大傾角大采高煤矸互層頂板失穩規律及對支架的影響

解盤石，張穎異，張艷麗，陳建杰，張曉波，段建杰

(1.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054; 3.新疆焦煤(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830025; 4.重慶市能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400060; 5.陜西冶金設計研究院有限公司，陜西 西安 710032)

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，是國內外采礦界公認的難采煤層[1]。近年來大傾角煤層開采技術不斷進步[2-3]，但在大傾角大采高煤矸互層頂板工作面，開采時由于各互層頂板呈非協同變形，該類煤層頂板極易發生失穩破壞，導致工作面礦壓顯現異常劇烈，并且由于采高的增大，工作面甚至會發生煤壁片幫、倒架及冒頂事故，從而影響支架-圍巖系統整體穩定性，嚴重影響煤礦的正常生產，并對工作人員的人身安全造成威脅。因此，研究大傾角煤層煤矸互層頂板下支架與圍巖關系，對該類煤層的安全開采具有重要的理論與現實意義。

近年來，已有許多學者對大傾角煤層采場圍巖運移規律[4-6]、工作面支架-圍巖關系[7-10]以及支架受載和失穩特征[11-13]進行了大量的研究，為“支架-圍巖”穩定性提供了一定的基礎。但在實際生產中，大傾角煤矸互層頂板較一般頂板更為復雜。雖有學者針對大傾角薄煤層復合頂板破斷特征、工作面防倒滑措施[14-16]、特厚復合頂板錨桿支護方法[17-19]、工作面復合煤層的綜合機械化開采技術[20-21]、大傾角煤層復合頂板的支護參數[22]、傾斜復合頂板巷道破壞及其穩定性控制的方法[23-24]進行了研究，但針對大傾角煤層煤矸互層頂板下支架與圍巖關系的研究較少。

因此，筆者以新疆焦煤集團大傾角大采高采場下煤矸互層頂板工作面液壓支架為研究對象，通過三維數值模擬、物理相似模擬實驗及現場監測相結合的方法，研究工作面煤矸互層頂板變形破壞特征，探索煤矸互層頂板作用下支架的力學響應規律，為該類頂板條件下支架圍巖關系及頂板穩定性控制提供借鑒。

1 工程概況

新疆焦煤集團有限責任公司2130 煤礦25213工作面主采5號煤層，煤層結構復雜，回采范圍內煤層傾角35°～45°，平均38°，煤層厚度9.14～13.27 m，平均10.98 m，底部區域煤質較好，厚度4.2～7.8 m，平均5.4 m，埋深232～272 m。5號煤層頂部區域為煤矸互層，厚度為4.94～5.47 m，大部分含2層夾矸，單層夾矸厚度0.68～2.97 m，夾矸間單層煤層厚度0.65～2.75 m，煤質較差，底部區域煤質較好，厚度4.2～7.8 m，平均5.4 m。煤的抗壓強度為9.4 MPa，黏聚力為1 600 GPa，容重為13.5 kN/m3，夾矸以炭質泥巖和粉砂巖為主，平均單向抗壓強度為51.47 MPa，頂板以灰白色粗砂巖和中砂巖為主，單向抗壓強度為103.25 MPa。25213工作面布置于5號煤層底部區域，采用大傾角煤層走向長壁大采高綜采方法開采，采高4.5 m，工作面現場煤矸互層頂板冒頂情況如圖1所示。

圖1 工作面架前冒頂情況Fig.1 Roof falling ahead of supports

2 數值計算模型與相似模擬實驗設計

2.1 支架建模及參數確定

新疆焦煤集團煤矸互層頂板工作面大傾角大采高工作面布置如圖2所示，筆者以工作面支撐掩護式液壓支架ZY6500/22/48為研究對象，其最大結構高度4.8 m，支架最大寬度為1.75 m，最大工作阻力6 500 kN，支架結構主要包括:立柱液壓缸、前連桿、底座、后連桿、掩護梁、平衡液壓缸、頂梁;鉸接點包括:前連桿鉸接點、后連桿鉸接點、掩護梁-頂梁鉸接點、平衡液壓缸鉸接點、立柱液壓缸鉸接點。采用Rhino軟件建立液壓支架三維模型，如圖3所示。建模時，頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿按照彈性體處理，底座視為剛性體。其中Rhino進行網格劃分，再通過Kubrix導入FLAC3D中實現。

圖2 工作面布置Fig.2 Layout of working face

圖3 三維支架數值計算模型Fig.3 Three-dimensional numerical model of support

同時，為了更為準確的模擬支架的性能，假設液壓缸在正常工作時無泄漏，當活塞受到外力作用產生位移時，一腔壓力升高，另一腔壓力降低，所產生的復位力與活塞位移成正比，其作用相當于一個線性液壓彈簧。同時，考慮到摩擦力和黏性阻尼力等的存在，將其等效為彈簧阻尼系統[25]。

液壓缸的等效剛度計算公式[26]為

(1)

一般情況下，支架頂梁、尾梁、掩護梁等均為16Mn鋼，彈性模量為208 GPa，泊松比為0.31，立柱彈性模量為980 MPa，泊松比為0.3，密度7 850 kg/m3。其中，立柱液壓缸和平衡液壓缸主要參數見表1。液壓缸動力介質為乳化液，體積彈性模量為0.5 GPa。

表1 立柱液壓缸和平衡液壓缸主要參數Table 1 Main parameters of leg cylinder and balance cylinder m

將表1所列液壓缸主要參數代入式(1)，計算得到的立柱液壓缸和平衡液壓缸等效剛度系數分別為K1=8.5×106N/m，K2=4.5×107N/m，其中立柱液壓缸等效剛度系數由一、二級液壓缸分別等效后再按照串聯彈簧剛度公式計算。

2.2 煤矸互層頂板與支架建模

根據不同煤矸互層頂板條件下大傾角大采高采場圍巖運移規律[27]，結合大傾角煤層長壁采場應力演化規律[28]，首先建立原始采場模型，如圖4(a)所示，根據采場不同推進度下不同區域覆巖載荷值，將不同載荷代入到支架圍巖模型，即沿工作面傾斜方向，將支架與煤矸互層頂板數值計算模型分為傾斜上部、中部、下部，不同夾矸頂板條件下局部支架模型如圖4(b)所示，模型邊界條件為模型兩側限制沿傾向位移，底部限制垂直移動，上部施加覆巖等效載荷，其中，α為煤層傾角。采用犀牛軟件Rhino建立液壓支架模型，并進行網格劃分，再通過Kubrix導入FLAC3D中，在工作面開挖開切眼后，把支架等比例模型布置于工作面，對支架選用各向同性彈性模型mechanical elastic賦參，模擬其初撐力，循環開挖，依次隨采移動異形液壓支架。

圖4 數值計算模型Fig.4 Numerical model diagrams

2.3 物理相似模擬模型的建立

在模擬工作面傾斜下部區域底板布置CL-YB-114WX型有線應力傳感器，用于監測工作面垮落矸石對底板的作用力;工作面鋪設自主研發的液壓支架監測采場支架工作阻力變化規律;拍照記錄頂板破斷形態、巖塊鉸接情況及垮落矸石和支架的作用狀態;采用數據采集箱及電腦終端接受處理傳感器信號，如圖6所示。

表2 相似材料配比Table 2 Ratio of similar materials

圖5 物理相似材料模型Fig.5 Physical similar material model

圖6 實驗設備Fig.6 Experiment apparatus

3 大傾角煤層采場煤矸互層頂板與支架相互作用規律

3.1 不同夾矸層數煤矸互層頂板與支架相互作用特征

3.1.1應力演化特征

由圖7可知，工作面支架上方頂板范圍內應力分布呈明顯非對稱性，工作面傾斜中部區域的支架與夾矸間的最大主應力值達到最大，整體呈傾斜中下部大于上部的特征。煤矸互層頂板作用下，支架掩護梁與尾梁鉸接處有明顯的應力集中，單個支架應力呈現出傾斜上方小下方大的特點。部分支架四連桿結構受到非對稱載荷作用，導致支架四連桿局部受載過高。同時支架的最大主應力隨著夾矸層數的增加而減小。

圖7 工作面傾向方向剖面最大主應力演化特征Fig.7 Characteristics of maximum principal stress evolution in inclined section of working face

沿工作面走向剖面工作面不同區域支架與夾矸的最大主應力特征與工作面傾斜方向相同，如圖8所示，支架上方頂板范圍內應力集中呈現出傾斜中下部大于上部的非對稱特征，圖8中的“1,2,3,4”分別為在該2層夾矸條件下對支架上方的煤矸互層頂板做平行于頂板的4個剖切面的位置。支架頂梁與立柱鉸接處有明顯的應力集中現象，底座前端和后立柱柱腳有小范圍應力集中，支架受載明顯呈非對稱特征。支架護幫板存在應力集中，說明護幫板前方煤壁發生變形破壞，并作用于護幫板上?？梢钥闯?，由于夾矸頂板的作用，支架上方夾矸中煤線會吸收基本頂作用于支架時的一部分能量，緩沖了夾矸頂板和支架受上方基本頂的作用。即隨著夾矸層數的增加支架的最大主應力則有所降低，而頂板中的集中應力影響范圍則明顯增加。

圖8 工作面走向方向剖面最大主應力演化特征Fig.8 Characteristics of maximum principal stress evolution in strike-direction section of working face

由上述分析可知，工作面傾斜中部區域應力集中最大，且現場煤矸互層頂板工作面多以2層夾矸為主，故選取工作面中部2層夾矸下的煤矸互層頂板進行分析，對圖8傾斜中部兩層夾矸下煤矸互層頂板各夾矸和煤線沿平行頂板方向進行剖切，各剖面應力特征如圖9所示。由圖9可知，工作面支架上方的煤矸互層頂板區域應力釋放區較大，且波及到工作面支架前方煤壁，并產生一定的超前支承壓力。支架上方較高的煤矸互層頂板(第2層夾矸和煤線)應力釋放區域范圍明顯比低位頂板(第1層夾矸和煤線)大，且與圖8，9中2層夾矸現象一致。2層煤線的垂直應力最大值與夾矸頂板應力最大值相比較小，可看出夾矸層狀應力分布具有明顯的分區特征，但煤線應力影響區域均大于夾矸頂板應力影響區域，是由于煤線相對于夾矸硬度較低，受到應力作用時，煤線較容易發生壓剪破壞，造成貫通，從而影響區域增大。工作面開采過程中，該類頂板更易形成應力集中，出現離層等現象，易引發架前冒頂。可以看出，煤矸互層頂板的破壞是由于夾矸內煤線先發生局部壓剪破壞，隨后擴展貫通引發煤矸互層非均衡破壞。

圖9 兩層夾矸下煤矸互層各頂板應力剖面Fig.9 Stress profile maps of each coal-rock interbedded roof under two layers of gangue

3.1.2位移演化特征

在工作面的不同區域，煤矸互層頂板位移具有傾斜上部大，傾斜下部小的特征，底板也具有非對稱變形特征，但變形分布特點與頂板相反。煤矸互層頂板的變形與支架支護范圍有明顯的相關性，由于支架的支撐作用，與支架直接接觸的頂底板變形接近零值，煤壁變形亦不明顯。

3.1.3塑性區演化特征

沿工作面傾斜方向頂板呈非對稱塑性破壞，如圖10所示，工作面傾斜上部煤矸互層頂板較穩定，塑性破壞范圍小，傾斜下部破壞范圍較大，而傾斜中部塑性破壞程度最大，并波及煤壁和基本頂巖層，因此，工作面中部巖層是控制煤矸互層頂板的關鍵。在支架作用下，煤矸互層頂板中靠近支架的第一層煤線首先產生局部應力集中，造成壓剪破壞，隨后向附近煤線、夾矸擴展，繼而導致煤矸互層頂板破壞。采場圍巖的塑性破壞程度隨夾矸層數的增加具有逐漸增加的趨勢。

圖10 工作面傾向方向剖面塑性區演化特征Fig.10 Evolution characteristics of plastic zone in inclined section of working face

煤矸互層頂板工作面沿走向呈非對稱塑性破壞特征，傾斜中部區域發生大范圍塑性破壞，以剪切破壞為主，且破壞程度大于傾斜下部區域，如圖11所示，煤壁破壞具有上部小、下部大的特征。工作面傾斜下部頂板較穩定，加之垮落煤矸互層頂板的充填作用，煤壁受載程度有所降低。由于埋深的影響，傾斜下部的地應力有所增加，造成其塑性破壞范圍大于傾斜上部區域。煤壁與支架底座間的底板發生了明顯的拉伸破壞，影響工作面裝備的整體穩定性。

圖11 工作面走向方向剖面塑性區演化特征Fig.11 Evolution characteristics of plastic zone in strike-direction section of working face

在工作面推進過程中，煤矸互層頂板易發生破壞，且多在支架前方破斷并引起架前冒頂，如圖12(a)所示，導致支架上方失去支撐，無法正常工作。通過物理相似模擬實驗發現，和支架接觸的煤矸互層頂板中煤線首先出現豎向裂隙，從而在上方頂板和支架共同作用下引發夾矸破裂，導致支架接觸的硬矸層受載不均而發生破斷，最終夾矸破斷并造成架前冒頂，這與數值模擬結果基本一致。隨著工作面推進，煤矸互層頂板中煤線裂隙不斷發育，支架前方出現架前切頂現象，支架后方夾矸層局部裂隙擴展，煤線與夾矸層產生離層，并出現架后局部垮落現象，如圖12(b)所示。同時，采空區垮落巖層下沉位移增大，覆巖擠壓密實，對垮落夾矸層施加的載荷增大，使得夾矸層破碎嚴重。

圖12 采場圍巖破壞特征Fig.12 Failure characteristics of surrounding rock in stope

3.2 煤矸互層頂板-支架相互作用特征

在實際煤矸互層頂板工作面，頂板多以2層夾矸為主，因此本節主要研究2層夾矸下的頂板與支架作用特征。

3.2.1煤矸互層頂板對支架頂梁的作用

支架的第1種典型受載狀態為煤矸互層頂板與頂梁正接觸，如圖13(a)所示，該狀態下，支架在達到煤矸互層頂板最大承受載荷前可保持穩定，且對相鄰支架的影響較小。圖13(b)和(c)中支架頂梁后方運動速度大于前方，在前后柱區域有小范圍升高。正壓作用下，頂梁承載了相應的頂板載荷，且受載均勻，該狀態下支架處于保證頂板穩定的最好狀態。但煤矸互層頂板比一般頂板更易發生破壞，支架更易失穩，因此，在煤矸互層頂板工作面開采過程中，保證支架與頂板的正接觸，是維護煤矸互層頂板穩定的最好措施。

圖13 夾矸對支架頂梁作用Fig.13 Action of the gangue roof on the support canopy

3.2.2破斷煤矸互層頂板對支架掩護梁的作用

煤矸互層頂板對支架作用的第2種典型受載狀態為:煤矸互層頂板破斷且以破斷處為鉸接點發生回轉，使破斷夾矸后方作用于支架掩護梁處，如圖14(a)所示。夾矸破斷作用在掩護梁的不同區域，可以影響多個支架，從而造成支架發生偏載或擺尾，影響支架穩定性。對于2層夾矸，夾矸厚度越大，破斷夾矸產生的回轉作用力則越大，造成支架失穩的可能性越大。由于煤矸互層頂板破斷易形成小塊度矸石，所以，破碎煤矸互層頂板垮落作用于掩護梁中上部，而一般頂板破斷易形成鉸接結構則作用于掩護梁下部區域。

通過對支架掩護梁受載動力學分析，如圖14(b)所示，非對稱受載不僅導致掩護梁局部發生變形，同時也造成頂梁前端上翹與四連桿的連鎖運動，進而影響支架穩定性，極易造成煤矸互層頂板的局部破壞。圖14(c)支架y向應力特征表明，支架掩護梁受載后，頂梁側護板受到明顯影響。由于煤矸互層頂板作用于支架位置有所不同，所以四連桿和掩護梁鉸接處受載不均勻，會產生拉應力。

圖14 破斷煤矸互層頂板對支架尾梁的作用Fig.14 Action of broken gangue roof on the support tail beam

3.2.3垮落矸石-支架-煤矸互層頂板相互作用

由筆者之前實驗[29]可看出，工作面不同區域的支架與圍巖作用關系不同，不同區域的煤矸互層頂板垮落充填特征也明顯不同，如圖15所示，這與一般頂板條件下大傾角煤層充填特征類似。但煤矸互層頂板工作面傾斜下部區域充填程度更高，該處更易形成較為完整的“垮落充填矸石+(支架-煤矸互層頂板)+煤壁”支撐系統，既分擔了上方基本頂對支架的作用，也起到維護頂板的作用，保證了煤壁及其上方煤矸互層頂板的穩定性。

圖15 破斷煤矸互層頂板的垮落、滾滑、充填特征Fig.15 Caving,rolling and filling characteristics of the broken gangue roof

由于傾斜中部和上部采空區充填度較小，破碎煤矸互層頂板未對上方頂板起到有效支撐作用，從而在傾斜中部區域形成的支撐系統轉換為“采空區深部垮落夾矸+(基本頂-煤矸互層頂板-支架)+煤壁”，該載荷傳遞系統受到了基本頂的回轉作用，特別是在支架上方煤矸互層頂板區域，因此傾斜中部區域支架載荷較大。此時，保證煤矸互層頂板的穩定性是保證整個系統完整性的關鍵。對于傾斜上部區域支架，由于垮落頂板基本都下滑至下方采空區，所以該處形成了“(基本頂-煤矸互層頂板-支架)+煤壁”的支撐系統，此時支架后方頂板破斷，該處基本頂一般易形成短懸臂狀態，并隨著工作面推進發生周期性非對稱破斷，導致該區域支架受載多變。

3.2.4支架-支架相互作用

在整個垂向支架-圍巖系統里，煤矸互層頂板中煤線首先發生破壞，并誘發夾矸失穩，造成了支架上方頂板元素缺失，引發架間相互作用。通過相似模擬實驗和現場觀測得知，支架與圍巖相互作用的第3種典型受載狀態為:傾斜上方支架傾倒并擠壓下部支架頂梁，且作用于下方支架側護板區域，如圖16所示，導致支架側護板局部變形，造成支架立柱等其他部位發生沿傾斜方向的非對稱受載。由于煤矸互層頂板較一般頂板更破碎，所以煤矸互層頂板工作面支架更易傾倒，架間相互作用頻次更多。

圖16 支架間相互作用Fig.16 Interaction of supports

圖17 架間頂梁水平應力特征曲線Fig.17 Horizontal stress characteristic curves of supports canopy

對不同夾矸厚度下工作面傾斜方向多個支架頂梁受力進行分析，如圖17所示，支架頂梁間均存在相互作用，主要為沿著工作面傾斜向下的側向作用力。沿工作面傾斜方向，不同區域支架側向受載不同，主要呈現出傾斜中部最大，下部次之，上部最小的特征。前柱上方頂梁側向載荷大于后柱上方頂梁，隨著夾矸厚度的增加，支架頂梁承載的側向載荷平均值呈現逐漸降低趨勢，并趨于均布化。少數情況會產生反傾向的作用力，是由于支架受到頂板的非均勻作用，導致頂梁發生扭轉并發生局部應力集中。

4 現場實測分析

在25213工作面沿傾斜方向上、中、下3個區域分別布置測區，每個測區的測線分別布置于工作面上、中、下部區域的33，22，8號支架上。采用KJ377型礦壓動態監測儀對工作面測區內支架的前后立柱所受載荷進行連續記錄，進而分析工作面礦壓顯現規律以及不同區域支架受力特征及穩定性特征。由圖18和表3可知，煤矸互層頂板工作面支架工作阻力具有非對稱分區性，整體呈傾斜中下部大于上部，與數值模擬結果一致。其中，工作面傾斜下部8號支架阻力在3 500～4 500 kN高頻次出現，傾斜中部22號支架阻力在4 500～5 500 kN高頻次出現，傾斜上部33號支架阻力高頻次處于2 500～3 500 kN。通常，工作面傾斜中部區域支架載荷先于上部區域和下部區域增大，且中部支架阻力多處于3 000 kN以上，其對煤矸互層頂板的穩定性影響遠高于上、下部區域。

由于開采過程中煤矸互層頂板極易發生破壞，經常發生架前冒頂，導致支架上方失去支撐而無法正常工作，嚴重影響支架-圍巖系統整體穩定性，且不同區域支架工作阻力有明顯的非對稱性，故提出大傾角大采高煤矸互層頂板穩定性控制措施:

(1)優化工作面回采工藝，縮減端面煤矸互層頂板的空頂時間，保證煤矸互層頂板自身穩定，這是保證工作面支架-圍巖系統整體穩定的基礎。

圖18 工作面不同區域支架工作阻力分布Fig.18 Characteristic of supports working resistance in different area of working face

表3 不同區域支架的平均工作阻力及其利用率Table 3 Average supports working resistance and utilization ratio in different areas

(2)確定合理的支架工作阻力，對工作面支架進行分區域控制，工作面中部頂板需重點控制，在保證支架有效工作阻力的同時，保持煤矸互層頂板的完整性與穩定性，這是保證煤矸互層頂板穩定的關鍵。

(3)煤矸互層頂板工作面基本頂對支架作用較一般大傾角工作面[30]要緩和，煤矸互層頂板在堅硬基本頂的作用下將承載更多的覆巖重量，易發生變形破壞，采用預裂爆破弱化技術對堅硬基本頂進行超前松動弱化，既保證了堅硬頂板有效垮落和降低了礦山壓力對煤壁的作用，又防止頂板過度破碎形成漏冒而影響煤炭質量。

(4)采用工作面實時動態礦壓監測，及時反饋工作面礦壓顯現規律，準確預判冒頂潛在位置并采取相應的控制措施。

5 結 論

(1)數值模擬結合物理相似模擬表明，在支架支撐作用下，煤矸互層頂板的變形破壞首先從煤矸互層頂板中靠近支架的軟煤開始，逐步向附近軟煤夾層、夾矸擴展，導致煤矸互層頂板非均衡破壞，最后引發架前冒頂、煤壁片幫等現象。因此煤矸互層頂板下支架工作阻力控制要求為:在頂板穩定的前提下防止支架上方煤矸互層內的煤體發生破壞。

(2)支架作用下，與支架直接接觸的頂、底板、煤壁變形均不明顯，煤壁最大位移發生在支架與煤壁的空頂位置。煤矸互層頂板的最大主應力、位移及塑性破壞特征均具有傾斜上部大、下部小的非對稱分布特征，且隨著夾矸層數增加，支架上方煤矸頂板集中應力影響范圍、圍巖變形影響范圍及塑性破壞范圍均有所增大。

(3)煤矸互層頂板下支架有3種典型受載狀態:① 煤矸互層頂板與支架正接觸，支架受載均勻，處于維護頂板穩定的最佳狀態;② 頂板破斷作用于支架掩護梁，較一般大傾角頂板支架更易發生偏轉或者擺尾，影響支架穩定性;③ 架間相互作用時，上方支架傾倒并作用于下方支架的側護板區域，對下部支架頂梁造成擠壓，使支架立柱等其他部位發生沿傾斜方向的非對稱受載。煤矸互層頂板下工作面支架更易發生后兩種受載狀態，影響支架-圍巖系統穩定性。

(4)煤矸互層頂板下支架工作阻力有明顯的分區特征，提出縮短空頂時間、分區域控制、超前預爆破及工作面實時動態礦壓監測一系列大傾角大采高煤矸互層頂板穩定性控制原則，來保證工作面的安全高效生產。