大傾角煤層長壁開采覆巖走向受載與破壞特征

羅生虎，田程陽，伍永平，解盤石，王紅偉

(1.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054; 2.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; 3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

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。我國西部礦區50%以上的礦井開采大傾角煤層，中東部持續多年的高強度開采已使賦存條件“優越”的煤層儲量越來越少，許多礦井不得不轉向賦存條件相對復雜的大傾角(急傾斜)煤層開采，大傾角煤層開采是我國資源開發中的重大工程問題[1]。

在大傾角煤層開采中，由于煤層傾角大于垮落矸石的休止角，頂板破斷垮落后會沿著底板向下滾(滑)動，充填至工作面傾向中下部區域采空區，使回采空間在工作面傾向形成非均勻充填帶，造成充填矸石對上覆巖層約束的非均衡性，從而形成了大傾角煤層走向長壁工作面開采特有的頂板位移與垮落形態[2-3]。已有眾多學者通過理論分析、數值計算、模擬實驗和現場測試等方法，針對大傾角中厚煤層長壁開采、厚煤層長壁綜放、煤層群聯合開采等不同開采方式下圍巖非規則采動應力場的形成演化特征[4-6]、充填矸石非均衡約束條件下頂板的非對稱變形破壞演化規律[7-10]、頂板破斷后所形成巖體結構的非對稱空間展布形態與穩定-失穩機理[11-14]等方面展開了研究與探索，并付諸實施，推動了大傾角煤層長壁工作面開采巖層控制理論與技術的不斷進步。

但已有關于頂板受載與變形破壞等方面的研究工作主要是針對工作面傾斜方向，工作面推進方向的較為少見。筆者在文獻[15-16]中提出，在大傾角煤層開采中，采空區矸石充填特征不僅在工作面傾向呈現出非均勻性，在工作面走向亦呈現出異性;在深部采空區(相對于支架后方采空區而言，指覆巖垮落充分的采空區)形成下部填實、中部填滿、上部懸空的非均勻充填帶[1]，并在工作面傾向中、上部區域支架后方采空區底板上形成倒三角自由面，造成頂板的變形破壞特征不僅在工作面傾向呈現出明顯的非對稱特性，傾向不同區域頂板沿走向的受載與變形破壞特征之間亦存在顯著差異;且較深部采空區而言，支架后方采空區的矸石充填特征對工作面圍巖災變及其穩定性控制的影響更為顯著，而目前鮮有針對該問題的研究。

據此，筆者在已有研究工作基礎上，以焦煤集團2130煤礦25221大傾角綜采工作面為工程背景，采用“理論分析+模擬實驗+現場監測”相結合的研究方法，在對工作面傾斜方向不同區域礦壓顯現規律及其成因綜合厘定和分析的基礎上，系統研究采空區垮落矸石的非均勻充填特征及其非均衡約束條件下工作面傾向不同區域頂板沿走向巖體結構的受載與失穩特征，對大傾角煤層開采巖體結構變異致災機制和工作面“支架-圍巖”系統穩定性控制等方面的研究具有一定的理論參考價值。

1 工程概況

新疆焦煤集團2130礦井目前主要開采下侏羅系八道灣組地層1950水平以上的部分，煤層結構簡單。其中5號煤層平均厚度為5 m，局部最大厚度為7 m，煤層傾角42°～51°，平均45°。煤層軟弱松散，煤的硬度系數f= 0.3～0.5。工作面直接頂為灰白色含礫粗砂巖，泥質膠結、風化易碎的灰白色中砂巖，其上為以石英為主、抗風化能力強但層面發育的灰白色中砂巖。工作面底板為炭質粉砂巖、炭質泥巖等。25221工作面布置于5號煤層中，工作面傾斜長度105 m左右，走向長度1 766 m，采用綜合機械化大采高開采方法，最大采高4.5 m左右，全部垮落法管理頂板。

2 工作面礦壓顯現傾向分區特征

25221工作面采用綜合機械化大采高開采工藝，工作面裝備ZZ6500/22/48型液壓支撐掩護式支架60個和ZZG6500/22/48過渡支架3個，采用班前準備—下行割煤—上行清浮煤—移架—推移輸送機的工藝流程[17]。

為掌握工作面開采過程中圍巖的變形、破壞和運動特征，探討工作面支護裝備的適應性等，在工作面傾向上、中、下3個區域布置了3個測區，采用KJ337型礦壓動態檢測儀連續記錄測區內支架立柱的工作阻力。監測結果如圖1所示，結果表明:

(1)下部測區9號支架平均工作阻力為3 505 kN，中部測區29號支架平均工作阻力為6 422 kN，上部測區47號支架平均工作阻力為4 985 kN，支架工作阻力沿工作面傾向具有中部最大、上部次之、下部最小的基本特征。

(2)工作面傾向下、中、上部測區支架工作阻力標準差依次為767.12，1 358.17，1 088.07 kN，支架工作阻力離散程度亦呈現出中部最大、上部次之、下部最小的基本特征。

(3)工作面傾向下、中、上部測區來壓期間支架最大工作阻力依次為5 400，9 390，6 481 kN，傾向中上部區域來壓強度大，支架易受頂板沖擊載荷作用。

(4)工作面初次來壓步距為40 m，周期來壓步距為13 m，來壓持續2～3 d，且工作面傾向中部區域首先來壓，接著是工作面傾向上部，最后是工作面傾向下部。

可以看出，在大傾角煤層長壁工作面開采中，支架受載在工作面傾向分區特征明顯，中上部區域支架受載變化范圍大、易受頂板沖擊載荷作用，其主要原因在于:

(1)受煤層傾角影響，沿工作面傾向自下而上，支架離充填矸石的距離逐漸增大，即垮落矸石堆邊緣與底板的接觸線和支架與底板的接觸線之間形成夾角β(一般傾角煤層開采中2者為平行線)[15]，如圖2所示，造成采空區的矸石充填特征不僅在工作面傾向呈現出非均勻特性，工作面傾向不同區域的走向充填特征之間亦存在顯著差異。

(2)受垮落矸石三維非均衡約束效應影響，頂板巖層不僅在工作面傾斜方向的受載與約束非對稱，傾向不同區域頂底板沿走向的受載與約束特征之間亦存在顯著差異，造成頂板運動的幅度和劇烈程度在工作面傾向和走向維度上均呈現出中上部區域最大，從而形成了大傾角煤層長壁工作面開采中特有的礦壓顯現規律。

3 采空區非均勻充填特征

3.1 矸石非均勻充填模型分析

圖3為頂板垮落-充填的相似模擬實驗結果，相似模擬實驗采用實驗室自主研制的“平面-立體”交互可加載物理相似材料模擬實驗架，模擬實驗架最大模型尺寸為1 500 mm×1 500 mm×600 mm，文中模型尺寸為 1 500 mm×1 500 mm×400 mm。由圖3可以看出，對于工作面支架后方采空區(圖3(b))，傾向中上部區域直接頂首先垮落—下滑—充填至工作面傾向下部區域，并在工作面傾向中上部區域底板上形成自由面;受充填矸石支持作用，傾向下部區域直接頂垮落不充分。隨著工作面推進，基本頂及其上覆巖層逐步垮落堆積，并在未垮落頂板巖層區域內，形成明顯梯階殘垣狀輪廓[18]，如圖3(b)，(c)所示。對于深部采空區，如圖3(d)所示，覆巖垮落充分，采空區矸石充填呈現為下部填實、中部填滿、上部懸空的基本特征[1]。

在圖3所示相似模擬實驗中，模型側面一直用亞克力板進行防護，當亞克力板撤離后，垮落堆積的矸石會在側面塌落、滾滑。因此，結合圖3所示頂板的二維垮落充填演化特性，可以推斷，在大傾角煤層開采中，除垮落的直接頂破斷巖塊會沿底板下滑(圖2中的黑色箭頭)充填至工作面傾向下部區域外，深部采空區垮落的基本頂及其上覆巖層破斷巖塊亦會沿側向下滑(圖2中的紅色箭頭)充填至工作面傾向中下部區域，在深部采空區形成下部填實、中部填滿、上部懸空的非均勻充填帶，并在支架后方采空區上部區域底板上形成倒三角自由面，使頂底板巖層的受載與約束特征不僅在工作面傾向呈現出非均衡性，傾向不同區域頂底板巖層的走向受載與約束之間亦存在顯著差異。

為此，構建圖4所示矸石非均勻充填模型，研究采空區垮落矸石的非均勻充填特征。圖4中，L為工作面傾向長度，m;h0為煤層厚度(采高)，m;h1為直接頂厚度，m;l1為支架后方采空區矸石充填體矩形區域傾向長度，m;l2為支架后方采空區矸石充填體三角形區域傾向長度，m;l3為支架后方采空區傾向中上部區域倒三角自由面傾向長度，m;α為煤層傾角，(°);γ為頂板垮落矸石休止角，(°)。

圖4 支架后方采空區充填模型Fig.4 Model of goaf filling behind supports in steeply inclined seam mining

簡化起見，這里不考慮深部采空區基本頂及其上覆巖層垮落矸石對支架后方采空區的充填作用。則由圖4所示支架后方采空區充填特征，直接頂垮落量與充填量之間的對應關系可描述為

(1)

其中，δ為直接頂碎脹系數。由圖4所示幾何關系，支架后方采空區矸石充填體三角形區域傾向長度l2可表示為

l2=(h0+h1)cot(α-γ)

(2)

將式(2)代入式(1)并整理，可得支架后方采空區矸石充填體矩形區域傾向長度l1可表示為

(3)

則支架后方采空區傾向中上部區域倒三角自由面傾向長度l3可表示為

(4)

同時，由圖4所示傾向中上部區域矸石充填體和自由面的幾何關系，可得夾角β為

(5)

3.2 采空區非均勻充填影響因素分析

圖5為煤層傾角、工作面長度和采高對支架后方采空區充填特征的影響，計算中其余參數的取值已在圖中標注，圖中的虛線及其對應標注為自由面傾向長度l3=0時上述各參量的取值。由圖5可以看出:

圖5 支架后方采空區矸石充填影響因素Fig.5 Influencing factors of gangue filling in goaf behind support in steeply dipping seam mining

(1)采空區填滿區域傾向長度，即充填體矩形區域傾向長度l1，隨著煤層傾角α和工作面長度L的增大及采高h0的減小而增大。尤其是當煤層傾角大于38.5°后，l1隨煤層傾角的增大而驟增，之后逐漸趨于平緩。

(2)自由面區域，即自由面傾向長度l3，隨著煤層傾角α、采高h0和工作面長度L的增大而增大。但需注意的是，采空區傾向中上部區域自由面的出現是有條件的，例如，在圖5(a)所示的條件下，只有當煤層傾角大于42.5°后才會出現自由面，其他情況類似。

(3)隨著煤層傾角、采高和工作面長度的增大，垮落矸石重力傾向分量和運移空間隨之增大，頂板破斷巖塊向工作面傾向下方的滾、滑運動特征將更加明顯，頂板巖塊的破碎程度及采空區傾向下部區域的充填密實程度隨之增大，充填矸石對頂底板巖層的非均衡約束效應將更加明顯。

(4)工作面傾向下部區域頂底板巖層得到垮落矸石充填支撐后穩定性增強，頂底板巖層隨工作面推進而運動破壞的主要活動范圍上移，工作面中上部區域頂底板巖層的運動幅度和劇烈程度加大，底板破壞滑移和支架與設備下滑傾倒的可能性急劇增加，“支架-圍巖”系統在工作面推進過程中極易出現動態失穩而引發圍巖災變。

4 覆巖走向受載與破壞運移特征

受矸石沿工作面傾向和側向下滑充填影響，沿著工作面傾向自下而上，矸石充填量及其密實程度逐漸減小，支架與垮落矸石之間的距離逐漸增大，且這一趨勢會隨著煤層傾角、采高和工作面長度等的增大而越發明顯，導致覆巖的受載與變形、破壞和運動等不僅在工作面傾向呈現出非對稱特性，在工作面走向亦呈現出異性，如圖6所示。圖6中，q為上覆巖層作用載荷，kN/m;p1為支架支撐載荷，kN/m;p2為矸石支撐載荷，kN/m;Fz和Fx為鉸接點作用載荷，kN;a為支架控頂區走向長度，m;b為基本頂懸露長度，m。

4.1 傾向不同區域覆巖的走向結構特征

工作面傾向下部區域，如圖6(a)所示，受該區域采空區矸石充填較滿、且矸石充填體密實程度大的影響，該區域頂板運移空間受限，頂板垮落不充分，來壓強度小，沒有明顯的“三帶”或“三帶”形成的層位相對較低且不充分。基本頂破斷后的下沉量和回轉角小，破斷的基本頂巖塊能形成較穩定的鉸接結構[14]，“支架-圍巖”系統較穩定。

工作面傾向中部區域，如圖6(b)所示，該區域采空區的矸石充填量和矸石充填體密實程度等均遠較下部區域弱，受此影響，該區域圍巖的運移空間遠較下部區域大，頂板垮落較充分，“三帶”特征明顯。基本頂破斷后的下沉量和回轉角較大，破斷的基本頂亦能形成鉸接結構，但其穩定性遠較下部區域弱，其失穩后會對該區域工作面形成較大程度的沖擊來壓，“支架-圍巖”系統穩定性差。

工作面傾向上部區域，如圖6(c)所示，支架后方一定范圍的采空區底板上易形成自由面，受此影響，該區域圍巖運移空間大，上覆巖層垮落充分，“三帶”形成的層位高。基本頂破斷后不能形成鉸接結構，易發生順向回轉失穩，并下滑充填至工作面傾向中、下部區域。同時，基本頂在回轉失穩過程中，亦造成“頂板-支架-底板”中的頂板元素消失，使“支架-圍巖”系統成為偽系統[15]。

4.2 頂板沿走向變形破壞力學分析

以工作面傾向下部區域基本頂為例進行力學分析，對于工作面傾向中、上部區域的情況，可在下部區域的基礎上簡化得到。根據圖6(a)所示工作面傾向下部區域基本頂巖梁的受載與約束情況，可將其力學模型簡化為圖7所示的未懸露和懸露兩部分，對于未懸露部分的基本頂巖梁，這里將基本頂下方煤巖體對其的約束簡化為彈性地基，地基系數為k，N/m3。

圖7中，Q0和M0為基本頂巖梁O截面處的剪力和彎矩，結合圖7(b)所示懸露部分的受力情況，由平衡條件，Q0和M0可依次表示為

Q0=q(a+b)-p1a-p2b-Fz

(6)

(7)

4.2.1 未懸露部分力學分析

對于圖7(a)所示煤壁前方的基本頂巖梁，根據彈性地基理論[19]，其對應的撓曲線微分方程可描述為

(8)

其中，z1為圖7(a)中未懸露部分的撓度;β0=(k/4EI)1/4為常量，m-1;E為彈性模量，N/m2;I為慣性矩，m4。式(8)的通解為

z1(x)=eβ0x(A1cosβ0x+B1sinβ0x)+

(9)

其中，A1，B1，C1和D1為系數。根據圖7(a)所示煤壁前方基本頂巖梁的受載與約束情況可知，當x趨近于-∞時，其撓度z1(x)趨向于常量，且由于當x小于-∞時，eβ0x趨近于0而e-β0x趨近于-∞，由此可得系數C1=D1=0。同時，由O截面處的剪力和彎矩分別為Q0和M0，可得

(10)

4.2.2 懸露部分力學分析

對于圖7(b)所示懸露部分的基本頂巖梁，根據其受力特征，對應OA段和AB段的撓曲線微分方程[20]可描述為

(11)

(12)

式中，z2為圖7(b)懸露部分中OA段的撓度;z3為圖7(b)懸露部分中AB段的撓度。

則其對應的撓度方程為

3Fz(a+b)x2+x3[bp2-q(a+b)]+

(13)

(q-p2)[6(a+b)2-4x(a+b)+x2]}

(14)

其中，系數A2，B2，A3和B3為未知常量。根據連續性條件，即

(15)

4.2.3 基本頂周期來壓力學分析

由式(9)，(13)和(14)，可獲取基本頂巖梁的轉角、彎矩和剪力方程。對式(9)求二階導，可得其對應的彎矩方程M1(x)為

(16)

對式(16)求導，并令其等于0，可得煤壁前方基本頂巖梁最大彎矩位置，即由

(17)

可得煤壁前方基本頂巖梁最大彎矩位置x0為

(18)

將式(18)代入式(16)即可得巖梁所受的最大彎矩Mmax，進一步可獲取其所受的最大拉應力σmax，即

(19)

其中，W為抗彎矩截面系數，m3。同時，由基本頂巖梁破壞的臨界條件，即σmax=許用應力[σ]，可得

(Q0-β0M0)sin(β0x0)]=[σ]

(20)

求解式(20)可確定臨界情況下基本頂懸露部分的臨界長度b，將其與支架控頂區走向長度a和基本頂巖梁最大彎矩位置x0相加，即為該區域頂板的周期來壓步距。式(20)為隱函數，可通過數值方法(如牛頓法)或圖解法求解。

4.3 算例與分析

模型計算中基本參數的取值見表1。

表1 模型中相關物理參量Table 1 Related physical parameters in the model

需說明的是，由于傾向不同區域的矸石充填情況、圍巖結構的穩定性和支架工作阻力等均存在差異，因此傾向不同區域的上覆巖層作用載荷q、支架支撐載荷p1、矸石支撐載荷p2和巖塊鉸接點作用載荷Fz等亦存在差異。但結合圖6所示傾向不同區域頂板的走向結構特征，為簡化起見，在以下巖梁撓度和彎矩的計算中，將上覆巖層作用載荷q和支架支撐載荷p1保持為常量，矸石支撐載荷p2在工作面傾向中、上部區域的相關計算中取為0，巖塊鉸接點作用載荷Fz在工作面傾向上部區域的相關計算中取為0，重點探討充填矸石非均衡約束條件下傾向不同區域頂板沿走向變形破壞特征之間的差異。

圖8為傾向不同區域基本頂巖梁沿走向的撓度與彎矩，圖9為基本頂巖梁的最大拉應力及其對應位置。

圖8 傾向不同區域巖梁沿走向撓度和彎矩Fig.8 Deflection and bending moment of rock beam along strike at different location in inclination direction

圖9 巖梁的最大拉應力及其對應位置Fig.9 Maximum tensile stress and its corresponding position of rock beam

由圖8和圖9可以看出:

(1)受垮落矸石非均勻充填效應影響，沿工作面傾向自下而上，基本頂巖梁的撓度和彎矩均逐步增大，撓度的最大值在巖梁走向的尾部，而彎矩的最大值在煤壁前方2～3 m處。

(2)隨著頂板懸露長度b的增大，基本頂巖梁所受的最大拉應力σmax隨之增大，而其對應的位置x0在逐漸減小;當b的取值確定時，沿工作面傾向自下而上，最大拉應力σmax隨之增大，而其對應的位置x0在逐漸減小。

(3)結合巖梁的許用應力[σ]，由圖8可以確定基本頂巖梁的臨界垮落步距。例如，對于工作面傾向下部區域而言，由圖8可知基本頂巖梁所受的最大拉應力σmax等于許用應力[σ]時b的取值為6.8 m時，而當b=6.8 m時基本頂所受最大拉應力的位置x0=-2.62 m。因此，工作面傾向下部區域的周期來壓步距為a+b-x0=12.42 m，同理可得傾向中、上部區域的周期來壓步距為10.14 m和10.2 m。可以看出，本文的理論計算結果與現場測試結果基本一致(略小于現場實測結果)，這在一定程度上說明了本文理論模型的正確性。

(4)結合傾向不同區域基本頂巖梁沿走向的撓度、彎矩和破斷距，并考慮回風巷一側煤體邊界效應的影響，可以推斷，基本頂的最大受載與變形區域在工作面傾向中上部區域。當該區域基本頂巖梁的懸露長度接近其臨界垮落長度時，該區域基本頂上會最先出現裂縫。伴隨著工作面推進，傾向中上部區域頂板裂縫向工作面上下延伸，該區域頂板也最先垮落，垮落的頂板巖塊下滑充填至工作面傾向下部區域，使工作面傾向下部區域頂板運動空間受限，而工作面傾向中上部區域運動空間增大，造成工作面傾向下部區域頂板垮落不充分，而工作面傾向中上部區域頂板垮落充分的非均衡現象[1]。

可以看出，沿著工作面傾向自下而上，受矸石充填量和充填體密實程度逐漸減小、而矸石與支架間距離逐漸增大的影響，傾向不同區域頂板沿走向的受載與變形破壞特征及其破壞后所形成圍巖結構的基本形態之間存在顯著差異，圍巖運動的空間、頻次和幅度等逐漸增大，充填矸石對工作面圍巖穩定性的貢獻度、圍巖走向結構的穩定性和“支架-圍巖”系統的穩定性等逐漸減弱。同時，受工作面傾向中上部區域頂板運移空間、頻次和幅度大及圍巖結構不穩定的影響，工作面傾向中上部區域支架受載的變化幅度亦隨之增大，且易形成較大來壓。

5 結 論

(1)受矸石沿工作面傾向和側向下滑充填影響，矸石與支架間距離逐漸增大，并在工作面傾向中上部區域支架后方采空區底板上形成倒三角自由面，造成采空區矸石充填特征在走向和傾向均呈現出異性。

(2)隨著煤層傾角、采高和工作面長度的增大，頂板垮落巖塊運動的空間、幅度和劇烈程度等顯著增大，采空區矸石充填的非均勻特性更加顯著，矸石充填體對頂底板巖層沿傾向和走向的非均衡約束效應愈發明顯。

(3)受垮落矸石非均衡約束效應影響，頂板的受載與變形破壞特征不僅在工作面傾向具有明顯的非對稱特性，傾向不同區域頂板沿走向的受載與變形破壞特征及其破壞后所形成圍巖結構的基本形態之間亦存在顯著差異。

(4)沿工作面傾向自下而上，受矸石充填量與密實程度逐漸減小而矸石與支架間距離逐漸增大影響，圍巖的運移空間、頻次和幅度等逐漸增大，充填矸石對工作面圍巖穩定的貢獻度、圍巖走向結構的穩定性和“支架-圍巖”系統的穩定性等逐漸減弱。

(5)基于彈性地基理論建立了基本頂巖梁走向力學模型，確定基本頂巖梁的破斷位置在煤壁前方2～3 m處，結合邊界效應得出工作面傾向中上部區域頂板的受載與變形程度最大。