煤礦采動(dòng)作用對(duì)圍巖擾動(dòng)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(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

井工煤炭的開(kāi)采不可避免會(huì)引起開(kāi)采工作面周?chē)膰鷰r擾動(dòng)，使煤巖體發(fā)生應(yīng)力重分布，造成開(kāi)采巷道內(nèi)圍巖開(kāi)裂、位移、變形，嚴(yán)重時(shí)誘發(fā)巷道內(nèi)巖爆、底鼓、煤與瓦斯突出等礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)，不僅制約煤礦安全生產(chǎn)，甚至威脅工作人員生命安全。各學(xué)者為解決這一問(wèn)題，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等手段預(yù)測(cè)開(kāi)采活動(dòng)中圍巖擾動(dòng)事件的分布位置和規(guī)律，探究采動(dòng)作用下煤礦巷道圍巖擾動(dòng)事件的分布范圍，以實(shí)現(xiàn)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的超前預(yù)警。姜福興等[1]利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在華豐煤礦4 號(hào)煤層上實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓的有效監(jiān)測(cè)；曲效成等[2]在濟(jì)三煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了鉆屑量、支承應(yīng)力和鉆孔應(yīng)力的關(guān)系，提出了基于連續(xù)應(yīng)力測(cè)量的沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；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(guān)性，提出采用電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出等礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法，在平頂山八礦成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；竇林名等[4]將電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_擊礦壓的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)工作中，在3406 工作面中取得較好的監(jiān)測(cè)效果；張宗文等[5]結(jié)合微震監(jiān)測(cè)和地音監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提出微震-地音綜合監(jiān)測(cè)的理念并在沖擊地壓的防治中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用；劉金海等[6]針對(duì)沖擊地壓提出了震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)體系和分區(qū)分段分級(jí)治理思路，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。顯然，目前煤礦巷道圍巖擾動(dòng)的研究主要集中于通過(guò)各類儀器、方法對(duì)開(kāi)采工作面附近的圍巖變形、破壞等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，針對(duì)圍巖擾動(dòng)事件發(fā)生及分布范圍的理論研究較少。因此，采用統(tǒng)計(jì)與歸納的研究方法，從理論角度探究煤礦開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖受擾動(dòng)范圍及其成因，為礦山動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治提供理論支撐。

1 煤礦采動(dòng)對(duì)圍巖擾動(dòng)影響監(jiān)測(cè)方法

煤礦采動(dòng)對(duì)圍巖擾動(dòng)影響是指工作面開(kāi)采活動(dòng)破壞巷道圍巖穩(wěn)定性，不同的開(kāi)采方案、開(kāi)采程度通過(guò)影響震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、電磁輻射場(chǎng)產(chǎn)生不同幅度的圍巖擾動(dòng)響應(yīng)，包括圍巖變形、位移、破裂以及沖擊地壓、瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害。

因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中巷道圍巖震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、電磁輻射場(chǎng)的變化可以對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)做出預(yù)測(cè)，實(shí)際應(yīng)用的監(jiān)測(cè)方法總體分為震動(dòng)類監(jiān)測(cè)技術(shù)、應(yīng)力類監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁類監(jiān)測(cè)技術(shù)、圖像信息類檢測(cè)技術(shù)、位移類檢測(cè)技術(shù)以及多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)[7-8]。

1.1 震動(dòng)類監(jiān)測(cè)技術(shù)

微震與地音現(xiàn)象的頻率關(guān)系如圖1，采礦活動(dòng)引起的震動(dòng)現(xiàn)象分為2 種：一種屬于震感較強(qiáng)烈的微震事件（MS），震動(dòng)頻率小于150 Hz；另一種被稱為地音現(xiàn)象（AE），又稱聲發(fā)射現(xiàn)象，震動(dòng)頻率在150～3 000 Hz 之間[5]。微震事件（MS）與地音現(xiàn)象（AE）分別對(duì)應(yīng)著不同的震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)：微震監(jiān)測(cè)與地音監(jiān)測(cè)。

圖1 微震與地音現(xiàn)象的頻率關(guān)系[5]Fig.1 Frequency relationship between microseisms and underground sound phenomena[5]

1）微震監(jiān)測(cè)。微震事件主要是低頻高能事件，因此檢波器對(duì)彈性波的有效接收范圍能夠達(dá)到500 m 以外甚至3 000 m[9]。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)迭代計(jì)算、反演分析等手段處理實(shí)時(shí)采集的大量微震數(shù)據(jù)，做出監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)間、空間序列統(tǒng)計(jì)分析，為推測(cè)工作面附近圍巖變形程度、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的礦山動(dòng)力災(zāi)害及位置提供數(shù)據(jù)支撐[10-11]。煤巖體受采動(dòng)作用產(chǎn)生的彈性波通過(guò)預(yù)先放置的檢波器時(shí)，被檢波器記錄形成模擬信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)式（1）反算得出震源位置[12]。

式中：（xi，yi，zi）為第i 個(gè)檢波器的三維坐標(biāo)；（x0，y0，z0）為震源位置坐標(biāo)；ti為第i 個(gè)檢波器的響應(yīng)時(shí)間，s；t0為震源發(fā)生時(shí)刻，s；Vp為縱波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；Vs為縱波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s。

2）地音監(jiān)測(cè)。地音監(jiān)測(cè)與微震監(jiān)測(cè)類似，也是通過(guò)檢波器記錄煤巖體變形產(chǎn)生的彈性波[13]，區(qū)別在于地音監(jiān)測(cè)得到的震動(dòng)事件能量普遍小于100 J、頻率大于100 Hz，因此地音監(jiān)測(cè)的有效范圍一般在工作面前后100 m 內(nèi)[10]。地音監(jiān)測(cè)技術(shù)由于其監(jiān)測(cè)對(duì)象高頻低能的特征，監(jiān)測(cè)范圍相對(duì)較小，且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工作面附近工作時(shí)受采動(dòng)干擾較大，加之我國(guó)在煤礦安全管理中更加注重宏觀性、區(qū)域性，導(dǎo)致地音監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)煤礦工作中的應(yīng)用并不廣泛。

可以看出，各類震動(dòng)監(jiān)測(cè)都只能解決相應(yīng)頻帶范圍內(nèi)的一部分問(wèn)題，因此要想獲得理想、全面的監(jiān)測(cè)效果，需要同時(shí)裝備多個(gè)頻帶的震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，或采用震動(dòng)類監(jiān)測(cè)技術(shù)與其他監(jiān)測(cè)手段對(duì)接共測(cè)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)[6]。

1.2 應(yīng)力類監(jiān)測(cè)技術(shù)

1）鉆屑法監(jiān)測(cè)。鉆屑法是通過(guò)在煤體中打小直徑孔（40～50 mm），根據(jù)孔內(nèi)排出的煤粉量、變形煤粉量及其變化規(guī)律和鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)力效應(yīng)鑒別礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的1 種實(shí)用方法[14-16]。鉆屑法監(jiān)測(cè)沖擊危險(xiǎn)性時(shí)具備施工難度小、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。但該方法監(jiān)測(cè)有效區(qū)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(yīng)力狀態(tài)和排出的煤粉量之間定量關(guān)系不同，因此鉆屑法監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍受限、誤差較大，在實(shí)際應(yīng)用中僅作為其他監(jiān)測(cè)技術(shù)的輔助或驗(yàn)證手段[6]。

2）采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)又稱應(yīng)力監(jiān)測(cè)或應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)，是指利用壓力傳感器、壓力枕、應(yīng)力計(jì)等測(cè)量?jī)x器連續(xù)監(jiān)測(cè)由采動(dòng)引起的作用于煤巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力[18-19]，獲得圍巖受擾動(dòng)后的應(yīng)力集中系數(shù)等影響采動(dòng)期間巷道圍巖穩(wěn)定的要素[20]，從而為預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)提供依據(jù)。

1.3 位移類監(jiān)測(cè)技術(shù)

位移類監(jiān)測(cè)是借助固定在巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(guò)分析單位時(shí)間的采場(chǎng)圍巖位移量以及位移變化量推斷、預(yù)測(cè)可能發(fā)生的礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)。常用的位移類監(jiān)測(cè)技術(shù)有錨桿位移監(jiān)測(cè)法、斷面測(cè)量法以及支護(hù)構(gòu)筑物故障檢測(cè)等[21]。以上各方法雖在監(jiān)測(cè)途徑上有所差異，如錨桿位移監(jiān)測(cè)法的觀測(cè)介質(zhì)為位移傳感器，斷面測(cè)量則是空間掃描儀等現(xiàn)代化設(shè)備，但其原理均是基于巷道的圍巖位移監(jiān)測(cè)判斷礦山動(dòng)力活動(dòng)。

鉆屑法監(jiān)測(cè)、采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、位移類監(jiān)測(cè)都屬于接觸式監(jiān)測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)范圍均在工作面前后100 m 以內(nèi)，屬于近距離監(jiān)測(cè)，并且單一的監(jiān)測(cè)結(jié)果難以滿足準(zhǔn)確指導(dǎo)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)預(yù)警、防治的要求[22]。

1.4 電磁類監(jiān)測(cè)技術(shù)

電磁類監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是電磁輻射法，即監(jiān)測(cè)煤巖體在受載變形、破裂過(guò)程中向外輻射的電磁能量及其變化[3]。在煤礦采動(dòng)影響下煤巖體內(nèi)部原生裂隙迅速發(fā)展形成不同程度電磁輻射，電磁輻射強(qiáng)度受煤巖體承擔(dān)荷載大小以及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)控制，煤巖體所受荷載越大、內(nèi)部應(yīng)力越高，裂隙形成發(fā)展過(guò)程越劇烈，產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)越強(qiáng)[4,17]。

電磁輻射法的優(yōu)點(diǎn)在于電磁輻射監(jiān)測(cè)屬于非接觸預(yù)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)影響小，不僅可以實(shí)現(xiàn)定向及區(qū)域預(yù)測(cè)，還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)[3,23]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)至今約有90 個(gè)礦井使用了電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)[10]。

1.5 圖像信息類監(jiān)測(cè)技術(shù)

圖像信息類監(jiān)測(cè)技術(shù)是將攝像設(shè)備置入預(yù)先打好的鉆孔中，而后依據(jù)攝像設(shè)備傳輸至監(jiān)視器的圖像、視頻或是特定的電信號(hào)通過(guò)后處理形成的多維圖像信息觀測(cè)鉆孔孔壁的結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀態(tài)，進(jìn)而間接判定礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的發(fā)育程度。

圖像信息監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)由簡(jiǎn)單的鉆孔照相、鉆孔攝像發(fā)展成為數(shù)字光學(xué)成像，不僅觀測(cè)手段智能多樣，實(shí)際操作時(shí)也可直接借助錨桿、錨索孔，觀測(cè)過(guò)程快捷方便，成本低，結(jié)合現(xiàn)代觀測(cè)手段不但可以得到清晰高質(zhì)量的影響資料，還可以形成全方位三維模型[24]。但該技術(shù)作為礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)間接判定手段，判定結(jié)果的準(zhǔn)確性以及時(shí)效性還有待提高。

1.6 多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)

多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)包括2 種：①微震監(jiān)測(cè)與地音監(jiān)測(cè)的“全頻廣域”震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)將2種震動(dòng)監(jiān)測(cè)方法聯(lián)合使用、互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了煤巖體從微裂隙擴(kuò)展到最終破裂整個(gè)過(guò)程的震動(dòng)監(jiān)測(cè)[5]，在時(shí)間和空間上完成對(duì)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的即時(shí)預(yù)測(cè)；②震動(dòng)場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，即在開(kāi)采工作面同時(shí)開(kāi)展震動(dòng)監(jiān)測(cè)和采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。二者從不同場(chǎng)域交叉監(jiān)測(cè)工作面巷道變形參數(shù)，有效避免震動(dòng)類監(jiān)測(cè)技術(shù)或應(yīng)力類監(jiān)測(cè)技術(shù)單獨(dú)使用時(shí)出現(xiàn)的盲區(qū)，提高預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 圍巖擾動(dòng)事件的空間分布特征

所有圍巖擾動(dòng)事件監(jiān)測(cè)技術(shù)中，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛，陳通等[25]以澄合礦區(qū)董家河煤礦22517 工作面為例，基于微震監(jiān)測(cè)分析了采動(dòng)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(fā)研究采動(dòng)作用對(duì)煤礦巷道圍巖的擾動(dòng)影響范圍。

統(tǒng)計(jì)整理的葫蘆素煤礦、陽(yáng)城煤礦、義馬千秋煤礦等14 個(gè)煤礦的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，各工作面開(kāi)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(yáng)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(jìn)行微震監(jiān)測(cè)時(shí)多采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或輔以地音監(jiān)測(cè)、電磁類監(jiān)測(cè)等其他監(jiān)測(cè)手段。工作面附件微震事件分布趨勢(shì)如圖2。

表1 微震事件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of monitoring data of microseism events

分析各煤礦的微震事件監(jiān)測(cè)結(jié)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(qū)域（圖2（b）中Ⅰ）；沿工作面傾向微震能量和頻次在回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷附件升高（圖2（b）中Ⅲ、Ⅳ），并且實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于空巷道側(cè)的微震事件要多；微震事件在層位上主要分布于煤層頂?shù)装迳舷?20～40 m 范圍內(nèi)（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(shì)圖Fig.2 Distribution trend of microseism events in working face

3 圍巖擾動(dòng)范圍影響因素分析

采動(dòng)作用主要從圍巖開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力重分布、煤層稟賦地質(zhì)特征和開(kāi)采方式3 個(gè)方面影響圍巖擾動(dòng)的范圍。其中，圍巖開(kāi)采擾動(dòng)應(yīng)力重分布和煤層稟賦地質(zhì)特征屬于內(nèi)部因素，開(kāi)采方式系外部因素。

3.1 圍巖應(yīng)力重分布

巷道開(kāi)挖、工作面開(kāi)采使原本由采空區(qū)圍巖承載的應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，因此在該區(qū)域仍有較高的應(yīng)力分布，此時(shí)煤巖體所承受這部分應(yīng)力稱為超前支承應(yīng)力，繼續(xù)向深部應(yīng)力逐漸恢復(fù)為原始應(yīng)力狀態(tài)[26-27]。各學(xué)者在監(jiān)測(cè)超前支承應(yīng)力時(shí)常采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段；其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最為常用，理論計(jì)算與數(shù)值模擬作為輔助性手段。

理論計(jì)算以彈塑性理論為指導(dǎo)，基于極限平衡理論和煤體極限承載能力推導(dǎo)出的工作面前方煤巖體彈、塑性區(qū)寬度表達(dá)式，進(jìn)而得到超前支承應(yīng)力的影響范圍。

工作面前方圍巖受擾動(dòng)形成的塑性區(qū)寬度xp為：

結(jié)合式（2）和式（3），可以得到超前支承應(yīng)力影響范圍Xi：

分析各煤礦工作面超前支承應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到工作面前方超前支承應(yīng)力分布趨勢(shì)如圖3。

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

由圖3 可知，超前支承應(yīng)力的影響范圍集中于工作面前方0～100 m，嚴(yán)重影響區(qū)域?yàn)?～20 m（圖3中Ⅰ），顯著影響區(qū)域?yàn)?0～30 m（圖3 中Ⅱ），一般影響區(qū)域?yàn)?0 m 以外（圖3 中Ⅲ）；超前支承應(yīng)力在工作面前20 m 范圍達(dá)到峰值；在工作面前100～200 m 后逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力；工作面超前支承應(yīng)力峰值的應(yīng)力集中系數(shù)在1.2～2.5 之間。

煤礦開(kāi)采引起的應(yīng)力重分布導(dǎo)致工作面前百米內(nèi)的煤巖體處于平衡狀態(tài)與極限平衡狀態(tài)之間，在其他影響因素的干擾下發(fā)生煤巖體變形、破壞等擾動(dòng)事件。在工作面傾向方向上，當(dāng)存在回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷時(shí)，由于巷道側(cè)臨空，會(huì)在實(shí)體煤側(cè)有較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖擾動(dòng)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(yīng)力集中程度較底板高，圍巖擾動(dòng)事件的能量、頻率也相對(duì)較高。

3.2 煤層稟賦地質(zhì)特征

由煤層稟賦地質(zhì)特征決定的開(kāi)采深度、開(kāi)采高度表征著開(kāi)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(guò)參與圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程影響工作面前方超前支承應(yīng)力的分布，間接控制工作面附近煤巖體擾動(dòng)事件的分布規(guī)律。工作面超前支承應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。煤層開(kāi)采特征-超前支承應(yīng)力分布關(guān)系圖如圖4。

表2 工作面超前支承應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yīng)力影響范圍與煤層的開(kāi)采高度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系（圖4（a）），與開(kāi)采深度基本呈正相關(guān)，煤層開(kāi)采深度越大，工作面超前支承應(yīng)力影響范圍越遠(yuǎn)（圖4（b））；超前支承應(yīng)力峰值距工作面距離與煤層開(kāi)采高度、深度均無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系（圖4（c）、（d））；超前支承應(yīng)力的峰值應(yīng)力集中系數(shù)與煤層開(kāi)采深度相關(guān)關(guān)系不明顯（圖4（f）），與煤層開(kāi)采高度呈正相關(guān)趨勢(shì)，煤層開(kāi)采高度越高，工作面前方超前支承應(yīng)力的峰值應(yīng)力集中系數(shù)越大（圖4（e））。

圖4 煤層開(kāi)采特征-超前支承應(yīng)力分布關(guān)系圖Fig.4 Relation graphs of characteristics of seam mining and distribution of advanced support stress

因此，認(rèn)為開(kāi)采深度、高度等煤層開(kāi)采特征能夠影響工作面前方百米內(nèi)圍巖擾動(dòng)事件的分布，煤層開(kāi)采深度越大，工作面超前支承應(yīng)力影響范圍越遠(yuǎn)，煤層開(kāi)采高度越高，工作面前方超前支承應(yīng)力的峰值應(yīng)力集中系數(shù)越大。

3.3 開(kāi)采方式

針對(duì)4 種典型煤礦開(kāi)采方式（放頂煤開(kāi)采、保護(hù)層開(kāi)采、預(yù)留煤柱開(kāi)采、無(wú)煤柱開(kāi)采），基于各開(kāi)采方式的原理及實(shí)際應(yīng)用，探究不同開(kāi)采方式下圍巖擾動(dòng)范圍的變化規(guī)律。放頂煤開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表3[28-29]。保護(hù)層開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表4[29]。預(yù)留煤柱開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表5。無(wú)煤柱開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)見(jiàn)表6。

表3 放頂煤開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)Table 3 Bearing stress parameters of top coal caving

表4 保護(hù)層開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)Table 4 Bearing stress parameters of protection layer mining

表5 預(yù)留煤柱開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)Table 5 Bearing stress parameters of reserved pillar mining

表6 無(wú)煤柱開(kāi)采支承應(yīng)力參數(shù)Table 6 Bearing stress parameters of non-pillar mining

放頂煤開(kāi)采是在煤層某一高度至頂板之間布置1 個(gè)采煤工作面，通過(guò)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(kāi)采方式導(dǎo)致超前支承應(yīng)力峰值位置前移、應(yīng)力集中系數(shù)升高；保護(hù)層開(kāi)采是為消除鄰近煤層的突出危險(xiǎn)性而優(yōu)先開(kāi)采某煤層或巖層的開(kāi)采技術(shù)，由于保護(hù)層的優(yōu)先開(kāi)采，被保護(hù)層在開(kāi)采時(shí)工作面前方的超前支承應(yīng)力峰值明顯降低；預(yù)留煤柱開(kāi)采即每回采1 個(gè)工作面，向前提前掘進(jìn)2 條回采巷道作為通風(fēng)和運(yùn)輸，巷道圍巖應(yīng)力集中程度隨預(yù)留煤柱寬度的增加總體呈下降趨勢(shì)；無(wú)煤柱開(kāi)采在采煤的同時(shí)形成回采巷道，2 個(gè)工作面之間不留設(shè)煤柱，相鄰采空區(qū)的超前支承應(yīng)力向開(kāi)采工作面前方轉(zhuǎn)移，與水平支承應(yīng)力疊加作用下提高了開(kāi)采工作面前方超前支承應(yīng)力峰值。

基于以上研究，得到4 種煤礦開(kāi)采方式對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響：工作面前方峰值應(yīng)力集中系數(shù)以無(wú)煤柱開(kāi)采、放頂煤開(kāi)采、保護(hù)層開(kāi)采的順序依次降低[29]，預(yù)留煤柱開(kāi)采方式下的峰值應(yīng)力集中系數(shù)隨著預(yù)留煤柱的寬度減小逐漸增大，應(yīng)力變化對(duì)應(yīng)的圍巖擾動(dòng)范圍也依次減小[30-32]。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）研究總結(jié)了目前煤礦開(kāi)采工作中圍巖擾動(dòng)事件的常用監(jiān)測(cè)技術(shù)，包括震動(dòng)類監(jiān)測(cè)、應(yīng)力類監(jiān)測(cè)、電磁類監(jiān)測(cè)以及多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，其中微震監(jiān)測(cè)在現(xiàn)場(chǎng)的使用最為成熟，但該監(jiān)測(cè)技術(shù)得到的監(jiān)測(cè)物理量較為單一，難以滿足準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)的要求，因此推薦采用多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2）基于大量微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析得到工作面附近圍巖擾動(dòng)事件的空間分布特征：①在走向上圍巖擾動(dòng)事件分布于工作面前后-50～300 m，擾動(dòng)事件的頻次與能量在0～100 m 范圍內(nèi)達(dá)到峰值；②沿工作面傾向擾動(dòng)事件的能量和頻次在回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷附件升高；③在層位上圍巖擾動(dòng)事件主要分布于煤層頂?shù)装迳舷?20～40 m 范圍內(nèi)，其中大能量事件集中于-10～20 m。

3）從受擾動(dòng)煤巖體的應(yīng)力重分布、煤層稟賦地質(zhì)特征、開(kāi)采方式開(kāi)展深入分析，得到煤礦采動(dòng)作用對(duì)圍巖的擾動(dòng)范圍為：①煤層開(kāi)采產(chǎn)生的超前支承應(yīng)力集中作用于工作面前方0～100 m，在工作面前20 m 范圍內(nèi)達(dá)到峰值；②受煤層稟賦特征影響的擾動(dòng)事件集中于工作面前方100 m 范圍；③工作面前方峰值應(yīng)力集中系數(shù)以無(wú)煤柱開(kāi)采、放頂煤開(kāi)采、保護(hù)層開(kāi)采的順序依次降低，應(yīng)力變化對(duì)應(yīng)的圍巖擾動(dòng)范圍相應(yīng)減小。