浅埋深工作面覆岩应变特征及切顶灾害预警方法研究

李正杰，徐 刚，任艳芳，张 震

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

近年来，浅埋深工作面液压支架工作阻力不断攀升，尤其是大采高工作面15000kN以上的液压支架逐年增多，如上湾煤矿8.8m超大采高综采支架工作阻力24000kN，曹家滩煤矿6m大采高综放支架工作阻力21000kN等，我国首台10m超大采高液压支架ZY29000/45/100D型样机也已面世，计划在浅埋深矿井中投入使用。虽然液压支架工作阻力增大，有效改善了以往浅埋深工作面压架事故多发的状况，但目前浅埋深工作面架前切顶事件依然多发，由此导致的压架事故仍时有发生，如郝家梁煤矿“7·15”透水溃砂事故之前，7m大采高工作面频繁发生架前切顶，18000kN的支架瞬时下缩量大；大梁湾煤矿大采高综采面阶段性发生架前切顶；石圪台、榆家梁、杨伙盘等煤矿浅埋工作面近年均发生过切顶压架。浅埋工作面切顶事故具有显著的突发性，煤矿现有配备的顶板灾害监测系统，往往预警相对滞后，给顶板灾害防治预留时间不足。

在浅埋深工作面顶板灾害防控方面，国内很多学者[1-13]从浅埋煤层界定、关键层理论等多个方面开展了大量的理论和实践研究，为浅埋煤层顶板灾害机理认识和灾害防治奠定了基础。近年来，浅埋煤层研究也取得了一些新的进展，杨俊哲等[14]结合神东矿区浅埋煤层大量的高强度开采实践，提出了顶板灾害防控的新认识；黄庆享、宋桂军等[15，16]提出了煤层群开采双关键层结构和协同承载的“主控层-软弱层”组合结构；尹希文[17]基于现场监测应用初步实现了液压支架载荷、循环末阻力以及顶板来压步距的预测预报，预测精度86%以上；任艳芳、李正杰[18]揭示了浅埋深长壁采场切顶压架灾害发生过程中的时间序列问题。赵仕元[19]运用突变理论分析了覆岩结构、岩性、载荷及支架刚度、来压步距等因素对切落塌陷的影响机制。吴文达[20]针对浅埋煤层群上部遗留煤柱联动失稳压架问题，提出了超深孔穿煤柱水压致裂技术。研究成果多偏重于覆岩结构、灾害机理以及防治技术，在顶板灾害监测预警的时效性方面涉及较少。

鉴于浅埋深覆岩破断的突发性以及工作面矿压监测系统事后性的特点，在以往浅埋煤层覆岩运移规律研究的基础上，采用现场实测数据分析和相似材料模拟方法，探索覆岩应变的发展过程及与切顶压架灾害的关系特点，提出浅埋工作面切顶压架的应变预警方法，为浅埋煤层开采顶板灾害的超前预警和及时防控提供一定的理论依据。

1 浅埋工作面矿压显现特点

1.1 上湾矿浅埋8.8m超大采高综采

上湾煤矿12401超大采高综采面宽度为299.2m，推进长度为5254.8m，设计采高8.5m，煤层厚度为7.56～10.79m，平均9.16m。工作面埋深124～244m，其中，上覆松散层厚度0～27m，上覆基岩厚度120～220m。采用ZY26000/40/88D型两柱掩护式液压支架，支护强度为1.71～1.83MPa。

正常开采期间，距切眼300～440m对应工作面埋深为230～180m，超大采高综采工作面表现出了典型的浅埋煤层开采特征，即工作面周期来压与非来压的矿山压力对比显著，如图1所示。压力与时间(F-T)曲线同样具有明显的对比性，非来压期间增阻小，来压时急增阻，支架压力曲线呈典型的“尖峰”状，增阻特征见表1。支架动载系数1.55～1.66，平均1.61，动载强烈；非来压时支架增阻速率为-2.1～14.4kN/min，平均2.3kN/min，缓增阻；来压期间增阻速率为12.4～139.6kN/min，平均62.2kN/min，急增阻，提高约27倍。

图1 工作面正常开采期间支架压力分布(300～440m)

表1 工作面动载系数和支架增阻速率统计

1.2 杨伙盘矿浅埋综采

杨伙盘煤矿20104工作面回采2-2煤层，上覆基岩厚度为75～126m，松散层厚度0～75m。走向长度为2454m，工作面宽度为238m。煤层厚度2.3～2.5m，平均2.4m，近水平分布。直接顶为19.4m的细砂岩，基本顶为10.3m粉砂岩，直接底为1.6m的砂质泥岩。工作面中部支架为ZY9500/16/30型两柱掩护式液压支架，支护强度1.03～1.07MPa。20104工作面在2019年4月1日至4月30日生产期间，受地表沟谷地形影响，多次发生切顶压架事故，工作面压力等值线应力分布如图2所示，来压与非来压对比明显，进出沟谷发生压架之前，工作面压力无异常，切顶后相应区域变为高应力区。

图2 20104工作面压力等值线

20104工作面正常来压间隔距离5.6～10.4m，平均7.8m；来压持续长度1.6～5.6m，平均3.5m。切顶压架具有突发性和瞬时性，切顶后工作面支架呈急增阻，动载强烈，动载系数1.5以上，大量安全阀开启卸压，短时间内造成支架活柱无行程。4月27日切顶压架过程中，支架增阻速率和安全阀开启情况见表2，非来压阶段以微增阻为主，平均增阻速率4.9kN/min；在切顶压架过程中，支架增阻速率为29.4～1388.2kN/min，平均增阻速率417.4kN/min，提高了约85倍，安全阀开启比例达64.3%，支架受力不均衡比例为21.4%。

表2 20104工作面4月27日切顶压架过程中支架增阻率和安全阀开启统计

1.3 石圪台矿浅埋大采高综采

石圪台煤矿31201综采工作面为3-1煤二盘区首采工作面，工作面宽度311.4m，走向长度1865m，煤层厚度3.0～4.4m，平均3.9m，埋深103～137m，属于典型浅埋深矿井。采用的综采支架型号为ZY18000/25/45D，支架中心距2.05m，支护强度约1.52MPa。31201综采工作面上部是2-2煤房采采空区，多处遗留有集中煤柱。2-2煤与3-1煤层间距为33～41m，2-2煤埋深67～101m。

31201工作面从初采至推进773m的过程中，经历了第一、第二段集中煤柱区，发生切顶压架事故2次，工作面压力等值线分布如图3所示，来压与非来压区分明显，压架发生之前，工作面矿压无显著异常。10月19日推入第一段集中煤柱区下方36.4m时，工作面大面积来压，40#-120#支架压力均值达45MPa，其中，支架立柱在0.5h内下缩量超过1m，造成局部支架被压死。10月19日局部切顶压架过程中，支架的增阻速率和安全阀开启情况统计见表3。切顶来压前正常割煤循环内，典型支架的增阻速率平均为16.5kN/min，切顶发生时支架增阻速率平均634kN/min，提高了近39倍，最大达1678kN/min，表明破断前顶板没有发生显著下沉变形，切顶破坏具有瞬时性、突发性；切顶后动载系数为1.62，动载异常强烈，压架发生前安全阀频繁开启，开启比例达65%。

表3 31201工作面局部切顶压架过程中支架增阻速率及安全阀开启统计

图3 31201工作面155～309m范围压力等值线分布

1.4 浅埋工作面矿压与顶板应变关系

根据上述多个典型浅埋深工作面矿压特点分析，浅埋工作面矿压的共性特征为动载系数大，来压与非来压区分明显，非来压时增阻速率小，来压时增阻速率大。浅埋工作面矿压显现特点反映了顶板破坏运动特征，即破断前顶板结构稳定，下沉量小，覆岩应变小；破断后顶板不易形成稳定结构而突然急剧下沉，覆岩应变大。由于覆岩应变表征的是微小的位移变化，在反映到工作面矿压显现之前，需要一定程度的应变积累和叠加，从而突变引起大的位移，进而产生矿压显现。因此，应变具有灵敏性和超前性。

下面采用相似材料模拟方法开展浅埋煤层切顶时顶板应变特征的实验室研究。

2 浅埋工作面覆岩应变特征试验研究

2.1 实验方案

表4 煤岩力学参数及相似材料配比(1∶50)

考虑边界效应，实验模型两侧各留400mm作为边界，工作面有效推进长度为2200mm(对应实际推进距离110m)，切眼尺寸为156mm×80mm(对应7.8m×4m)，循环进度为16mm(对应0.8m)。采用非接触全场应变测量系统对顶板岩层破坏特征进行采集分析。非接触全场应变测量系统采用DIC(Digital Image Correlation)数字图像相关技术，即一种通过图像相关点进行对比的算法，通过该方法计算出物体表面位移及应变分布，经运算后3D全场应变数据分布采用图形化显示。该系统适合测量静态和动态载荷下的三维变形，用于分析实际组件的变形和应变。

2.2 应变演化特征

初次来压前，顶板上位岩层具有显著的拉应变显现，初次破断沿着拉应变区发生，可见，弯拉变形造成了顶板的初次垮落。周期来压前，顶板待垮区没有明显的纵向应变和垂向位移的变化，覆岩发生垮落瞬时，垮落区出现了拉压应变，同时，破断区上下岩层的垂向位移量基本一致，表明了浅埋煤层顶板破断的整体性和剪切特性。覆岩纵向应变及垂向位移变化如图4、图5所示。

图5 覆岩垂向位移分布

取距煤层顶部10cm、50cm、100cm三处水平线上均匀分布的测点60组，提取每一次开挖前后测点的应变数值，其中，10cm即顶板上方5m，代表直接顶；50cm即顶板上方25m，代表基本顶；100cm即顶板上方50m，代表上部基岩层。覆岩纵向应变与推进度的关系曲线如图6所示，随着工作面推进，直接顶随采随冒，其应变曲线在采空区后方发生突增；覆岩发生切顶之前，上位基岩层及基本顶同步突增，切顶后，上位基岩层应变急剧下降。工作面推进至84m切顶前和切顶后，代表直接顶、基本顶和上位基岩层运动属性的三条测线应变特征如图7所示。初次来压期间，直接顶和基本顶应变曲线变化特征一致，上位基岩层未受到波及，应变保持恒定；历次周期来压相应层位应变曲线特征相似，直接顶首先垮落，应变小幅度波动后保持稳定；切顶破断至地表时，基本顶及上位岩层应变同步突变，呈现出“尖峰”状。

图6 三条测线上的40号测点应变随工作面推进的变化曲线

图7 推进至84m切顶前后模型走向应变特征

由此可见，覆岩应变能够有效反映出工作面每一次的顶板运动，与工作面来压一一对应，且在切顶之前具有应变突变特点，因此，可通过应变来表征顶板异常来压。

3 基于覆岩应变的浅埋工作面切顶预警方法

针对浅埋煤层采场顶板运动-来压突变性特点，利用监测覆岩应变的方法，提前在特定顶板层位设置应变监测仪器，通过实时反馈的应变特征，可提前掌握工作面初次来压、周期来压和岩层运动的动向，从而起到超前预警的作用。

光纤应变是其单位长度的变形量，BOTDR为现场应变监测主要用到的分布式光纤监测技术，可实现单端测试，即传感光纤破断，断点之前长度的光纤应变不受断点影响，具有长距离(80km)、高分辨率(1m)的优点[21]。在工作面回采巷向顶板施工钻孔，借助PVC管，在钻孔内注浆埋设传感光缆，随工作面采动覆岩变形运动的BOTDR进行实时监测。光纤与所埋设的岩层耦合协调变形，可以根据光纤应变的变化进行岩层运动状态反演[22]：当岩层破裂产生大量微小裂缝时，光纤受拉伸作用产生拉应变，应变与裂纹大小成正比；当岩层离层时，离层位置光纤出现应变峰值；当岩层垮落时，若垮落位置光纤破断，则相应的光纤应变信号消失。

以曹家滩煤矿122108工作面为研究对象，采用钢绞线光缆作为主要测试光缆，定点光缆作为备用光缆，采用钻孔注浆布设方式植入覆岩层内，钻孔仰角45°、直径60mm，长度70m，设计监测方案如图8所示。在超前应力影响范围之外进行BOTDR应变初始化测量，当处于应力影响范围内时进行密集采集，可根据不同层位的应变值的突变变化，实现对切顶和工作面来压的超前预警。实验室中的监测效果如图9所示。

图8 覆岩应变分布式光纤监测方案(m)

图9 顶板不同层位光纤测点应变曲线

4 结 论

1)分析了3个典型浅埋深工作面的矿压规律特点，即来压与非来压区分明显，来压时增阻大，认为浅埋工作面顶板破断前稳定，下沉量小，覆岩应变小；破断后顶板不易形成稳定结构从而急剧下沉，覆岩应变大。

2)采用非接触全场应变测量系统开展了浅埋煤层覆岩运动的相似材料模拟，得出浅埋工作面覆岩应变有效反映顶板破坏与运动特征，可通过覆岩应变实现异常来压的超前预警。

3)提出了采用分布式光纤技术进行浅埋工作面顶板灾害预警方法，为浅埋工作面顶板安全管理提供一种实用方法。