荷[65]。強烈振動會造成截齒過度磨損與損壞及掘進機其他部件的疲勞與失效，顯著影響掘進機的可靠性。為此，對掘進機截割頭的振動特征進行監測與分析非常必要。圖10為以EBZ135懸臂式縱軸掘進機為對象，在Matlab中仿真得到的掘進機振動信號時域波形圖[66]。可見，截齒不連續截割煤巖的振動頻率為13.2 Hz，周期為76 ms。正常情況下的振動信號比較平穩，振幅約為2；截齒斷裂時振動幅值呈正弦函數周期性變化，最大幅值約為4，是正常時的2倍。

圖10 掘進機振動曲線[66]Fig.10 Vibration curve of roadheader[66]

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

6 圍巖變形與破壞的時間尺度

煤炭采出或巖石開挖后，形成的采掘空間圍巖會發生不同程度的變形與破壞，需要在不同的時間段進行維護，以保證正常的煤炭生產。

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、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特點是作業場所不斷移動，頂板不斷處于暴露—支護—垮落的循環過程，液壓支架對頂板巖層的作用不斷處于加載與卸載的狀態。上述3個特點決定了采場圍巖變形與破壞隨時間的變化規律。

隨著工作面從開切眼不斷推進，頂板巖層將依次出現直接頂垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，從而引起采場圍巖變形、應力與支架阻力的不斷變化，這些變化均與時間有關。頂板下沉、圍巖應力重新分布、頂板巖層與煤壁破壞及采空區矸石壓實均需要一定時間完成。如初次來壓的持續時間一般為1～3 d，周期來壓持續時間一般較短。描述采場圍巖變形的參數有頂板下沉量、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間內( 1～2 h )即可完成[67]。頂板下沉速度從每小時幾毫米到幾十毫米不等，當頂板發生突然垮落時，頂板下沉會瞬間劇烈增加，甚至出現壓死支架的現象[68]。

在影響采場礦山壓力顯現的主要因素中，工作面推進速度是一個時效性比較強的因素。普通工作面的推進速度一般為每天數米，快速推進的工作面可達每天十幾米，而神東礦區一些條件好的工作面推進速度可達20 m/d以上[69]。假設采煤機截深為0.8 m，控頂距為4.8 m，作業方式為“3班生產、1班準備”，不同推進度的循環時間見表8。由表8可知，加快工作面推進速度，可縮短工作面單個循環的時間，從而影響采場礦壓顯現特點。

表8 不同推進速度的工作面循環時間Table 8 Cycling times of face under various advance rates

很多學者開展了工作面推進度對采場礦壓影響的研究，有些學者[70]認為在一定條件下提高工作面推進速度，可顯著減小采場礦壓顯現程度，有利于工作面圍巖控制；而另一些學者[71]研究發現，提高工作面推進速度，會加劇采場礦壓顯現程度，對圍巖維護不利。總結已有的實測數據發現有以下規律：

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

( 2 ) 隨著工作面推進速度增加，初次與周期來壓步距增大，周期來壓次數減少，持續時間與動載系數增大。

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

圖11 不同推進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 ) 工作面推進速度不同，液壓支架的工作阻力變化特征不同[73]，推進速度較大時，液壓支架多呈現“急增阻—微增阻( —急增阻 )”的趨勢；當工作面推進較慢時，液壓支架呈近似線性一直增長的趨勢。隨著工作面推進速度加大，液壓支架的平均工作阻力有下降的趨勢。

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

( 6 ) 不僅工作面推進速度對采場礦壓有影響，而且工作面推進速度的變化也是一個重要因素。推進速度變化過大，往往會導致采場礦壓顯現強烈。

( 7 ) 加快工作面推進速度對采場礦壓的影響是雙面的：有利的一面是縮短作業循環時間，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；不利的一面是來壓步距增大，動壓影響加劇，彈性能不易釋放，發生沖擊地壓等動力災害的概率增加。應綜合考慮上述兩方面的因素合理確定工作面推進速度，并盡量保持平穩推進。

綜上所述，描述工作面頂板變形與支架阻力變化的時間單位多為分( 101s )、小時( 103s )，描述工作面推進速度及變化的時間單位多為天( 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，但維護時間較長。維護時間最短的是工作面開切眼，從掘進到工作面設備安裝完畢，少則1～2月，多則6個月。回采巷道的維護時間一般為1～2 a，當服務兩個或多個工作面時( 沿空留巷、多巷布置的留巷等 )，維護時間要成倍增加。即使對于同一條巷道，先掘的部分比后掘的部分維護時間要長。如對于一條2 000 m的巷道，平均掘進速度為300 m/月，最先掘進地段比最后掘進地段的維護時間長6.7個月。采區集中巷的維護時間從幾年到十幾年不等，而大巷、主要硐室的維護時間多為十幾年到幾十年，有的與礦井服務年限相當。

圖12為典型的受上下2個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、上工作面開采及下工作面開采引起的附加位移量，mm；t0為巷道從掘進至上區段工作面開采時的維護時間，d；t1為上下工作面開采的間隔時間，d；v0，v1分別為掘進影響穩定期位移速度、上工作面回采影響穩定期位移速度，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個階段：掘進影響期( 圖12中Ⅰ )，掘進影響穩定期( Ⅱ )，上工作面回采影響期( Ⅲ )，上工作面回采影響穩定期( Ⅳ )，及下工作面回采影響期( Ⅴ )。

巷道掘進引起的圍巖變形屬于四維時空問題，即掘進工作面周圍應看作三維空間問題分析，且變形隨時間不斷變化，直至穩定。掘進引起的變形包括3部分：掘進工作面前方變形、掘進工作面后方未支護時的變形及支護后的變形。在掘進工作面前方相當于巷道寬度的距離處，圍巖就開始受到擾動、產生變形，在工作面位置頂板下沉量可達到掘進影響期總下沉量的1/3左右[75]。掘出后、未支護前頂板的自穩時間是一個非常重要的參數，它決定著設置支護的時間、掘進循環進尺的選取。對于非常破碎的煤巖體，剛掘出就可能發生垮落，自穩時間很短，在這種條件下需要采用超前注漿、管棚支護等措施；相反，對于一些堅硬、完整的煤巖體，自穩時間很長，甚至在巷道服務期間不需要支護。Bieniawski在其巖體分類( RMR )系統中，就將巖體類別與自穩時間進行了對應[76]。如Ⅰ類巖體，15 m跨度下自穩時間為20 a；而Ⅴ類巖體，1 m跨度下自穩時間僅為30 min。

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

掘進工作面的端面支撐作用對巷道圍巖變形的影響是有限的，一般情況下，在掘進工作面后方1.5～2倍巷道寬度的距離后，圍巖應力與位移變化趨于穩定，接近于巷道平面應變狀態。當巷道寬度為5 m，日掘進速度為10 m時，1 d左右的時間即可基本穩定。但對于軟巖巷道、深部高應力巷道，掘進影響的時間會很長。圖13為新汶協莊礦某運輸巷頂板離層曲線，該巷道埋深為1 150 m，最大水平主應力高達35 MPa。采用全螺紋等強錨桿、高強度錨桿支護的巷道，離層穩定時間約為40 d，而采用高預應力強力錨桿支護后，離層穩定時間為13 d。可見，掘進影響時間不僅取決于巷道圍巖地質條件，而且與支護形式及參數有很大關系[78]。

圖13 新汶協莊礦運輸巷頂板離層曲線Fig.13 Roof separation curves of a maingate in the Xiezhuang Coal Mine，Xinwen coal area

掘進影響穩定后至受到回采工作面采動影響前，可認為巷道處于蠕變階段，可采用黏彈性、黏彈塑性等理論進行分析。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]可用下式計算：

式中，P0為巷道所受原巖應力；r0為巷道半徑；t為時間；G0為圍巖瞬時剪切變形模量；G∞為圍巖長期剪切模量；Tret為圍巖延遲時間，Tret=TrelG0/G∞；Trel為圍巖松弛時間，Trel=η1/Gm，η1為圍巖黏性組分的黏性系數，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 )為巷道塑性區半徑；M=2P0sin φ+2Ccos φ，C為圍巖黏聚力，φ為圍巖內摩擦角。

可見，無論是黏彈性、黏塑性位移，還是塑性區范圍，均是隨著時間變化的。圓形巷道黏彈塑性位移計算實例如圖14[80]所示，巷道表面位移隨時間的延長不斷增加，當位移超過一定量值，巷道就會失穩破壞。

當巷道逐步接近上工作面時，會受到工作面超前支承壓力的影響，導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，多數處于20～70 m。當上工作面推過巷道后，巷道將受到更強烈的采動影響。晉城礦區的實測數據表明[81]，工作面滯后影響范圍可達300～400 m，而且在50～200 m的位置上圍巖位移速度達到最大，引起巷道強烈底臌、煤幫嚴重擠出。若以超前影響距離50 m，滯后影響距離350 m，工作面推進速度為10 m/d，則巷道要經受40 d的上工作面采動影響。可見，采動影響期間圍巖變形的增加主要是由于采動應力，同時與時間也有關系，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]

當上工作面回采影響穩定后，巷道進入第2個蠕變階段，直至受到下工作面超前支承壓力影響。在這個階段，巷道仍以一定的速度變形，位移速度大于掘進影響穩定階段的位移速度。

當受到下工作面采動影響后，圍巖變形又會逐漸增加，直到巷道報廢。但無論是采動影響程度、影響范圍還是影響時間，都比上工作面滯后影響小。

不僅巷道圍巖變形與時間相關，而且圍巖中裂紋的產生、擴展、匯合，塑性區、破碎區的產生與發展均需要時間。如圍巖松動圈的現場實測數據[82]表明：小松動圈的形成需要3～7 d，大松動圈的形成需要1～3月，且松動圈發展的時間與圍巖變形的時間是一致的。此外，圍巖冒頂、片幫也需要時間，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，各種巷道支護構件的受力變化、變形與破壞均與時間有關，只不過支護構件的物理力學性質、受力狀態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的高強錨桿加工成標準試件，采用金屬蠕變疲勞試驗機得到的錨桿試件蠕變曲線[83]。當蠕變載荷小于錨桿拉斷載荷的60%時，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；當載荷增加至錨桿拉斷載荷的90%時，加載后16 h伸長率增加了0.3%，與時間有關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

礦壓監測是巷道圍巖控制的一個重要內容，對了解圍巖與支護體變形、破壞及巷道的安全程度有重要作用。礦壓監測需要一定的頻度，才能獲得不同時間的礦壓數據。國家標準《煤礦巷道錨桿支護技術規范》明確規定了各類巷道的監測頻度：巖巷距掘進工作面100 m內、煤層大巷距掘進工作面50 m內，頂板離層儀觀測頻度每天應不少于一次；回采巷道距掘進工作面50 m內和回采工作面100 m內，頂板離層儀觀測頻度每天應不少于一次。這些規定以外，觀測頻度可為每周一次。可見，常規礦壓監測的時間單位為天，圍巖位移速度的單位多為mm/d。當礦壓監測數據在一天內變化較大時，必須增加監測頻次。在線礦壓監測系統可滿足這種要求，讀數周期可設置為小時、分、秒，甚至更短的時間，以捕捉短時間變化很大的礦壓數據。

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

7 煤礦動力災害的時間尺度

除上述靜態的圍巖變形與破壞外，煤礦還存在多種形式的動力災害，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，發出聲響，引起煤巖體震動的動力現象[84]。該定義中的“突然”是指沖擊地壓發生前沒有明顯的宏觀前兆，持續過程很短，僅有幾秒到幾十秒，且伴隨著煤巖體震動。可見，沖擊地壓發生的時間尺度以秒級計算。

沖擊地壓的影響因素眾多，包括煤巖的力學特性，開采深度及地應力，上覆巖層結構，地質構造及采動影響等。在煤巖力學性質方面，煤的沖擊傾向性是評價煤層沖擊性的基礎參數。沖擊傾向性評價有3個指標，其中之一就是如前所述的煤層動態破壞時間。

國外一些學者將沖擊地壓分為3種類型：應變沖擊型、煤柱沖擊型及斷層滑動沖擊型[85]。應變型沖擊地壓發生在開挖空間周邊切向應力峰值附近的圍巖中；煤柱型沖擊地壓由承受高應力的煤柱核心區突然破壞引起；斷層滑動型沖擊地壓是由遠離開挖空間的斷層滑動釋放的能量動態擾動而引起。無論何種沖擊地壓，都與煤巖體中的能量積聚、釋放有關。隨著開采深度增加、地應力增大及采動影響加劇，促進了煤巖體中能量的快速積聚，當達到臨界狀態后，即使是較小的擾動都可能引發能量突然釋放，出現沖擊地壓事故。沖擊地壓發生的機理及判據有多種，其中常用的能量理論與判別準則[86-87]為

式中，UR，UC為圍巖、煤層中儲存的彈性能；US為礦震輸入的能量；Ub為沖擊地壓發生時煤巖體消耗的能量；t為時間。

可見，當圍巖、煤層中儲存的彈性能及礦震輸入能量在短時間內的變化量超過同一時間煤巖體可消耗的能量時，沖擊地壓就會發生。

預測預報是沖擊地壓防治的重要內容，除需要預測沖擊地壓發生地點、規模外，預報沖擊地壓發生的時間也是非常重要的。目前，沖擊地壓預測預報方法很多，主要包括早期沖擊危險性評價、現場實時監測及多參量綜合監測預警技術[88]。多種地球物理方法，如微震、地音、電磁輻射等技術已得到廣泛應用，在預報沖擊地壓發生地點及強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間的分布[89]。微震事件在沖擊地壓發生前后有比較明顯的周期性變化規律。每隔10～15 d有一次微震事件的高發期，每周期的最后一天容易發生沖擊地壓。沖擊地壓發生前，每天的微震能量和事件數呈穩定、波動或緩慢增長態勢，為能量積聚期。當能量積累到一定程度后會發生大能級事件，能量得到釋放。大能級事件后緊跟著微震事件的高峰，之后每日微震事件次數逐步下降，進入下一個能量積聚期。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，可預報沖擊地壓發生的時間。

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

圖17 為內蒙古某煤礦回風巷掘進工作面地音監測曲線[90]。監測初期，無論是頻次還是能量均呈波動式變化，在中等沖擊危險之下。當監測到第19天時，頻次和能量突然增大，出現中等及強沖擊危險，主要原因是掘進工作面進入了邊界煤柱區。可見，通過分析地音監測曲線的變化，同樣可預測沖擊地壓發生的時間。

圖17 內蒙古某煤礦回風巷掘進工作面地音監測曲線[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測預警，預警的時間單位非常重要。如目前微震監測的預警時間單位一般為天，這對于保障快速推進的采煤工作面和快速掘進的巷道安全是不夠的。需根據地質與生產條件加大監測預警密度，如每1個小班( 6～8 h )、1 h甚至幾分鐘進行預警，以便及時采取措施，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法、卸壓法及支—卸相結合的方法。錨桿支護是我國煤礦巷道的主體支護方式，對于沖擊地壓巷道，開發出全長預應力錨固、高強度、高沖擊韌性錨桿與錨索支護技術，并在井下得到成功應用[91]。為了研究錨桿在沖擊載荷作用下的受力與破壞規律，在實驗室采用錨桿力學性能綜合試驗臺，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響應特征[92]。圖18為錨桿預緊、拉伸后再受到沖擊載荷時的沖擊載荷隨時間的變化曲線。在錨桿垂直安裝的情況下，動載沖擊作用持續時間為37.65～57.95 ms，作用時長為20.30 ms，在51.85 ms時支護系統的沖擊動載達到峰值226.46 kN，51.85 ms之后逐漸衰減。由于擺錘沖擊下產生的應力波多次反射效應使整個支護系統出現多次震動，在峰值沖擊動載附近產生一些小的沖擊動載。錨桿以20°角傾斜布置時，沖擊動載超過350 kN。

圖18 錨桿沖擊動載與時間曲線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測系統( 讀數頻率為每分鐘1次 )和微震系統，實時監測錨桿受力狀況，并與微震監測結果進行對比。圖19為沖擊能量事件與錨桿受力關系曲線。沖擊地壓巷道錨桿受力變化的最大特點是受沖擊影響呈鋸齒狀波動。當能量較高的沖擊事件出現，錨桿受力就會急劇增加，隨后又快速降低。較高沖擊能量事件主要發生在距掘進工作面20～30 m范圍內，錨桿安裝后5～9 d內受力增長最快。之后，沖擊能量變小，錨桿受力逐漸趨于穩定。可見，錨桿受力在短時間內的急劇變化可作為沖擊地壓監測預警的一個指標。

圖19 錨桿受力與沖擊能量關系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用[93]。圖20為井下水力壓裂施工過程中水壓隨時間的變化曲線[94]。在10 min的壓裂時間內水壓波動很大。初始需要較高的壓力才能使巖石裂縫起裂；隨后有些時段壓力比較穩定，曲線呈現緊密的鋸齒狀，裂縫能在相對恒定壓力下不斷擴展；有些時段壓力變化劇烈，可能是裂縫擴展過程中遇到原生結構面或裂縫所致。通過分析水壓隨時間的變化趨勢，可評價水力裂縫擴展狀態和卸壓效果。

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

綜上所述，沖擊地壓持續時間很短，常以秒計。當研究沖擊地壓發生、發展及破壞過程的細節，圍巖、支護體受力與變形的突然變化時，需要更小的時間尺度，如毫秒甚至微秒。當進行沖擊地壓監測預警時，預警時間是一個關鍵參數，需要根據煤礦具體地質與生產條件，盡量縮短預警時間。

8 結 論

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

( 2 ) 在地質年代的時間尺度上，可研究煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構造的關系；不同成煤期煤的種類、成分、煤化程度、煤的物理化學力學特性；構造運動對煤盆地形成與演化、煤層賦存條件與分布、煤巖體應力場演化的影響等內容。這些煤田地質領域的研究內容對煤炭開采的地質保障具有重要作用。

( 3 ) 井工煤礦開采需要根據煤田分布，劃分成不同礦區、礦井、水平、采區、區段進行，不同階段的時間尺度不同。一個礦區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時間一般為幾個月到1~2 a。煤炭開采的任何工序均需要一定的時間完成。煤炭開采涉及的很多參數與時間有關，如產量、進尺、速度、能力、流量等，常用的時間尺度從毫秒到年。

( 4 ) 煤巖力學試驗是煤炭開采與巖層控制的重要研究內容。按試驗時間可將煤巖力學試驗分為靜態和動態試驗，按照應變率大小可細分為蠕變、靜態、動態及超動態。煤巖蠕變試驗加載時間可從1 h到數月，有的甚至達幾十年，時間尺度范圍達103～109s。動態試驗主要用于鑿巖、爆破、采掘機械振動、沖擊地壓等動力現象的研究。當應變率達102s-1量級時，巖石的破壞時間僅為幾十微秒。最快的動載加載時間可達到微秒、亞微秒量級。

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

( 6 ) 采掘空間圍巖均會發生不同程度的變形與破壞，屬于四維時空問題( 三維空間加時間 )，有些情況可簡化為平面問題。采煤工作面是一個移動的場所，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、小時等時間單位描述這些參數的變化。與采場相比，巷道的服務時間較長，少則數月，多則數年、數十年，圍巖變形與破壞的時效性更強。采煤工作面采動引起的變形與穩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體受力變化的時間單位多為天、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力災害，時間上表現為“突然”，空間上表現為“劇烈”。沖擊地壓持續的時間僅為幾秒到幾十秒，研究沖擊地壓發生、發展及破壞過程的細節，需要在更小的時間尺度上進行。沖擊地壓預警時間是一個關鍵參數，需要根據煤礦地質與生產條件確定，盡量縮短預警時間。

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

( 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、裝備實現了重大突破，促進了現代煤炭工業的快速發展，使煤炭成為全球的主要能源之一。但是，大規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期已過，煤炭在能源消費中所占的比重逐漸下降。如何繼續做好煤炭開采與巖層控制工作，需要新思路、新工藝、新技術。