厚煤层开采覆岩移动规律的现场监测研究＊

王树忠 王继林 于 洋 胡学军 刘连峰 熊国军

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）

厚煤层开采覆岩移动规律的现场监测研究＊

王树忠1王继林1于 洋2胡学军1刘连峰2熊国军2

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）

现有的监测大多在巷道顶板5～8m深的范围展开，本文通过深孔多点位移计实时监测了工作面回风巷和运输巷顶板岩层0～20m深处范围内的岩层移动规律。获得了不同回采阶段覆岩移动变形规律，并根据监测曲线获得了周期来压步距。

深部开采 深部覆岩 多点位移计 实时监测 覆岩移动规律

1 前言

覆岩移动一直是采矿工程研究的核心课题之一，特别是随着煤炭开采深度的增加，深部煤层顶板的破断规律及位移监测成为重点关注的对象。通常认为采空区附近及上覆岩层的移动、变形和破坏的现象和过程是由于采动所引起的。由于上覆岩层的岩性、厚度、层位关系及构造情况不同，存在着多种多样的运动规律，而顶板的结构形式决定了顶板的运动特征，因此也是决定顶板控制方式和方法的关键因素。近年来，随着综放技术的发展及开采深度的不断增加，与矿山压力相关的重大灾害逐渐增多，事故分析的结果表明，应重新认识深部矿山压力的计算模型和事故发生的机理，推动采场上覆岩层结构理论的进一步发展。目前有关监测覆岩移动的方法，多数是通过2个测点来测量顶板的3～8m范围内的岩层移动。为了获得更大范围的顶板移动规律，通过多点位移计监测，得出了对五阳煤矿顶板钻孔深20m范围的覆岩移动规律。

2 五阳矿7605工作面上覆岩层移动监测方案

工作面上覆岩层位移测量主要是监测该工作面回采过程中受采动影响的上覆岩层变形随时间变化的情况。上覆岩层位移测量的目的是深入了解巷道上覆岩层不同深度岩层的位移、岩层弱化和破坏的范围；推断上覆岩层的“三带”分布情况。

本设计采用KDW－1型机械式多点位移计。本次位移监测工作拟在7605工作面运输巷和回风巷进行。根据量测需要和仪器要求，本设计从巷道顶板中部位置分别打垂直向上钻孔，考虑到采煤工作面的超前影响以及施工钻孔工期，最终在回风巷沿工作面走向距开切眼220m处开始布置5个观测孔，观测站走向布孔，间距7m，同时，在运输巷距开切眼320m处亦布置间距为7m的5个观测孔。共布置10个钻孔，孔径50mm，顶板钻孔深度为20m，钻孔内每隔2m布置测点，每孔布置10个测点。一个测点安装一个孔内固定器，分别从巷道顶开始，垂直向上在主要岩层中布置测点（距孔口1.5m、3m、5m、7m、9m、11m、13 m、15m、17m、19m距离），如图1所示。

图1 工作面测点布置示意图

在工作面回采期间每隔一段时间下井采集岩层移动数据，与初读数之差即为该测点相对于巷道围岩表面的位移值。考虑到采煤工作面的超前影响，从工作面生产开始即进行观测，在顶板岩层活动剧烈期间每天至少要测一次。工作面采过钻孔一段距离后由于覆岩垮落不能再监测时停止观测。设初始点A点为不动点，而随着回采影响，测点A将发生移动到新位置B点，如果测得A点、B点与围岩表面的相对位移LA和LB，则它们的差LA–LB就是A点到B点间离层位移相对值。

3 岩层移动现场监测结果及分析

从2010年7月8日到2010年9月13日，对监测点进行了监测和分析，根据多点位移计观测数据，绘制回风巷与运输巷不同深度岩层位移绝对沉降量曲线见图2和图3，其中测绳伸长时为正值，表示岩层下降；缩短时为负值，表示岩层上升，这意味着岩层破断后局部区域有回弹现象。通过对同孔不同高度处的沉降数值分析，得出同一位置处不同高度处的覆岩变形和沉降量的差异。

图2（a）显示8月9日以前岩层由于测点前方采空区上方的覆岩发生周期破断而发生周期性的上下移动，但此时岩层移动变化量较小；8月9日以后覆岩开始发生急剧沉降，这是由于随着开采的不断进行，开采工作面离测孔越来越近，尤其当开采面超过测孔后，由于覆岩已进入采空区开始发生剧烈的沉降；曲线总体上是呈下降的趋势，表明覆岩整体上是随着开采的进行垂直位移不断增大；最后测绳缩短量的大小可知岩层越高测绳缩短量越大，根据所选取测量仪器的原理可知越高处的岩层下沉量越小，即位移变化速度越向上越慢。

由图2（b）可知，前期总体上岩层发生较为微软的下降趋势；8月10号开采工作面已接近此测孔，这时覆岩开始发生剧烈变化，尤其是当工作面推过测孔一段距离后垂直位移更加剧烈。

由图2（c）显示的趋势与前面的趋势相近，无异常点。

由图2（d）可知，9m处测点在7月16日～8月13日大部分处于正值部分，这表明测绳变化量为正，测绳变长，这可能是此处岩层发生局部破坏致使测点处的位移计发生下滑；8月13日以后开始发生剧烈沉降。

由图2（e）可知，整体上变化趋势与前面相同；9m深处岩层在7月18日和7月20日发生两次向上的突变，分析认为这是由于测点处岩体较破碎致使测点处岩层下滑，测绳变长。

图2 回风巷不同深度岩层位移绝对沉降量

图3（a）～3（e）为运输巷5个测孔的沉降变化曲线图。开采工作面推至测孔位置处时，由于支撑将测绳处的岩层遮盖住致使此时无法进行测量，因此测不到覆岩发生较剧烈沉降变化时的值。这是由于上面所述原因使得图形最后部分没有发生类似回风巷各孔的剧烈下降，这说明支架暂时有效阻止了岩层的移动。且离工作面越近测孔变化越剧烈，岩层越高垂直位移变化速度越小，即从浅部到深部的岩层移动总体上呈下降趋势。由图3（b）可以看出8月2日以后覆岩开始发生近于直线的下降；3m和5m测点在9月3日发生向上的突变，这说明这两处发生了局部垮落，这可能是支架没有有效发挥支撑作用所导致的。

图3 运输巷不同深度岩层位移绝对沉降量

4 结论

通过多点位移计实时监测了工作面回风巷和运输巷顶板岩层深0～20m范围内的岩层移动规律。在开采过程的前期监测所得位移变化量很小，并呈现出一定规律的上下波动，这主要是远处覆岩周期性垮落对测点处覆岩的影响，当工作面推过监测区域后才会引起垂直位移的急剧增加；回采工作面推过一定距离（5m左右）后，监测所得位移急剧增加，但是岩层位移速度不尽相同，特点是越向上越慢，这表明在各层覆岩之间出现了离层；利用覆岩随时间位移变化曲线可以计算出7605工作面上覆岩层的周期来压步距分布区间，本项目周期来压步距大致为9.0m到14.0m左右，这与矿区其他相邻工作面来压步距大致吻合，验证了所得数据的准确性。

[1] 汤建泉，何满潮，马庆云等.开采覆岩运动和破坏规律的实验研究[J].中国煤炭，1996（2）

[2] 周宏伟，谢和平，左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究[J].力学进展，2005（1）

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[7] 何满潮，钱七虎.深部岩体力学基础[M].北京：科学出版社，2010

Field observation on strata movement law for thick coal seam mining

Wang Shuzhong1，Wang Jilin1，Yu Yang2，Hu Xuejun1，Liu Lianfeng2，Xiong Guojun2

（1.School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；2.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China）

Most of the existing observations are focus on the roadway roof movement in the range of 5－8meters in the literatures.In this paper，multipoint displacement meter has been applied to real－time monitor the movement law of strata locating in the material and transportation tunnel in the range of 0－20m.The movement law of strata under different back mining stages has been obtained.Based on the movement curve of strata，we deduce the period pressure step.These may be helpful for the mining engineering.

deep mining，deep strata，multipoint displacement meter，real time monitor，strata movement law

TD325

A

中国矿业大学（北京）基本科研业务费专项基金（2009QL08）；国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2010CB732002）；2010年度北京市科技新星计划（2010B062）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET－09－0726）资助

王树忠（1965－），男，博士研究生，高级工程师，主要从事采矿工程技术及管理工作。

（责任编辑 张毅玲）