伍永平，尹建輝 ，解盤石，高喜才，曹沛沛

（1．西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2．教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

大傾角煤層長壁開采矸石滑移充填效應(yīng)分析

伍永平1，2，尹建輝1，2，解盤石1，2，高喜才1,2，曹沛沛1，2

（1．西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2．教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

為研究大傾角煤層開采過程中矸石滑移充填對工作面礦壓的影響機(jī)理，建立了大傾角煤層開采工作面下部矸石充填力學(xué)模型，并對新疆焦煤集團(tuán)25112工作面展開了物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場礦壓監(jiān)測。得到了大傾角煤層開采工作面巖梁剪切力、彎矩分布和兩端支座反力的表達(dá)式，以及25112工作面矸石滑移充填特征和工作面不同區(qū)域支架載荷分布。結(jié)果表明，矸石滑移充填具有非均勻性，工作面礦壓現(xiàn)象具有分區(qū)域性，來壓時間具有時序性。由于受矸石的充填效應(yīng)影響，大傾角煤層開采工作面充填區(qū)與近水平煤層開采相比，頂板巖梁的剪切力、彎矩都有所變小，工作面下部的礦壓顯現(xiàn)緩和于工作面中上部，來壓時間滯后中、上部工作面。隨著工作面沿傾向向上充填程度的逐步減弱，工作面礦壓將增大,增大支架的支撐力可減緩工作面煤體（壁），頂板的受力狀態(tài)，利于工作面的頂板管理。

大傾角煤層；矸石充填；礦壓規(guī)律；力學(xué)模型

0 引 言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，開采難度大，開采后覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，“支架-圍巖”系統(tǒng)作用與一般傾角煤層差異大[1-2]，其開采過程中是一個走向與傾向交互作用的空間問題。相關(guān)研究表明工作面上部區(qū)域頂板最先發(fā)生垮落，垮落步距小，下部區(qū)域頂板滯后垮落，垮落步距大。沿工作面傾向頂板中上部最先出現(xiàn)離層、破壞，導(dǎo)致頂板垮落形態(tài)向上部區(qū)域偏移，呈現(xiàn)非對稱拱形特征[3]。垮落的矸石會沿著工作面底板向下滑移充填采空區(qū)，呈現(xiàn)工作面下部密實(shí)充填，充填塊度大小互相級配，具有一定強(qiáng)度，中部工作面充滿，充填松散，充填塊度較大，充填強(qiáng)度低，上部工作面少量充填的分區(qū)特征，如圖1所示。不同充填程度使不同位置頂板約束條件的不同。造成開采圍巖應(yīng)力重新分布，對于工作面傾斜下方，滑移充填的矸石在工作面中上部的矸石的重力和頂板壓力的共同作用下，形成了密實(shí)充填區(qū)，對于工作面傾斜下部形成了充填開采效應(yīng)。文中就大傾角煤層開采過程中矸石充填效應(yīng)展開了一定的研究，為更好地掌握大傾角煤層開采規(guī)律具有一定參考價值。

圖1 大傾角煤層矸石滑移充填模型Fig.1 Model of gangue mining in steeply dipping seam

煤礦充填開采方法按照充填范圍和充填量占采出煤炭量的比例關(guān)系可可以劃分為局部充填和全部充填[4-6]。其中全部充填是對采空區(qū)所有區(qū)域進(jìn)行充填，局部充填是對采動過程中產(chǎn)生的裂隙、冒落區(qū)域或?qū)Σ煽諈^(qū)部分進(jìn)行充填。大傾角煤層長壁開采工作面下部工作面矸石滑移充填，是一種主動式矸石滑移充填，在工作面下部形成了充填開采的圍巖條件，從而減緩了工作面下部礦壓顯現(xiàn)的劇烈程度。

近年來，政府與相關(guān)學(xué)者對大規(guī)模煤炭開采所引發(fā)的地表沉陷、環(huán)境污染等問題的重視，充填開采技術(shù)得到了大力發(fā)展，在國內(nèi)外礦山已經(jīng)得到了廣泛的推廣應(yīng)用[7-9，13-15]，取得了大量顯著的研究成果。矸石滑移充填則有其自身的優(yōu)越性，不需要特殊的充填設(shè)備及動力，且充填開采又能及時有效地減少地表移動與沉陷，減緩工作面礦山壓力顯現(xiàn)的劇烈程度，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 工作面下部區(qū)域矸石滑移充填頂板力學(xué)模型

1.1 力學(xué)模型的建立

隨著大傾角煤層長壁工作面的沿走向向前推進(jìn)，頂板巖層由于矸石充填體的密實(shí)充填，將受到矸石的支撐作用，因此在開采過程中，工作面下部礦山壓力將減緩，給予支架、煤壁等沖擊力、動載系數(shù)也將減小。因此，可將大傾角煤層長壁開采工作面下部矸石密實(shí)充填區(qū)頂板巖梁（基本頂）可看成一端由工作面煤壁，另一端由矸石充填體支撐的兩端固定的超靜定梁結(jié)構(gòu)。沿工作面推進(jìn)方向力學(xué)問題可以簡化為平面應(yīng)變問題，取工作面密實(shí)充填區(qū)A—A方向（圖1）的一剖面，建立“煤壁-支架-充填體”耦合作用下的工作面下部頂板巖梁力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 大傾角煤層密實(shí)充填區(qū)矸石滑移充填開采巖梁力學(xué)模型Fig.2 Lower part sliding gangue backfill mining rock beam mechanical model in steeply dipping seam

1.2 受力分析

選取上圖中巖梁厚度為h,單位寬度的頂板為研究對象，構(gòu)成了“煤壁-支架-矸石充填體”耦合支撐結(jié)構(gòu)。巖梁受力分析如圖3所示。

圖3 大傾角煤層工作面下方矸石滑移充填開采巖梁受力分析Fig.3 Analysis of lower parts working-face sliding gangue backfill mining rock beam mechanical model in steeply dipping seam

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法[10-12]，設(shè)α=a/l，β=b/l可得支座反力FRA，F(xiàn)RB為

（1）

由式（1）可知，由于支架和充填體的支撐作用，巖梁兩端的支座反力均小于垮落法開采時固定巖梁兩端的支座反力（ql/2[5]）。隨著工作面從下到上，破碎矸石所給予頂板的支撐力q3減小，F(xiàn)RA將增大，表明大傾角工作面沿傾向，從下到上工作面前方煤體所收到的力逐漸增大。隨著q2的增大，F(xiàn)RA將減小，表明當(dāng)增大支架的支撐力q2有助于減小前方煤體（壁）處受力，利于頂板管理和工作面超前支護(hù)。

取巖梁任意截面，可到剪切力Qx表達(dá)式為

（2）

分析式（2），可得巖梁在[0，l]內(nèi)最大剪切力發(fā)生在梁端部煤壁處，即x=0處有最大值，煤壁處受力最大。隨著q2的增大，Qx將減小，表明當(dāng)增大支架的支撐力q2有助于減小煤壁處受力，利于減少煤壁片幫發(fā)生的可能性及工作面頂板管理。

取巖梁內(nèi)任意截面，彎矩Mx表達(dá)式

（3）

式中MA由結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)知識求解為

（4）

由式（4）可知，在[0，l]內(nèi)，巖梁最大彎矩Mmax位于煤壁處，當(dāng)x=0時有最大值，Mmax=M（0）=MA.由式（4）可知，在大傾角煤層長壁開采過程中工作面下部矸石滑移充填開采條件下巖梁最大彎矩比全部垮落法（-ql2/12）小[5]。隨著工作面從下到上，破碎矸石所給予頂板的支撐力q3將減小，可知MA將增大，表明大傾角工作面沿傾向。由于破碎矸石的充填從下到上所給予頂板的支撐力將減小，頂板壓力將沿著工作面從下到上增大，煤壁處的彎矩將增大，煤壁受力將增大。增大q2，MA將減小。因此提高支架的支撐力將有助于減緩工作面來壓，減少煤壁片幫的可能性。

2 工程實(shí)踐

新疆焦煤集團(tuán)20130平硐25112工作面位于礦井一采區(qū)的1 950～2 000 m水平，煤質(zhì)為焦煤，5#煤層厚度為5～7 m，煤層傾角平均45°.煤層軟弱松散，一般無直接頂。老頂巖層堅(jiān)硬，由含礫中砂巖、含礫中粗砂巖組成。工作面走向長度2 240 m，傾斜長度105 m.對25112工作面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場礦山壓力觀測。工作面測區(qū)與測點(diǎn)布置如圖4所示，主要目的是掌握工作面支架受力狀態(tài)的分布規(guī)律。

2.1 物理相似模擬及現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

模型采用2 200 mm×1 850 mm×200 mm的可旋轉(zhuǎn)模型架。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選取幾何相似常數(shù)為30，容重相似常數(shù)為1.6.將各種相似材料按照確定的相似材料配比進(jìn)行混合拌勻后加適量水，再進(jìn)行攪拌后裝入模型內(nèi)部，并用重物將材料夯實(shí)到所需密度，鋪裝好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4所示。

圖4 物理相似模擬覆巖垮落形態(tài)Fig.4 Collapse form of overlying strata

25221工作面礦山壓力觀測主要采用KJ377型礦壓動態(tài)檢測儀，連續(xù)記錄測區(qū)內(nèi)工作面支架的前后立柱的工作阻力變化。該系統(tǒng)主要由地面部分（服務(wù)器、UPS、串口服務(wù)器）和井下設(shè)備（通訊分站，支架壓力傳感器等）組成。251221綜合機(jī)械化大采高工作面沿傾斜方向共布置3個測區(qū)，分別為下部測區(qū)（2#，9#，15#，22#支架）、中部測區(qū)（29#，33#，40#）以及上部測區(qū)（47#，54#），測區(qū)及測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 工作面測區(qū)與測點(diǎn)布置Fig.5 Measurement areas and measuring points

2.2 物理相似模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

在煤層被采完后，頂板的大范圍垮落形成的輪廓可以認(rèn)為是工作面周期來壓時的垮落范圍，從圖4可以看出，該礦大傾角煤層開采后，垮落的矸石沿著工作面底板發(fā)生了滑移現(xiàn)象，充填了工作面的中下部，充填帶約占整個工作面的70%，工作面下部充實(shí)帶約占工作面的20%.說明了大傾角煤層開采過程中沿著工作面傾向從上到下發(fā)生了非均勻的充填帶，從而造成了工作面沿傾向的非均勻的覆巖運(yùn)移空間。

25221工作面現(xiàn)場礦山壓力觀測工作從2012年6月開始至2013年5月結(jié)束，對數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行整理和處理后，可得到如下基本結(jié)果，如圖6工作面不同區(qū)域支架載荷特征。

圖6 工作面不同區(qū)域支架載荷特征Fig.6 Support load characteristics in different regions

1）沿傾斜方向礦壓顯現(xiàn)分區(qū)特征明顯。由圖6可見，工作面支架載荷（工作阻力）呈現(xiàn)出中部區(qū)域大，而上部區(qū)域和下部區(qū)域較小的基本特征。工作面支架的工作阻力利用率變化幅度大，且呈中部區(qū)域高（頂板壓力大）、向兩邊延伸逐漸降低，在工作面上部區(qū)域，由于支架與圍巖接觸條件多變，支架工作阻力利用率最低；

2）工作面中、上部區(qū)域（特別是上部區(qū)域）巖層活動劇烈，支架受載狀態(tài)多變，有時出現(xiàn)了動力作用（局部沖擊）。來壓呈現(xiàn)“先中部、次上部、再下部”具有時序性。

3 結(jié) 論

1）大傾角煤層長壁開采過程中，采空區(qū)矸石會沿著底板向下滑移，在工作面傾斜方向上形成了密實(shí)充填區(qū)、充分充填區(qū)、部分充填區(qū)，通過建立力學(xué)模型分析了大傾角煤層開采過程中工作面下部的受力狀態(tài)，分析表明工作面下部區(qū)域的矸石充填作用，是工作面下部煤體（壁）、頂板的受力情況相對于中上部工作面較小的原因。認(rèn)為提高工作面液壓支架隊(duì)頂板的支撐力可以減緩工作面煤體（壁）以及頂板的受力狀況；

2）對大傾角煤層走向長壁開采進(jìn)行物理相似模擬和現(xiàn)場支架工作阻力的監(jiān)測表明，大傾角煤層開采過程中垮落的矸石會沿著工作面底板向下滑移至采空區(qū)，形成不均勻的充填帶，不同充填程度使不同位置頂板約束條件的不同，造成開采圍巖應(yīng)力重新分布。工作面下部礦壓緩和于中、上部工作面，來壓時間具有滯后性、時序性。對于大傾角煤層安全高效開采具有一定的指導(dǎo)意義。

References

[1] 伍永平，劉孔智，贠東風(fēng)，等.大傾角煤層安全高效開采技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報，2014，39（8）：1 611-1 618.

WU Yong-ping，LIU Kong-zhi，YUN Dong-feng，et al.Research progress on the safe and efficient mining technology of steeply dipping seam[J].Journal of China Coal Society，2014，39（8）：1 611-1 618.

[2] 伍永平.大傾角煤層開采“R-S-F”系統(tǒng)動力學(xué)控制基礎(chǔ)研究[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

WU Yong-ping.Study on dynamics controlling basis of system “R-S-F” in steeply dipping seam mining[M].Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press，2006.

[3] 伍永平，解盤石，任世廣.大傾角煤層開采圍巖空間非對稱結(jié)構(gòu)特征分析[J].煤炭學(xué)報，2010，35（2）：182-184.

WU Yong-ping，XIE Pan-shi，REN Shi-guang.Analysis of asymmetric structure around coal face of steeply dipping seam mining[J].Journal of China Coal Society，2010，35（2）：182-184.

[4] 徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

XU Yong-qi.Coal mining[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2003.

[5] 錢鳴高，石平五，許家林，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

QIAN Ming-gao，SHI Ping-wu，XU Jia-lin，et al.Mine pressure and strata control[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，2010.

[6] 錢鳴高，張頂立，黎良杰，等.砌體梁的“S-R”穩(wěn)定及其應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理，1994（3）：6-11.

QIAN Ming-gao，ZHANG Ding-li,LI Liang-jie,et al.“S-R”stability for the vo-ussoir beam and its appilcaiton[J].Ground Pressure and Strata Control，1994（3）：6-11.

[7] 繆協(xié)興.綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（6）：795-801.

MIAO Xie-xing.Principle of underground pressure control in fully-mechanized coal mining with soild filling and force analysis of mining support[J].Journal of China University of Mining and Technology，2010（6）：795-801.

[8] 繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報，2012，37（8）：1 247-1 255.

MIAO Xie-xing，ZHANG Ji-xiong，Guo Guang-li.Study on waste-filling method and technology in fully-mechanized coal mining[J].Journal of China Coal Society，2012，37（8）：1 247-1 255.

[9] 張 強(qiáng)，張吉雄，巨 峰，等.固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計與控制理論研究[J].煤炭學(xué)報，2014，39（1）：64-71.

ZHANG Qiang，ZHANG Ji-xiong，JU Feng，et al.Backfill body’s comparession ratio design and control theory research in solid backfill coal mining[J].Journal of China Coal Society，2014，39（1）：64-71.

[10] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程（Ⅱ）[M].北京：高等教育出版社，2001.

LONG Yu-qiu，BAO Shi-hua.Structural mechanics tutorial（Ⅱ）[M].Beijing：Higher Education Press，2001.

[11] 付建新，宋衛(wèi)東，杜建華，等.中深孔開采急傾斜薄礦體采場頂板力學(xué)模型及圍巖擾動規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（1）：3 277-3 282.

FU Jian-xin，SONG Wei-dong，DU Jian-hua，et al.Study of stope roof mechanical model and wall rock disturbance law of steeply inclined thin orebody mining using medium-deephole[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33（1）：3 277-3 282.

[12] 杜 鋒，白海波.薄基巖綜放采場直接頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析[J].煤炭學(xué)報，2013，38（8）：1 331-1 337.

DU Feng，BAI Hai-bo.Mechanical analysis of immediate roof in fully mechanized top coal caving mining with thin bedrock[J].Journal of China Coal Society，2013，38（8）：1 331-1 337.

[13] 李石林，馮 濤，朱卓慧.煤體-支柱（架）-膠結(jié)體”聯(lián)合作用下頂板超靜定梁模型[J].煤炭學(xué)報，2013，38（10）：1 735-1 741.

LI Shi-lin，F(xiàn)ENG Tao，ZHU Zhuo-Hui.Mechanical model of statically indeterminate beam of roof under the combined action of coal bodypillar（support）and cemented fill[J].Journal of China Coal Society，2013，38（10）：1 735-1 741.

[14] 姜振泉，季梁軍，左如松.煤矸石的破碎壓密作用機(jī)制研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30（2）：139-142．

JIANG Zhen-quan，JI Liang-jun，ZUO RU-song.Research on mechanism of crushing compression of coal waste[J].Journal of China University of Mining and Technology，2001，30（2）：139-142.

[15] 馬占國，浦 海，張 帆，等.煤矸石壓實(shí)特性研究[J].礦山壓力與頂板管理，2003（1）：95-96.

MA Zhan-guo，PU Hai，ZHANG Fan，et al.Research on mechanism of compression of coal waste[J].Ground Pressure and Strata Control，2003（1）：95-96.

Analysis of slipping gangue filling effect in mining steeply dipping seam

WU Yong-ping1，2，YIN Jian-hui1，2，XIE Pan-shi1，2，GAO Xi-cai1,2，CAO Pei-pei1，2

（1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China）

In order to study the impact mechanism of sliding gangue on working-face when mining steeply dipping seam，this paper built a gangue filling mechanical model at working-face bottom in steeply dipping seam.Also，conducted an similar simulation experiment and site measurements of 25221 working-face in Xinjiang Coking Coal Group.The expressions of shear stress distribution，moment distribution and support reaction of two ends beam were deduced，and obtained sliding gangue filling characteristics and support load distribution in different working-face areas.The results shows the non-uniformity of collapsed strata filling working-face and mine pressure appearance.Roof pressure have a time sequence.The maximum shear stress and moment by filling method are much smaller than the one by caving method.The lower part working-face mine pressure is less than the other parts working-face，mine pressure arrivals later than the other parts working-face.With the gradual weakening of the filling level，the mine pressure appearance will increase，and increasing working resistance can slow down the force state of coal wall and roof，which is conducive to face roof management.

steeply dipping seam；gangue filling；mine pressure law；mechanical model

2015-06-12 責(zé)任編輯：劉 潔

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃資助項(xiàng)目（90210012）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51074120）；陜西省青年科技新星支持計劃資助項(xiàng)目（2015KJXX-36）；陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計劃資助項(xiàng)目（14JS057，15JS062）

伍永平（1962-），男，陜西漢中人，教授，E-mail：wuyp@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0501

1672-9315（2015）05-0529-05

TD 327

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