激光测距监测在综采放顶煤工作面的应用研究

吕经超 路亚军 毛永光

（兖州矿业集团公司兴隆庄煤矿，山东 济宁 272000）

1 工作面概况

兴隆庄煤矿3302（下）工作面设计为综采放顶煤工作面，工作面长度214.9～216.2 m，总推进长度699.2 m。所采煤层为下二叠统山西组底部之3 煤，煤层厚度最小3.30 m，煤层厚度最大8.80 m，平均7.20 m，煤层倾角2°～17°，平均 9°。煤层结构复杂，含一层夹矸，夹矸位于3 煤顶板之下2.80～3.00 m 处，厚度0.03 m，岩性为粉砂岩。工作面北部受冲刷带影响，煤厚变化较大。普氏硬度f= 2～3。煤层基本顶为中砂岩，平均厚度18.14 m；直接顶为灰色粉砂岩，平均厚度2.67 m，层理比较明显；直接底为灰色中粉砂岩，平均厚度13.22 m；基本底为粉砂岩，平均厚度16.68 m。主要应力表现为大地静力场型，断层构造发育区处应力集中。

2 综放工作面超前支承压力的影响

工作面超前支承压力是矿山压力的重要组成部分，巷道围岩表面位移是矿山压力显现的重要表现形式。支承压力的监测主要针对其分布特征，如分布范围、高峰位置、低应力区范围等重要特征参数，通过监测巷道围岩表面位移可以得到超前支承压力对工作面巷道的影响范围和大小，为矿山压力控制设计提供依据。综采放顶煤采煤法之所以达到经济实用、高产高效的效果，大都是因为煤层厚、机采高度大，与单一煤层开采相比，支承压力的影响范围和峰值点也不尽相同。针对综放工作面的特殊性，需借助一定的监测手段对其超前支承压力的分布和变化规律进行分析研究[1-5]，为采掘工作面顶板管理、超前支护及防冲措施的制定提供技术参考依据，同时也为开采相邻或类似工作面积累经验。

3 巷道围岩变形监测方案

3.1 激光测距仪简介

激光测距仪主要用于煤矿井下巷道两帮形变检测、顶底板形变检测，也可以进行单纯距离测量等。该设备如图1 所示，由传感器和固定支架组成，二者之间用螺栓连接，采用了相位式测量技术，用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，可实现信号远距离传输。

图1 激光测距传感器

3.2 巷道围岩表面位移监测布置

为了深入监测分析综采放顶煤工作面在回采过程中顶底板、两帮围岩变形运动规律，需观测 3302（下）轨顺巷在工作面回采期间巷道围岩表面收敛变形。分别在工作面轨顺巷超前52.6 m、82.6 m、123 m、153 m、233.6 m、253.6 m、273.6 m、293.6 m 处标记点位置安装8 个激光测距传感器，其安装断面形式如图2，采用类“十字交叉法”布置方式。激光测距传感器分别布置安装在顶板中部、侧帮中部位置，用于实时测量记录顶底板和两帮的变形收敛数据。

图2 激光测距传感器巷道安装断面图

4 轨顺巷围岩变形分析

在2020 年12 月5 日到2021 年3 月11 日3302（下）工作面回采期间，通过传感器监测得到图3 所示的各测站顶底板表面位移量曲线图。结果表明，顶底板、两帮表面位移量变化在工作面回采初始阶段较为平缓，围岩变形比较稳定，随着采煤工作面不断推进，回采的中期和后期各测站监测的顶底板、两帮表面位移量变化不断增加，其增长幅度不尽相同，具体分析为：

（1）初始位置距工作面52.6 m 的传感器监测数据如图3（a）。当工作面推进到距传感器33.85 m 时，顶底板、两帮移近量增长幅度开始变大；推进到距传感器3.1 m 时，顶底板累计移近604 mm，两帮累计移近905 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方33.85～3.1 m。（2）初始位置距工作面82.6 m 的传感器监测数据如图3（b）。顶底板累计移近416 mm，两帮累计移近1023 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方52.6～5.85 m。（3）初始位置距工作面122.6 m 的传感器监测数据如图3（c）。顶底板累计移近420 mm，两帮累计移近749 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方73.1～27.1 m。（4）初始位置距工作面152.6 m 的传感器监测数据如图3（d）。顶底板累计移近266 mm，两帮累计移近514 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方103.1～42.1 m。（5）初始位置距工作面233.6 m 的传感器监测数据如图3（e）。顶底板累计移近859 mm，两帮累计移近1480 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方106.35～6.6 m。（6）初始位置距工作面253.6 m的传感器监测数据如图3（f）。顶底板累计移近648 mm，两帮累计移近1126 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方126.35～12.35 m。（7）初始位置距工作面273.6 m 的传感器监测数据如图3（g）。顶底板累计移近1196 mm，两帮累计移近1798 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方119.35～18.1 m。（8）初始位置距工作面293.6 m 的传感器监测数据如图3（h）。顶底板累计移近1156 mm，两帮累计移近1564 mm，超前支承压力作用范围大体在工作面前方66.6～7.4 m。

图3 工作面推进过程中巷道表面位移曲线图

顶底板、两帮距离工作面越近，其围岩变形受到影响越剧烈，并且可以看出后期围岩变形有继续增加趋势。由数据可知，综放工作面巷道在受到开采影响下而产生的围岩表面位移累计最后通常大于1000 mm，最大可达1798 mm，要远远大于平常普通巷道位移100 mm 的预警值。对于综放工作面的围岩变形应加强围岩变形监测，如遇危险状况及时处理，补强支护。

5 结论

由于传感器主要监测巷道顶底板、两帮围岩的移近量及煤岩体中的静载荷，因而，监测数据仅对监测区域围岩移近量及静载荷情况进行分析。

（1）受回采工作面推进影响，大致得出各传感器显示超前支承压力影响范围，其中1#：

33.85～3.1 m；2#：52.6～5.85 m；3#：73.1～27.1 m；4#：103.1～42.1 m；5#：106.35～6.6 m；6#：126.35～12.35 m。该范围仅参考围岩变形情况，具体还应与围岩应力情况相互验证使用。

（2）轨顺巷各传感器显示综放工作面巷道围岩变形远大于普通巷道，表面最大位移量达1798 mm，说明该位置巷道围岩受到超前支承压力的显著影响。工作面越往前推进，顶底板、两帮移近量越大，后期围岩变形有继续增加趋势，建议继续加强围岩变形监测，如遇危险状况及时处理，补强支护。