受上覆采空区影响的工作面巷道围岩应力分布规律测试研究

李洪彪，王 升，朱元广

(1.平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南 平顶山 467000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验，湖北 武汉 430071)

随着浅部煤炭资源日渐枯竭，我国中东部地区煤矿大多已进入深部开采阶段。进入深部后，高地应力环境下多煤层开采引起的应力场叠加效应加剧了煤矿深部煤与瓦斯突出、冲击地压及大变形失稳等灾害发生的风险，给深部煤炭资源的安全高效开采带来了严峻的挑战[1-3]。

除本煤层开采工作面间的应力叠加外，多煤层开采引起的应力场叠加效应主要包含两个方面，即上层煤开采对下层煤开采的影响和下层煤开采对上层煤开采的影响，其中前者产生的影响更为复杂。上部层煤开采后开始开采下部煤层时，由于上部岩层经历过剧烈破坏重构和大范围应力调整，下部煤层再次开采时将再次激活上覆岩层应力调整，这将导致更大范围岩层结构变形破坏和失稳，从而引发煤炭资源开采中的各种灾害问题。针对上述问题，张义顺等[4]研究了上下煤层同采时，上下工作面之间的相互影响。孙玉宁等[5]采用现场观测、相似模拟等实验方法，研究了煤层群开采产生的复杂应力场和位移场对巷道稳定性的影响，探讨了采准巷道与工作面开采之间合理的时空关系及其巷道的合理布置方式。郭文兵等[6]应用相似理论和光弹性力学模拟实验方法，对多煤层同采条件下采场围岩应力场特点以及相互影响关系进行了研究，得出了多层煤开采时采场围岩应力分布规律、应力集中系数及其相互之间的影响范围和影响程度。张俊英[7]、张荣亮[8]等从矿压显现的时空关系及其相互作用规律出发，采用现场观测、相似模拟等方法，研究了煤层群开采产生的复杂应力场和位移场对巷道稳定性的影响。总体而言，现有研究主要集中在多应力场叠加作用下围岩稳定性理论分析、数值仿真以及物理试验方面，而关于受上覆采空区影响的工作面围岩应力分布规律现场测试方面的研究则相对较少。

受上覆丁5，6-22260工作面采空区影响，平煤股份六矿戊8-32020工作面巷道掘进过程中矿压显现剧烈，灾害发生风险较高。本研究依托平煤股份六矿戊8-32020工作面，基于深部破碎软弱围岩的流变应力恢复法岩体应力测试技术，开展受上覆采空区影响的工作面巷道围岩应力分布规律测试研究，掌握掘进工作面围岩的应力分布特征和上覆采空区对掘进工作面围岩应力的影响范围，为后续工作面的采掘布置提供基础数据。以期为国内其它有类似条件的多煤层开采工作面布置提供参考。

1 工作面概况

平煤股份六矿开采缓倾斜近距离煤层群，井田内主要可开采煤层为丁组煤、戊组煤，丁组煤与戊组煤的层间距为72.9m，钻孔柱状图显示丁组煤与戊组煤之间主要以泥岩、砂质泥岩为主，含少量中、细粒砂岩。

丁5，6-22260工作面平均煤层厚度约4.2m，标高约-643m，埋深约820m，工作面煤层直接顶与直接底均为泥岩，已于2007年底完成回采，覆岩已基本稳定。围岩应力测试位置如图1所示，戊8-32020工作面位于丁5，6-22260工作面下方，丁5，6-22260运输巷与戊8-32020回风巷水平距离约66m，高差约100m。煤层厚度2.5～3.5m，平均3.0m，埋深超900m，工作面两侧均为未采动实体。戊8-32020工作面煤层直接顶与直接底均为砂质泥岩，基本顶和基本底均为细粒砂岩。戊8-32020回风巷设计长度2600m，标高约-760m，埋深约923m，其在掘进过程中矿压显现剧烈，灾害发生风险较高，因此围岩应力测试地点也布置在该条巷道，测试位置距离巷道口约500m。

图1 围岩应力测试位置

2 流变应力恢复法软岩应力测试技术

煤矿围岩应力测试通常采用在钻孔中预埋钻孔应力计的方式来测试工作面回采或其它施工过程中围岩的扰动应力变化值，但这种方式无法获得围岩扰动应力的绝对值，而且钻孔应力计一般为单向压力传感，难以获得围岩三维应力变化特征。常见的地应力测试方法，如水压致裂法[9，10]和套芯应力解除法[11，12]也可用于围岩的扰动应力测试，而且测试结果是围岩扰动应力的绝对值。然而，由于煤矿深部围岩结构软弱破碎、强度低[2]，这两种方法很难成功实施。为此，刘泉声等[13-17]基于煤矿深部软岩的强流变特性，提出了煤矿深部软岩的流变应力恢复法岩体应力测试技术，并通过仪器研制和软件开发形成了成套技术系统。该方法假设[14]：在深部软岩中钻孔埋设三维应力传感器，由于软岩在高应力下的强流变性质，传感器的感知应力将逐渐上升并最终趋于稳定，进而通过传感器的感知应力来解算围岩钻孔前的初始应力或扰动应力演化，流变应力恢复法的技术原理如图2所示[17，18]。平煤股份六矿戊8-32020工作面煤层节理裂隙发育，在高应力条件下显现出强流变特性，满足流变应力恢复法岩体应力测试技术的应用条件，因此可用于受上覆采空区影响的工作面巷道围岩应力分布规律的现场测试研究。

流变应力恢复法岩体应力测试仪器设备主要包括：光纤光栅式六向压力传感器、本质安全型光纤光栅解调仪、传感器安装定向装置以及配套的测试工具配件等。其中，光纤光栅式六向压力传感器包含6个独立的压力(正应力)传感单元和1个温度补偿单元，传感器量程为35MPa，测试精度1%。根据传感器各传感单元的测量方向，由式(1)可计算得到传感器测得6个正应力σni(i=1～6)与三维应力状态σij间的变化矩阵。本安型光纤光栅解调仪，主要用于岩体应力实测监测，可将监测数据通过实时传输至监控室，包含6个通道，波长解调范围为1525～1565nm。安装定向装置由推送组件、定向组件以及固定组件组成。其中，定向组件上绑定三维电子罗盘，用于确定传感器在钻孔中的三维姿态，传感器安装到位后与固定组件分离，可重复使用。

图2 流变应力恢复法的技术原理

流变应力恢复法岩体应力测试步骤包括：围岩钻孔、传感器安装、注浆回填和应力监测。对于原岩应力测试，传感器埋深度一般超3倍巷宽，对于扰动应力测试，需提前设计好传感器的埋设间距，且传感器间距应不小于1m。传感器感应球头直径为63mm，建议测试钻孔孔径为90mm以上，若钻孔极其软弱破碎，建议110mm以上钻孔，并在钻孔后迅速安装传感器，以防钻孔塌孔。传感器安装到位后，应采用具有膨胀性速凝水泥浆充填密实，以保证传感器与围岩紧密接触。

3 围岩应力测试方案

3.1 传感器布置

图3 戊8-32020回风巷围岩应力测试传感器布置

巷道开挖会引起周边局部范围围岩应力重分布，因此为尽量避免这种影响，用于戊8-32020回风巷围岩应力测试的传感器均埋设在3倍巷宽以外，戊8-32020回风巷围岩应力测试传感器布置如图3所示，在戊8-32020回风巷右帮，即靠近实体煤一侧，打20m深水平钻孔，孔径∅94mm，埋设1个传感器(1#)，传感器实际埋设孔深18.5m，作为原岩应力参考点。在戊8-32020回风巷左帮，即靠近丁5，6-22260采空区一侧，打一50m深水平钻孔，孔径∅94mm，埋设4个传感器，传感器实际埋设孔深分别为43.0m(2#)、32.5m(3#)、27.0m(4#)和22.5m(5#)，作为扰动应力测点。

3.2 现场测试过程

为保证钻孔成孔质量并减少对孔壁煤体扰动，钻孔采用风压排渣。钻孔完成后，根据流变应力恢复法软岩应力测试步骤，立即开展了现场围岩应力测试，具体过程如下。将传感器与光纤光栅解调仪连接，检查传感器输出波长及信号强度是否正常，记录传感器编号及相应传感单元的初始波长；利用安装定向装置将传感器依次推送至预设位置，并根据三维电子罗盘显示记录下传感器在钻孔中的三维姿态；待所有传感器安装到位后，利用注浆设备及硫铝酸盐水泥进行封孔注浆，使得传感器与煤体孔壁紧密接触；利用矿用本安直流电源给解调仪供电，并将传感器与解调仪连接，再次检查各通道传感器输出波长及信号强度是否正常，设置本次测试的数据保存频率和名称。

4 围岩应力分布规律

4.1 流变应力恢复曲线

用于传感器数据采集的光纤光栅解调仪数据采集频率为1h/次，累计监测时间32d。1#—5#传感器温度补偿单元和各压力传感单元的初始波长见表1，监测结束时各传感单元最终稳定波长值见表2。根据传感器的波长变化值及传感单元的出厂标定系数，通过式(2)计算确定传感器各传感单元的感知应力。

σni=kσi[(λi-λi0)-kT(λT-λT0)]

(2)

式中，σni(i=1，2，3，…，6)表示传感器i号传感单元的感知压力，MPa；kσi表示传感器i号传感单元的标定系数，MPa/nm；λi和λi0分别表示i号传感单元的实时波长和初始波长，nm；kT表示温度变化对压力传感单元的影响，无量纲；λT和λT0分别表示传感器温度补偿单元的实时波长和初始波长，nm。

表1 传感器编号及各传感单元初始波长

根据传感器各传感单元的波长变化、标定系数以及传感器的嵌入效应系数，计算得到1#—5#测点传感器各传感单元感知的流变应力恢复曲线如图4所示。由于水泥浆液固化过程中的收缩作用，传感器在注浆后的短期内出现应力先下降后上升的现象，待浆液完全凝固后应力逐渐上升，并最终趋于稳定；巷道围岩应力测点的应力恢复曲线与常规岩石流变应力性质试验曲线总体上保持一致，呈现出初期快速增长、中期缓慢增长并最终趋于稳定的变化规律，表明本次流变应力恢复法围岩应力测试数据准确可靠，可用于围岩应力的计算分析；不同测试方向的压力传感单元其应力恢复曲线到达至稳定的时间也存在一定差异，表明测试地点煤岩体力学性质呈现各向异性和非均质特征。

表2 传感器编号及各传感单元最终稳定波长

图4 各应力测点的流变应力恢复曲线

4.2 结果分析

根据传感器的流变应力恢复曲线，取值得到传感器最终应力恢复值σni(i=1～6)，见表3。根据式(1)，即传感器测得六个方向正应力与三维应力状态间的变换关系，可以计算得到钻孔局部坐标系下1#—5#测点处的三维应力状态。

为便于数据统一与对比，一般将围岩应力测试结果显示在大地坐标系OXYZ下，大地坐标以Z轴向上，Y轴向北，X轴向东。见表4，给出了大地坐标系下1#—5#测点传感器在钻孔中埋设的三维姿态，包括方位角、倾角以及传感器在钻孔内的旋转角。进而，通过坐标变换计算得到1#—5#测点在大地坐标系下的应力状态，见表5。

已有地应力测试数据表明[18]，受锅底山断层影响，该矿区深部地层地应力场已构造应力为主，σH/σV平均值为1.82。但1#—5#测点的结果显示自重应力Z方向应力水平显著高于水平两个方向的应力水平，表明受丁5，6-22260工作面采空区影响，戊8-32020回风巷围岩应力水平由构造应力为主状态转变为自重应力为主的状态。

表3 流变应力恢复曲线稳定值

表4 大地坐标系下传感器的三维埋设姿态

表5 大地坐标系下测点应力值 MPa

为详细分析上覆采空区与掘进巷道断面内围岩的应力分布，根据戊8-32020回风巷的方位角如图6所示，将表5大地坐标系应力测试结果变换到巷道局部坐标系OX′Y′Z′下，见表6。其中，Z′轴为自重方向，Y′轴垂直巷道走向，X′轴与巷道走向平行。

表6 巷道局部坐标系下测点应力值 MPa

根据侧压力系数的定义，巷道局部坐标系下1#—5#测点的X′方向侧压力系数λX分别为：0.79、0.78、0.75、0.75、0.75，Y′方向侧压力系数λY分别为：0.65、0.64、0.62、0.62、0.62，表明测试区域应力以自重应力水平为主，但侧压力系数未随测点位置改变发生明显变化。

平煤股份六矿地质钻孔柱状图显示测点处埋深约930m，假设上覆岩层的平均密度为2.3×103kg/m3，估算得到测点处垂直方向的原岩应力约21.39MPa，因此由丁5，6-22260工作面采空区影响引起的戊8-32020回风巷围岩1#—5#测点垂直方向应力集中系数分别为：1.62、1.63、1.72、1.74、1.75，表明1#—5#测点均处于丁5，6-22260工作面采空区影响范围之内。

根据表6应力值和1#—5#测点位置，绘制戊8-32020回风巷围岩各测点应力值与测点位置间的关系，如图5所示。

图5 巷道坐标系下测点应力值拟合曲线

5 结 论

1)戊8-32020回风巷围岩应力状态在一定程度上受到了丁5，6-22260工作面采空区影响，导致巷道垂直方向应力大于水平方向的应力。

2)巷道靠近采空区一侧应力变化呈先上升后下降的趋势，巷道远离采空区一侧应力呈下降趋势，并且垂直方向的应力变化最为剧烈。

3)根据拟合曲线大约在巷道右帮75m处，垂直应力接近于水平应力，可认为巷道受采空区影响可以忽略，即上覆采空区水平方向的影响范围约146m。