基于光纖錨桿監(jiān)測的急傾斜厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

孫德全，蘇懷瑞，曲澤良，毛開江，榮 海，李南南

(1.山東省深部沖擊地壓災(zāi)害評估工程實(shí)驗(yàn)室，山東省濟(jì)南市，250104；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東省濟(jì)南市，250104；3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧省阜新市，123000)

0 引言

暢通、穩(wěn)固的巷道是煤礦安全高效開采的重要保障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦每年新掘進(jìn)的巷道總長度超過1.2萬km[1]。巷道掘進(jìn)與維護(hù)工程規(guī)模巨大，對煤礦安全、產(chǎn)量與效益有顯著的影響，因此，巷道支護(hù)理論與技術(shù)一直是煤礦巖層控制的核心研究內(nèi)容之一。冒頂是巷道頂部在礦山壓力作用下變形、破壞而垮落的現(xiàn)象[2]，是在巷道中頻發(fā)、可導(dǎo)致大面積垮塌造成傷害并壓埋大量人員設(shè)備的災(zāi)難性事故。明確巷道冒頂?shù)臋C(jī)理和主要影響因素，采取針對性防治措施，對于保障煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。針對巷道冒頂產(chǎn)生機(jī)理和主要影響因素，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，并取得豐碩的研究成果。張書明[3]認(rèn)為冒頂?shù)闹饕蛟谟谙锏乐ёo(hù)強(qiáng)度不夠，支護(hù)方式不合理；趙志強(qiáng)等[4]對大變形回采巷道的冒頂機(jī)理和控制技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為高應(yīng)力和開采耦合作用下，巷道頂板巖石出現(xiàn)蝶形破壞是冒頂產(chǎn)生的主要原因，并提出大變形巷道蝶葉型冒頂?shù)慕娱L錨桿控制方法；靖洪文等[5]采用顆粒流數(shù)值模擬方法對冒頂原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為高地應(yīng)力和動(dòng)載的耦合作用是冒頂產(chǎn)生的主因；賈后省等[6]對含軟弱夾層的巷道頂板垮冒機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為軟弱夾層極易出現(xiàn)破壞，并伴隨強(qiáng)烈的膨脹變形壓力，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)整體破裂；史新帥等[7]采用物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法對冒頂機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為在沖擊動(dòng)載的主導(dǎo)作用下，大范圍巷道頂板瞬間產(chǎn)生較大變形，引發(fā)沖擊冒頂事故；邢軻軻[8]構(gòu)建了冒頂預(yù)警模型，開發(fā)了SSRI系統(tǒng)中的冒頂預(yù)警模塊，認(rèn)為嚴(yán)重冒頂事故通常會(huì)歷經(jīng)采動(dòng)影響-片幫漏冒-冒頂惡化3個(gè)階段，采動(dòng)影響是冒頂產(chǎn)生的主要原因；楊學(xué)[9]認(rèn)為地質(zhì)、爆破震動(dòng)、巖體抗拉強(qiáng)度不足、開采擾動(dòng)和安全管理不到位的耦合作用，引起了冒頂事故的發(fā)生；張凱、梁海汀等[10-11]對軟巖巷道的冒頂原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為高嶺土、伊利石等親水性較強(qiáng)的黏土類泥質(zhì)膨脹巖的賦存，遇水膨脹，是冒頂發(fā)生的主要原因；陳立虎等[12]認(rèn)為發(fā)生冒頂?shù)膬?nèi)在原因是直接頂巖層強(qiáng)度低，外在原因是水對巖層的崩解破壞，主要原因是支護(hù)參數(shù)不合理；劉金銘、李曉飛等[13-14]認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度不足以及支護(hù)不及時(shí)是冒頂及其復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的主要原因；王飆[15]認(rèn)為頂板異常破碎、錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和頂板長時(shí)間淋水的耦合作用是冒頂事故發(fā)生的主要原因。上述研究對巷道冒頂產(chǎn)生機(jī)理和主要影響因素進(jìn)行了深入分析，對于采取有效措施防治冒頂事故具有重要意義。

目前，巷道冒頂影響因素研究主要針對近水平、緩傾斜等傾角較小的煤層賦存條件開展，關(guān)于急傾斜特厚煤層巷道冒頂分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少。在我國煤炭資源中，急傾斜煤層的儲(chǔ)量雖僅占煤炭總儲(chǔ)量的4%，但南方地區(qū)80%的礦區(qū)賦存有急傾斜煤層[16]，急傾斜煤炭資源在我國新疆、青海、甘肅等省(區(qū))的煤炭產(chǎn)量中也占有相當(dāng)比重[17]，因此對急傾斜特厚煤層巷道冒頂原因進(jìn)行分析，對我國相關(guān)地區(qū)煤炭資源的安全開采至關(guān)重要。

國能新疆能源烏東煤礦北采區(qū)的43號煤層和45號煤層均為急傾斜特厚煤層，2016年至今，北采區(qū)43號煤層相繼出現(xiàn)了多次不同程度的冒頂事故，給礦井的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。筆者采用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對烏東井田的構(gòu)造應(yīng)力條件進(jìn)行分析，確定巷道冒頂?shù)膭?dòng)力源和能量基礎(chǔ)；采用松動(dòng)圈測試方法，對巷道冒頂?shù)闹ёo(hù)原因進(jìn)行了分析；應(yīng)用光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)，對錨桿受力特征進(jìn)行了監(jiān)測，對比分析錨固效果，確定了巷道錨固優(yōu)化方案，以期為烏東煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐和有力參考，為急傾斜特厚煤層賦存條件礦井的安全生產(chǎn)提供保障。

1 煤礦概述

1.1 地質(zhì)情況與開采、支護(hù)條件

烏東煤礦位于烏魯木齊市米東區(qū)，礦井北采區(qū)位于八道灣向斜北翼，地面標(biāo)高+739.2～+934.0 m，主采43號煤層和45號煤層，平均厚度分別為28 m和21 m，煤層傾角為45°，兩煤層平均間距100 m。43號煤層直接頂為泥巖、粉砂巖，厚度3～5 m；基本頂為粉砂巖與細(xì)粒砂巖，厚度10～20 m。45號煤層偽頂和直接頂為炭質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖，厚度分別為0.5～2.0 m和5.0 m；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為5～20 m。各水平煤層均采用分段放頂煤工藝進(jìn)行回采，分段高度為18～25 m，采放比為1∶8。采用“2采4掘”的生產(chǎn)布局，即上一個(gè)分段水平工作面回采的同時(shí)，下分段的4條平巷進(jìn)行掘進(jìn)。工作面開采過后用地表黃土進(jìn)行充填，使煤體與空氣隔離，起到防火作用。烏東煤礦北采區(qū)巷道物理模型如圖1所示。

圖1 烏東煤礦北采區(qū)巷道物理模型

巷道支護(hù)方案如圖2所示。巷道斷面為三心拱形，選用HBR335型右旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿規(guī)格Φ20 mm×2 500 mm，間排距800 mm×800 mm，錨固方式為端頭錨固；錨索規(guī)格Φ18.9 mm×10 000 mm，間排距1 500 mm×1 600 mm，每排3根；金屬網(wǎng)為冷拔絲經(jīng)緯網(wǎng)。

圖2 烏東煤礦北采區(qū)巷道支護(hù)方案

1.2 典型冒頂事故概述

在烏東煤礦北采區(qū)43號煤層A0水平回風(fēng)巷走向801～807 m位置，巷道頂部南側(cè)發(fā)生冒頂事故，煤巖渣將巷道填充，現(xiàn)場巷道靠南側(cè)有0.8 m的行人距離，冒頂規(guī)格3 000 mm×5 000 mm×6 000 mm(高×寬×長)。巷道支護(hù)錨桿、錨索均有拉斷現(xiàn)象，冒頂區(qū)域有多處錨桿整體抽出情況。被拉斷錨桿的損壞位置約在距離錨固端1.8 m處，錨索拉斷位置約為距離錨固端3 m處。冒頂區(qū)域斷面如圖3所示。

圖3 北采區(qū)典型冒頂區(qū)域斷面

2 巷道冒頂?shù)膭?dòng)力源和能量基礎(chǔ)分析

2.1 巷道布置方向與主應(yīng)力關(guān)系

烏東井田具有區(qū)域應(yīng)力場的作用特征，地應(yīng)力以水平壓應(yīng)力作用為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹27.8°W。烏東煤礦回采巷道主要沿煤層走向方向布置，巷道走向方向?yàn)镹59°E，最大主應(yīng)力與回采巷道走向呈94°夾角，近于垂直，因此回采巷道受到的地應(yīng)力作用強(qiáng)烈，對巷道支護(hù)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[18-19]。

2.2 烏東井田斷裂構(gòu)造劃分

采用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對烏東井田進(jìn)行Ⅰ級～Ⅴ級斷裂構(gòu)造劃分。Ⅴ級斷裂構(gòu)造的劃分工作是在前4個(gè)等級斷裂構(gòu)造劃分完畢的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。將已經(jīng)確定的Ⅰ～Ⅳ級斷塊邊界轉(zhuǎn)繪到1∶10 000比例尺的地形圖上，進(jìn)一步劃分Ⅴ級斷裂構(gòu)造，區(qū)劃出Ⅴ級斷裂共28條，如圖4所示。

圖4 烏東井田V級斷裂

斷裂構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)將打破地殼應(yīng)力的原始平衡狀態(tài)，使斷裂構(gòu)造鄰近區(qū)域煤巖體的應(yīng)力和能量重新分布，彈性能量積聚，構(gòu)造應(yīng)力升高。斷層、向斜、背斜等地質(zhì)構(gòu)造的形成源于長年累月的斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，煤巖體將承受巨大的外力作用，進(jìn)而產(chǎn)生彈塑性變形甚至出現(xiàn)破壞，不利于巷道穩(wěn)定[18]。

地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃確定的斷裂，揭示了區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力狀態(tài)特征，斷裂的活動(dòng)意味著動(dòng)力系統(tǒng)的改變，從而引起能量的積聚和增加。斷裂構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得周邊一定范圍內(nèi)煤巖體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)重新分布，并使地殼內(nèi)的部分應(yīng)力和能量得到釋放。將烏東煤礦北采區(qū)43號煤層?xùn)|翼巷道典型冒頂區(qū)域與V級斷裂圖相結(jié)合，冒頂區(qū)域與區(qū)劃斷裂的位置關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，冒頂區(qū)域受Ⅳ-3和Ⅴ-5等活動(dòng)斷裂的影響，出現(xiàn)在Ⅳ-3和Ⅴ-5斷裂的包圍區(qū)域內(nèi)。Ⅳ-3和Ⅴ-5活動(dòng)斷裂的賦存為冒頂區(qū)域煤巖體提供了動(dòng)力源和能量基礎(chǔ)。

圖5 冒頂區(qū)域與區(qū)劃斷裂的位置關(guān)系

3 巷道冒頂?shù)乃蓜?dòng)圈測試分析

3.1 測孔布置方案

在北采區(qū)43號煤層A0水平回風(fēng)巷布置圍巖松動(dòng)圈測試鉆孔分別位于巷道走向1 340、1 370、1 400 m處，為保證測試可靠性，每處均布置3個(gè)鉆孔，間距1.5 m，具體布置如圖6所示。各測試孔均位于煤幫側(cè)，距底板1.5 m，向下傾斜5°。現(xiàn)場測試時(shí)，將發(fā)射和接收換能器從孔底向孔口每外移10 cm記錄一次測試數(shù)據(jù)。

圖6 43號煤層松動(dòng)圈測孔布置

3.2 松動(dòng)圈測試結(jié)果分析

烏東煤礦北采區(qū)43號煤層A0水平回風(fēng)巷各鉆孔所測松動(dòng)范圍結(jié)果如圖7和表1所示。

表1 43號煤層A0水平回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果

圖7 43號煤層A0水平回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果

合理錨桿長度選取方法如式(1)所示：

L=lp+l1+l2

(1)

式中：L——錨桿長度，mm；

lp——巷道松動(dòng)圈厚度值，mm；

l1——錨桿錨入穩(wěn)定圍巖體的長度，mm；

l2——錨桿的外露長度，mm。

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，烏東煤礦北采區(qū)43號煤層A0水平回風(fēng)巷冒頂區(qū)域的錨桿錨固端正位于煤巖交接處，處于軟弱巖層區(qū)域。烏東煤礦目前選用的錨桿長度均為2 500 mm。錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿的外露長度為100 mm，錨入穩(wěn)定圍巖體的長度為700 mm。如果2 500 mm長的錨桿滿足實(shí)際要求，松動(dòng)圈的厚度應(yīng)小于1 700 mm，根據(jù)表1中松動(dòng)圈測試結(jié)果，43號煤層A0水平回風(fēng)巷冒頂區(qū)域的松動(dòng)圈厚度大于錨桿的控制范圍。因此錨桿錨固端長度不足是冒頂事故頻繁發(fā)生的主要因素之一。

4 基于光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)的巷道錨固優(yōu)化方案研究

4.1 監(jiān)測原理與監(jiān)測目的

(1)監(jiān)測原理。光纖監(jiān)測技術(shù)是基于光纖布拉格光柵的感測技術(shù)(FBG)[20-24]，利用光纖材料的光敏特性，在光纖芯的內(nèi)部形成空間相位光柵，從而控制和改變光源在光纖內(nèi)的傳播路徑。光纖折射率沿軸向呈現(xiàn)周期性調(diào)制分布，具有良好的波長選擇性。光源進(jìn)入光纖后，當(dāng)入射光源滿足特定條件的波長時(shí)，在光柵處將被耦合反射，其他波長光源將全部通過而不受光柵影響，反射光譜在FBG中心波長λB處出現(xiàn)峰值。FBG傳感技術(shù)原理如圖8所示。

圖8 FBG傳感技術(shù)原理

FBG反射特定波長的光，該波長滿足以下條件：

λB=2neffΛ

(2)

式中：λB——反射光的中心波長；

neff——纖芯的有效折射率；

Λ——光纖光柵折射率調(diào)制的空間周期。

外界應(yīng)力和溫度變化會(huì)引起折射率和柵距的變化，導(dǎo)致FBG波長λB的移位，滿足線性關(guān)系式(3)：

(3)

式中：Δλ——FBG波長變化量；

ε——光纖軸向應(yīng)變；

ΔT——溫度變化；

Pe——光纖光彈系數(shù)；

α——光纖熱膨脹系數(shù)；

ζ——光纖熱光系數(shù)。

(2)監(jiān)測目的。光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)可用于掌握巷道支護(hù)錨桿的受力特征，為巷道支護(hù)進(jìn)行日常動(dòng)態(tài)化管理提供依據(jù)；可用于檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工的合理性，為調(diào)整、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)和合理確定錨桿的錨固方式等提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 光纖錨桿監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測方案

(1) 監(jiān)測設(shè)備。烏東煤礦為了保證試驗(yàn)安全，在北采區(qū)43號煤層選取另外2個(gè)鄰近的開采水平——A1水平回風(fēng)巷和A2水平回風(fēng)巷各布置2個(gè)監(jiān)測斷面，分別為端錨監(jiān)測斷面和全錨監(jiān)測斷面。在端錨監(jiān)測斷面，分別在巷道兩幫、頂板分別布置1根端錨光纖錨桿，共計(jì)3根端錨光纖錨桿；在全錨監(jiān)測斷面，分別在巷道兩幫、頂板分別布置1根全錨光纖錨桿，共計(jì)3根全錨光纖錨桿。

每根全錨光纖錨桿的長度為2 500 mm，從錨桿前端開始1 900 mm，每隔100 mm布置1個(gè)傳感器，共計(jì)20個(gè)傳感器；剩下600 mm，每隔200 mm布置1個(gè)傳感器，共計(jì)3個(gè)傳感器。每根全錨光纖錨桿共計(jì)布置傳感器23個(gè)。

每根端錨光纖錨桿的長度為2 500 mm，從錨桿前端開始800 mm，每隔100 mm布置1個(gè)傳感器，共計(jì)9個(gè)傳感器；中部1 200 mm，每隔400 mm布置1個(gè)傳感器，共計(jì)3個(gè)傳感器；剩下500 mm，每隔200 mm布置1個(gè)傳感器，共計(jì)2個(gè)傳感器。每根端錨光纖錨桿共計(jì)布置傳感器14個(gè)。

(2) 監(jiān)測方案。在烏東煤礦北采區(qū)43號煤層A1水平工作面回采過程中，分別對本水平巷道——A1水平回風(fēng)巷和相鄰水平巷道——A2水平回風(fēng)巷光纖錨桿受力特征進(jìn)行監(jiān)測和對比分析。A1水平回風(fēng)巷端錨監(jiān)測斷面位于走向830 m處，全錨監(jiān)測斷面位于走向820 m處；A2水平回風(fēng)巷端錨監(jiān)測斷面位于走向840 m處，全錨監(jiān)測斷面位于走向820 m處。

4.3 光纖錨桿監(jiān)測效果對比分析

在43號煤層A1水平工作面回采過程中，A2水平回風(fēng)巷端部錨固和全長錨固光纖錨桿的受力監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，隨著43號煤層A1水平工作面推進(jìn)，A2水平巷道受A1水平工作面采動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng)，端錨錨桿與全錨錨桿不同位置的受力均逐漸增大。端錨錨桿桿體受力最大處位于距巷幫2 100 mm處，全錨錨桿桿體受力最大處位于距離巷幫1 200 mm處。

圖9 相鄰水平錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

隨著43號煤層A1水平工作面的推進(jìn)，本水平巷道錨桿受力監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，端錨錨桿桿體受力最大處位于距巷幫2 000 mm 處，全錨錨桿桿體受力最大處位于距離巷幫700 mm處。

圖10 本水平錨桿監(jiān)測結(jié)果

對比分析端部錨固錨桿與全長錨固錨桿受力特征，端部錨固錨桿在自由段的受力較為均勻，錨固段受力變化較大，且局部受力接近于零，表明端部錨固局部位置存有錨固失效現(xiàn)象。端部錨固桿體的整體受力大于全長錨固，且桿體受力形式以拉力為主；全長錨固錨桿不僅受拉力，且局部受力形式為壓力，說明錨桿在控制圍巖變形過程中，不僅承受拉伸變形，且存有壓縮變形情況。通過兩者對比，表明在烏東煤礦北采區(qū)急傾斜特厚煤層的巷道支護(hù)中，全長錨固錨桿控制圍巖變形能力優(yōu)于端部錨固。因此，在急傾斜特厚煤層的巷道支護(hù)中，建議采用全長錨固，提高巷道支護(hù)效果和安全性。

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃方法對烏東井田的構(gòu)造應(yīng)力條件進(jìn)行分析，確定巷道冒頂?shù)膭?dòng)力源和能量基礎(chǔ)。烏東煤礦回采巷道與地應(yīng)力夾角方向近垂直，受到的地應(yīng)力作用強(qiáng)烈，對巷道支護(hù)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，Ⅳ-3和Ⅴ-5活動(dòng)斷裂的賦存為冒頂區(qū)域的煤巖體提供了動(dòng)力源和能量基礎(chǔ)。

(2)應(yīng)用松動(dòng)圈測試技術(shù)，分析了烏東煤礦急傾斜特厚煤層賦存條件下巷道冒頂?shù)闹ёo(hù)原因。礦井現(xiàn)采用的端部錨固局部位置存有錨固失效現(xiàn)象，錨桿錨固端長度不足是巷道冒頂?shù)闹ёo(hù)原因。

(3)應(yīng)用光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)，對錨桿受力特征進(jìn)行監(jiān)測，對比分析錨固效果，確定了巷道錨固優(yōu)化方案。在急傾斜特厚煤層的巷道支護(hù)中，建議采用全長錨固，提高巷道支護(hù)效果和安全性。