煤礦采動作用對圍巖擾動影響范圍的分析

申艷軍，呂 游，王雙明，馬 文，宋世杰，2，顧霖駿

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054）

井工煤炭的開采不可避免會引起開采工作面周圍的圍巖擾動，使煤巖體發生應力重分布，造成開采巷道內圍巖開裂、位移、變形，嚴重時誘發巷道內巖爆、底鼓、煤與瓦斯突出等礦山動力災害活動，不僅制約煤礦安全生產，甚至威脅工作人員生命安全。各學者為解決這一問題，利用現場監測、數值模擬等手段預測開采活動中圍巖擾動事件的分布位置和規律，探究采動作用下煤礦巷道圍巖擾動事件的分布范圍，以實現礦山動力災害活動的超前預警。姜福興等[1]利用微震監測技術在華豐煤礦4 號煤層上實現了沖擊地壓的有效監測；曲效成等[2]在濟三煤礦現場監測的基礎上，建立了鉆屑量、支承應力和鉆孔應力的關系，提出了基于連續應力測量的沖擊地壓實時監測預警系統；王恩元等[3]基于煤巖體變形破裂與釋放電磁輻射能量的相關性，提出采用電磁輻射預測煤與瓦斯突出等礦山動力災害活動的監測方法，在平頂山八礦成功進行了現場測試；竇林名等[4]將電磁輻射監測技術應用到沖擊礦壓的監測、預測工作中，在3406 工作面中取得較好的監測效果；張宗文等[5]結合微震監測和地音監測技術的優勢，提出微震-地音綜合監測的理念并在沖擊地壓的防治中進行實際應用；劉金海等[6]針對沖擊地壓提出了震動場、應力場聯合監測技術體系和分區分段分級治理思路，在實際應用中效果良好。顯然，目前煤礦巷道圍巖擾動的研究主要集中于通過各類儀器、方法對開采工作面附近的圍巖變形、破壞等進行實時監測、預警，針對圍巖擾動事件發生及分布范圍的理論研究較少。因此，采用統計與歸納的研究方法，從理論角度探究煤礦開采過程中巷道圍巖受擾動范圍及其成因，為礦山動力災害的預測和防治提供理論支撐。

1 煤礦采動對圍巖擾動影響監測方法

煤礦采動對圍巖擾動影響是指工作面開采活動破壞巷道圍巖穩定性，不同的開采方案、開采程度通過影響震動場、應力場、電磁輻射場產生不同幅度的圍巖擾動響應，包括圍巖變形、位移、破裂以及沖擊地壓、瓦斯突出等動力災害。

因此，通過監測開采過程中巷道圍巖震動場、應力場、電磁輻射場的變化可以對擾動響應做出預測，實際應用的監測方法總體分為震動類監測技術、應力類監測技術、電磁類監測技術、圖像信息類檢測技術、位移類檢測技術以及多參量聯合監測技術[7-8]。

1.1 震動類監測技術

微震與地音現象的頻率關系如圖1，采礦活動引起的震動現象分為2 種：一種屬于震感較強烈的微震事件（MS），震動頻率小于150 Hz；另一種被稱為地音現象（AE），又稱聲發射現象，震動頻率在150～3 000 Hz 之間[5]。微震事件（MS）與地音現象（AE）分別對應著不同的震動監測技術：微震監測與地音監測。

圖1 微震與地音現象的頻率關系[5]Fig.1 Frequency relationship between microseisms and underground sound phenomena[5]

1）微震監測。微震事件主要是低頻高能事件，因此檢波器對彈性波的有效接收范圍能夠達到500 m 以外甚至3 000 m[9]。微震監測系統通過迭代計算、反演分析等手段處理實時采集的大量微震數據，做出監測結果的時間、空間序列統計分析，為推測工作面附近圍巖變形程度、預測可能發生的礦山動力災害及位置提供數據支撐[10-11]。煤巖體受采動作用產生的彈性波通過預先放置的檢波器時，被檢波器記錄形成模擬信號傳輸到數據采集系統，通過式（1）反算得出震源位置[12]。

式中：（xi，yi，zi）為第i 個檢波器的三維坐標；（x0，y0，z0）為震源位置坐標；ti為第i 個檢波器的響應時間，s；t0為震源發生時刻，s；Vp為縱波在介質中的傳播速度，m/s；Vs為縱波在介質中的傳播速度，m/s。

2）地音監測。地音監測與微震監測類似，也是通過檢波器記錄煤巖體變形產生的彈性波[13]，區別在于地音監測得到的震動事件能量普遍小于100 J、頻率大于100 Hz，因此地音監測的有效范圍一般在工作面前后100 m 內[10]。地音監測技術由于其監測對象高頻低能的特征，監測范圍相對較小，且監測系統在工作面附近工作時受采動干擾較大，加之我國在煤礦安全管理中更加注重宏觀性、區域性，導致地音監測技術在我國煤礦工作中的應用并不廣泛。

可以看出，各類震動監測都只能解決相應頻帶范圍內的一部分問題，因此要想獲得理想、全面的監測效果，需要同時裝備多個頻帶的震動監測設備，或采用震動類監測技術與其他監測手段對接共測的聯合監測技術[6]。

1.2 應力類監測技術

1）鉆屑法監測。鉆屑法是通過在煤體中打小直徑孔（40～50 mm），根據孔內排出的煤粉量、變形煤粉量及其變化規律和鉆進時出現的動力效應鑒別礦山動力災害活動的1 種實用方法[14-16]。鉆屑法監測沖擊危險性時具備施工難度小、可操作性強等優點[10]。但該方法監測有效區集中于軌道巷兩幫煤柱[17]，加之不同礦井、不同煤層，甚至不同工作面下煤體應力狀態和排出的煤粉量之間定量關系不同，因此鉆屑法監測技術的應用范圍受限、誤差較大，在實際應用中僅作為其他監測技術的輔助或驗證手段[6]。

2）采動應力監測。采動應力監測又稱應力監測或應力在線監測，是指利用壓力傳感器、壓力枕、應力計等測量儀器連續監測由采動引起的作用于煤巖體和支護結構上的力[18-19]，獲得圍巖受擾動后的應力集中系數等影響采動期間巷道圍巖穩定的要素[20]，從而為預測礦山動力災害活動提供依據。

1.3 位移類監測技術

位移類監測是借助固定在巷道支護結構或直接埋置于巷道圍巖中的傳感器記錄巷道空間的位移變形情況，如巷道收斂/深部位移等，通過分析單位時間的采場圍巖位移量以及位移變化量推斷、預測可能發生的礦山動力災害活動。常用的位移類監測技術有錨桿位移監測法、斷面測量法以及支護構筑物故障檢測等[21]。以上各方法雖在監測途徑上有所差異，如錨桿位移監測法的觀測介質為位移傳感器，斷面測量則是空間掃描儀等現代化設備，但其原理均是基于巷道的圍巖位移監測判斷礦山動力活動。

鉆屑法監測、采動應力監測、位移類監測都屬于接觸式監測，在實際應用中的監測范圍均在工作面前后100 m 以內，屬于近距離監測，并且單一的監測結果難以滿足準確指導礦山動力災害活動預警、防治的要求[22]。

1.4 電磁類監測技術

電磁類監測技術主要是電磁輻射法，即監測煤巖體在受載變形、破裂過程中向外輻射的電磁能量及其變化[3]。在煤礦采動影響下煤巖體內部原生裂隙迅速發展形成不同程度電磁輻射，電磁輻射強度受煤巖體承擔荷載大小以及內部應力狀態控制，煤巖體所受荷載越大、內部應力越高，裂隙形成發展過程越劇烈，產生的電磁輻射信號越強[4,17]。

電磁輻射法的優點在于電磁輻射監測屬于非接觸預測，對生產影響小，不僅可以實現定向及區域預測，還可進行動態連續監測及預報[3,23]。據不完全統計，全國至今約有90 個礦井使用了電磁輻射監測技術[10]。

1.5 圖像信息類監測技術

圖像信息類監測技術是將攝像設備置入預先打好的鉆孔中，而后依據攝像設備傳輸至監視器的圖像、視頻或是特定的電信號通過后處理形成的多維圖像信息觀測鉆孔孔壁的結構面發育狀態，進而間接判定礦山動力災害活動的發育程度。

圖像信息監測技術近年來由簡單的鉆孔照相、鉆孔攝像發展成為數字光學成像，不僅觀測手段智能多樣，實際操作時也可直接借助錨桿、錨索孔，觀測過程快捷方便，成本低，結合現代觀測手段不但可以得到清晰高質量的影響資料，還可以形成全方位三維模型[24]。但該技術作為礦山動力災害活動間接判定手段，判定結果的準確性以及時效性還有待提高。

1.6 多參量聯合監測技術

多參量聯合監測技術包括2 種：①微震監測與地音監測的“全頻廣域”震動監測技術，該技術將2種震動監測方法聯合使用、互為補充，實現了煤巖體從微裂隙擴展到最終破裂整個過程的震動監測[5]，在時間和空間上完成對礦山動力災害活動的即時預測；②震動場-應力場聯合監測技術，即在開采工作面同時開展震動監測和采動應力監測。二者從不同場域交叉監測工作面巷道變形參數，有效避免震動類監測技術或應力類監測技術單獨使用時出現的盲區，提高預測礦山動力災害活動的準確性和可靠性。

2 圍巖擾動事件的空間分布特征

所有圍巖擾動事件監測技術中，微震監測技術優勢明顯、現場應用廣泛，陳通等[25]以澄合礦區董家河煤礦22517 工作面為例，基于微震監測分析了采動影響下微震事件及其峰值能量的分布范圍，取得效果較好，因此本研究從工作面前方微震事件的分布出發研究采動作用對煤礦巷道圍巖的擾動影響范圍。

統計整理的葫蘆素煤礦、陽城煤礦、義馬千秋煤礦等14 個煤礦的微震監測數據見表1，各工作面開采深度集中于650 m 左右，煤層平均厚度2～20 m不等，平均厚度10 m 左右煤層居多，除陽城煤礦為平均傾角24°近直立煤層外，其余煤礦煤層平均傾角均不高于10°，各煤礦在進行微震監測時多采用ARAMIS M/E 微震監測系統，或輔以地音監測、電磁類監測等其他監測手段。工作面附件微震事件分布趨勢如圖2。

表1 微震事件監測數據統計表Table 1 Statistical table of monitoring data of microseism events

分析各煤礦的微震事件監測結果，得出：沿工作面走向微震事件分布于工作面前后-50～300 m（圖2（b）中Ⅰ、Ⅱ），0～100 m 范圍為工作面走向上微震頻次與能量的峰值區域（圖2（b）中Ⅰ）；沿工作面傾向微震能量和頻次在回風巷、運輸巷附件升高（圖2（b）中Ⅲ、Ⅳ），并且實體煤巷道側相對于空巷道側的微震事件要多；微震事件在層位上主要分布于煤層頂底板上下-20～40 m 范圍內（圖2（c）中Ⅴ、Ⅵ），其中大能量事件主要分布于-10～20 m（圖2（c）中Ⅶ、Ⅷ）。

圖2 工作面附近微震事件分布趨勢圖Fig.2 Distribution trend of microseism events in working face

3 圍巖擾動范圍影響因素分析

采動作用主要從圍巖開采擾動應力重分布、煤層稟賦地質特征和開采方式3 個方面影響圍巖擾動的范圍。其中，圍巖開采擾動應力重分布和煤層稟賦地質特征屬于內部因素，開采方式系外部因素。

3.1 圍巖應力重分布

巷道開挖、工作面開采使原本由采空區圍巖承載的應力向深部轉移，因此在該區域仍有較高的應力分布，此時煤巖體所承受這部分應力稱為超前支承應力，繼續向深部應力逐漸恢復為原始應力狀態[26-27]。各學者在監測超前支承應力時常采用理論計算、數值模擬、現場實測等手段；其中現場監測最為常用，理論計算與數值模擬作為輔助性手段。

理論計算以彈塑性理論為指導，基于極限平衡理論和煤體極限承載能力推導出的工作面前方煤巖體彈、塑性區寬度表達式，進而得到超前支承應力的影響范圍。

工作面前方圍巖受擾動形成的塑性區寬度xp為：

結合式（2）和式（3），可以得到超前支承應力影響范圍Xi：

分析各煤礦工作面超前支承應力監測結果，得到工作面前方超前支承應力分布趨勢如圖3。

圖3 工作面前方超前支承應力分布趨勢圖Fig.3 Distribution trend diagram of support stress in front of working face

由圖3 可知，超前支承應力的影響范圍集中于工作面前方0～100 m，嚴重影響區域為0～20 m（圖3中Ⅰ），顯著影響區域為20～30 m（圖3 中Ⅱ），一般影響區域為30 m 以外（圖3 中Ⅲ）；超前支承應力在工作面前20 m 范圍達到峰值；在工作面前100～200 m 后逐漸恢復至原巖應力；工作面超前支承應力峰值的應力集中系數在1.2～2.5 之間。

煤礦開采引起的應力重分布導致工作面前百米內的煤巖體處于平衡狀態與極限平衡狀態之間，在其他影響因素的干擾下發生煤巖體變形、破壞等擾動事件。在工作面傾向方向上，當存在回風巷、運輸巷時，由于巷道側臨空，會在實體煤側有較高的應力集中現象，導致圍巖擾動事件分布較為集中。在層位上，煤層頂板在上覆巖層重力影響下應力集中程度較底板高，圍巖擾動事件的能量、頻率也相對較高。

3.2 煤層稟賦地質特征

由煤層稟賦地質特征決定的開采深度、開采高度表征著開采后煤層頂板所承受的上覆巖層重力，上覆巖層除了直接作用于煤層頂板以外，還通過參與圍巖應力重分布過程影響工作面前方超前支承應力的分布，間接控制工作面附近煤巖體擾動事件的分布規律。工作面超前支承應力監測數據統計表見表2。煤層開采特征-超前支承應力分布關系圖如圖4。

表2 工作面超前支承應力監測數據統計表Table 2 Statistical table of monitoring data of advanced support stress in working face

分析圖4 得出，工作面超前支承應力影響范圍與煤層的開采高度無明顯相關關系（圖4（a）），與開采深度基本呈正相關，煤層開采深度越大，工作面超前支承應力影響范圍越遠（圖4（b））；超前支承應力峰值距工作面距離與煤層開采高度、深度均無明顯相關關系（圖4（c）、（d））；超前支承應力的峰值應力集中系數與煤層開采深度相關關系不明顯（圖4（f）），與煤層開采高度呈正相關趨勢，煤層開采高度越高，工作面前方超前支承應力的峰值應力集中系數越大（圖4（e））。

圖4 煤層開采特征-超前支承應力分布關系圖Fig.4 Relation graphs of characteristics of seam mining and distribution of advanced support stress

因此，認為開采深度、高度等煤層開采特征能夠影響工作面前方百米內圍巖擾動事件的分布，煤層開采深度越大，工作面超前支承應力影響范圍越遠，煤層開采高度越高，工作面前方超前支承應力的峰值應力集中系數越大。

3.3 開采方式

針對4 種典型煤礦開采方式（放頂煤開采、保護層開采、預留煤柱開采、無煤柱開采），基于各開采方式的原理及實際應用，探究不同開采方式下圍巖擾動范圍的變化規律。放頂煤開采支承應力參數見表3[28-29]。保護層開采支承應力參數見表4[29]。預留煤柱開采支承應力參數見表5。無煤柱開采支承應力參數見表6。

表3 放頂煤開采支承應力參數Table 3 Bearing stress parameters of top coal caving

表4 保護層開采支承應力參數Table 4 Bearing stress parameters of protection layer mining

表5 預留煤柱開采支承應力參數Table 5 Bearing stress parameters of reserved pillar mining

表6 無煤柱開采支承應力參數Table 6 Bearing stress parameters of non-pillar mining

放頂煤開采是在煤層某一高度至頂板之間布置1 個采煤工作面，通過礦壓或爆破的方式使頂煤破碎，再由“放煤窗口”放出。礦壓、爆破類的開采方式導致超前支承應力峰值位置前移、應力集中系數升高；保護層開采是為消除鄰近煤層的突出危險性而優先開采某煤層或巖層的開采技術，由于保護層的優先開采，被保護層在開采時工作面前方的超前支承應力峰值明顯降低；預留煤柱開采即每回采1 個工作面，向前提前掘進2 條回采巷道作為通風和運輸，巷道圍巖應力集中程度隨預留煤柱寬度的增加總體呈下降趨勢；無煤柱開采在采煤的同時形成回采巷道，2 個工作面之間不留設煤柱，相鄰采空區的超前支承應力向開采工作面前方轉移，與水平支承應力疊加作用下提高了開采工作面前方超前支承應力峰值。

基于以上研究，得到4 種煤礦開采方式對圍巖的擾動影響：工作面前方峰值應力集中系數以無煤柱開采、放頂煤開采、保護層開采的順序依次降低[29]，預留煤柱開采方式下的峰值應力集中系數隨著預留煤柱的寬度減小逐漸增大，應力變化對應的圍巖擾動范圍也依次減小[30-32]。

4 結 語

1）研究總結了目前煤礦開采工作中圍巖擾動事件的常用監測技術，包括震動類監測、應力類監測、電磁類監測以及多參量聯合監測技術，其中微震監測在現場的使用最為成熟，但該監測技術得到的監測物理量較為單一，難以滿足準確預測礦山動力災害活動的要求，因此推薦采用多參量聯合監測技術。

2）基于大量微震監測數據，分析得到工作面附近圍巖擾動事件的空間分布特征：①在走向上圍巖擾動事件分布于工作面前后-50～300 m，擾動事件的頻次與能量在0～100 m 范圍內達到峰值；②沿工作面傾向擾動事件的能量和頻次在回風巷、運輸巷附件升高；③在層位上圍巖擾動事件主要分布于煤層頂底板上下-20～40 m 范圍內，其中大能量事件集中于-10～20 m。

3）從受擾動煤巖體的應力重分布、煤層稟賦地質特征、開采方式開展深入分析，得到煤礦采動作用對圍巖的擾動范圍為：①煤層開采產生的超前支承應力集中作用于工作面前方0～100 m，在工作面前20 m 范圍內達到峰值；②受煤層稟賦特征影響的擾動事件集中于工作面前方100 m 范圍；③工作面前方峰值應力集中系數以無煤柱開采、放頂煤開采、保護層開采的順序依次降低，應力變化對應的圍巖擾動范圍相應減小。