大傾角煤層長壁開采頂板結構時空演化特征

摘 要：為了明確大傾角煤層走向長壁開采頂板結構時空演化規律，采用物理相似模擬、數值模擬、現場實測綜合互饋的研究手段，對采空區矸石的非均勻充填特征、頂板結構空間展布形態、圍巖主應力大小漸變與方向偏轉的演化過程和支架工作阻力的區域性特征進行研究。結果表明：隨著推進距離的不斷增大，底板上矸石堆積范圍增大，在支架后方采空區開始往復出現倒三角的臨空面；在深部采空區，矸石堆砌與水平面之間夾角沿傾向下部至上部不斷減小；頂板位移呈現出“增大-穩定”的演化趨勢，峰值位置由工作面傾向中上部區域向傾向中部遷移；頂板應力傳遞拱殼呈典型的非對稱分布特征，拱殼內部巖體受力狀態由雙向受壓轉為單、雙向受拉，主應力方向由x軸正向轉為負向；頂板變形破壞的非對稱性使得工作面支架工作阻力呈現傾向中上部較大、離散程度高，傾向中下部較小、離散程度低的區域特征。研究結果可為大傾角煤層長壁采場頂板穩定性控制提供一定的參考與指導意義。關鍵詞：大傾角煤層；頂板結構；應力傳遞；時空演化特征中圖分類號：TD 327

Space-time evolution characteristics of roof structure in longwall mining of steeply dipping coal seam

LUO Shenghu^1，2，REN Hao¹，WANG Tong^2，3，WU Yongping^2，3，TIAN Chengyang¹

（1.College of" Sciences，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；3.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：The clarifying of space-time evolution law of roof structure is the key to safe and efficient longwall mining of steeply dipping coal seam.The comprehensive research methods of the physical similarity simulation experiment，numerical simulation and field measurement methods are adopted to explore，the non-uniform filling characteristics of gangue in gob，spatial distribution form of roof structure，the evolution law of principal stress value and direction deflection of surrounding rock and the regional characteristics of mining pressure in working face.The results show：with the advancing distance increasing，the accumulation range of gangue expands，and the inverted triangle airspace begins to appear repeatedly in the gob behind the support.In the deep gob，the angle between the gangue pile and the horizontal plane decreases continuously from the lower part to the upper part along the inclined direction.The displacement of roof shows an evolutionary trend of “increase-stability”.The peak displacement position moves from the upper part to the middle part of the working face，which is located at the hinge point between the broken block and the failure envelope surface.The stress transfer arch shell of roof is characterized by typical asymmetric distribution.The stress state of the rock mass inside the arch shell changes from two-way compression to one-way and two-way tension，and the stress direction changes from x-axis positive to negative.Asymmetric characteristics of roof deformation and failure make the working resistance of working face show regional characteristics of large tendency in the middle and upper part with high dispersion degree，small tendency in the middle and lower part with low dispersion degree.The research results provide certain reference and guiding significance for the stability control of longwall stope roof in steeply dipping coal seam.

Key words：steeply dipping coal seam；roof structure；stress transfer；space-time evolution characteristics

0 引 言

大傾角煤層廣泛分布在中國西部礦區與東部礦區的深部，其綠色高效開發是提升中國煤層機械化開采水平的難點與重點^[1]，而實現大傾角煤層綠色高效開發的核心問題在于“支架-圍巖”系統的穩定性控制^[2]。

受煤層傾角影響，大傾角煤層開采礦壓顯現規律、上覆巖層運移以及支架-圍巖關系均與水平或緩傾斜煤層存在顯著差異。近30 a來，一大批學者從不同角度對大傾角中厚煤層長壁綜采、厚煤層長壁綜放開采等不同開采方式下的礦壓顯現規律^[3-9]、采場空間非規則隨機分離體孕育致災機理^[10-11]、煤層開采后引起的地表沉陷、頂底板巖層交互影響下“支架-圍巖”系統的耦合作用機理與穩定性控制^[12-14]、支架與設備下滑傾倒機理及可能引發的圍巖災害^[15]等問題展開研究與探索。已有的研究，一定程度上解決了大傾角煤層安全高效開采的基本問題，但遺憾的是，目前還沒有年產百萬噸的大傾角煤層綜采工作面。

大傾角煤層綠色高效開發的重點在于對圍巖活動進行有效控制，而圍巖控制的關鍵在于實現對“頂板-支架/煤壁/煤柱-底板”系統的穩定性控制。其中，頂板作為系統的構成元素和施載體，是保證系統穩定的基礎。現有研究手段多是采用平面模型研究大傾角煤層開采頂板變形破壞的特征。但在大傾角煤層開采中，頂板變形-矸石運移是一個“時間+空間”運動過程，支架后方反復出現的“倒三角空域”對工作面的“支架-圍巖”系統的穩定性有顯著影響。

基于此，筆者采用物理相似模擬試驗、數值模擬試驗與現場監測互饋的研究方法，在綜合確定頂板結構、矸石堆積形態的時空演化特征基礎之上，分析了圍巖采動應力演化特征，揭示了工作面區域性礦壓顯現規律，研究結果可為工程實踐提供一定的科學指導意義。

1 工程概況

新疆焦煤某礦設計工業儲量885.1萬t，可采儲量684.7萬t，井田走向長度7 km，南北寬1.5 km，井田面積約10.5 km²，礦井采用走向長壁綜合機械化采煤，服務年限70 a。工作面設計走向長2 098 m，工作面斜長100 m。工作面傾角45°，容重1.35 t/m³，采高4.5 m。現場煤巖層賦存情況如圖1所示。

2 圍巖變形破壞時空演化特征

2.1 試驗設計與設備

大傾角煤層推進過程中，沿工作面傾向及傾向不同區域沿走向冒落矸石的充填特征、覆巖結構具有明顯的空間特征，選用西安科技大學平立組合式試驗平臺展示這種空間特征。平臺尺寸為1 500 mm×600 mm×1 500 mm，試驗過程中通過水平、垂直的加載油缸對試驗模型施加載荷的方式補償覆巖載荷。

模型幾何相似條件為C_l=1∶100，其余相似常數可以依次求得。試驗過程中，在模型背面采用壓力葫蘆將預制矩形方鋼抽出以模擬工作面推進，推進步距為2 cm，上、下區段煤柱各留設50 cm；采用DIC數字散斑技術，測量模型表面微變形破壞時的位移變化量，儀器精度為10^-6 m；采用鉆孔窺視儀對開采過程中模型內部矸石堆砌結構進行拍照記錄；采用PENTAXR-400NX全站儀監測上覆巖層位移，儀器精度10^-3 m；采用數碼相機拍攝記錄覆巖破壞垮落形態。試驗模型與設備布置如圖2所示。

2.2 圍巖宏觀結構時空演化特征

煤層開采后改變了圍巖原有的應力狀態，采動后形成的礦山壓力促使圍巖產生變形發生破壞，并向已成空間運移。不同推進距離條件下圍巖變形破壞演化特征，如圖3所示。

從圖3可以看出

1）工作面推進10 cm，直接頂破斷垮落，頂板冒落矸石在傾角-重力場作用下沿工作面傾向下滑堆積在傾向下部區域。頂板懸露長度77.5 cm，垮落高度7 cm，同時在傾向上端頭頂板形成破斷殘余梯階結構，長度為4.5 cm，如圖3（a）所示。結合矸石充填形態可將支架后方采空區分為接頂區、非接頂區和臨空面。其中接頂區長度為18 cm，非接頂區長度為26 cm，臨空面長度為56 cm。

2）工作面推進15 cm，基本頂初次垮落，傾向中下部區域冒落矸石充填范圍和程度增加，矸石充填高度增加至9.5 cm，充填長度增加至90 cm。傾向中上部區域支架后方采空區出現倒三角臨空面，臨空面直角邊長度為16.5 cm，斜邊長度20 cm，如圖3（b）所示。頂板變形破壞呈現明顯的非對稱性，基本頂垮落最大高度位于傾向中上部區域，為10 cm，基本頂懸露長度為72 cm。傾向上部區域基本頂冒落矸石的下滑為該區域頂板變形破壞提供了空間，上端頭頂板破壞范圍增加，沿工作面傾向破斷殘余梯階結構長度3.8 cm，低位直接頂長度為5 cm，沿工作面走向頂板破斷殘垣結構深度為10 cm。

3）工作面推進40 cm，沿工作面傾向自下而上，深部采空區冒落矸石充填密度逐漸減小，根據矸石充填密度將矸石充填區域分為密實充填區、完全充填區和部分充填區，如圖3（c）所示。在密實充填區矸石堆砌角度與水平方向夾角為40°，完全充填區下部矸石堆砌夾角為37°，上部矸石堆砌夾角為20°。部分充填區深部采空區矸石存在反堆砌結構，該反堆砌結構與水平面夾角為96°，而支架后方采空區，沿工作面走向矸石鉸接堆砌，砌體長度分別為4.8，4.5 cm。傾向上端頭深部采空區頂板存在弧形三角板結構，頂板破斷殘余梯階結構傾向長度增加至7.5 cm，走向長度為10 cm。

4）隨著工作面開采距離的增加，冒落矸石堆積范圍不斷增大。推進60 cm后，矸石充填傾向長度增加至95.5 cm，密實充填區矸石堆砌與水平方向夾角為40°，完全充填區矸石堆砌與水平方向夾角為35°，部分充填區矸石堆砌與水平方向夾角為25°，該區域反砌體結構與水平方向夾角為97°。支架后方采空區倒三角臨空面范圍增加，直角邊長度增加至25.8 cm，斜邊長度增加至39.7 cm。頂板懸露長度為40 cm，垮落高度為16.5 cm。傾向上端頭處頂板破斷邊界呈弧形三角狀，頂板破斷殘垣長度沿傾向19.8 cm，沿走向40.5 cm，頂板破斷結構如圖3（d）所示。

2.3 圍巖變形時空演化特征

圖像數字相關技術由于其精度高、非接觸性等有點，眾多者已將其應用于巖石力學試驗中^[16-17]。DIC計算原理如圖4所示。

DIC應變計算采取對位移的求導的方式確定圍巖表面微小的位移量，梯度矩陣F表示子區測量點在空間中的變化情況，表達式如下

式中 拉伸張量U表示為

由此可以得出被測物體的位移。在模型表面距離煤層上方10 cm位置處沿傾斜平行煤層方向布置測線，分析推進過程中圍巖變形破壞時空演化特征，不同推進距離條件下圍巖表面位移演化規律，如圖5所示。

從圖5可以看出

1）煤層開采后，頂板位移峰值位于工作面傾向上部區域，且隨著推進距離的增大，頂板合位移變化范圍和峰值不斷增加，但其增長幅度逐漸減小。進入充分采動階段后，頂板位移峰值位置由工作面傾向上部區域向中部區域遷移，位于頂板破斷巖塊與破壞包絡面的鉸接點位置。

2）當工作面推進距離分別為10，15，40，60 cm時，位移峰值分別為0.77，1.08，4.09，5.17 mm，峰值位置距離上斷頭位置分別為19，19，50，46 m，增大幅度分別為40.26%，278.7%，26.41%。

3）當工作面推進處于初采階段時，在冒落矸石非均衡約束效應影響下，工作面傾向上部區域頂板變形幅度大于傾向下部區域，頂板位移峰值位移距離下端頭78 cm的傾向上部區域。隨著推進距離的不斷增大，圍巖破斷程度亦不斷增大，并在傾向上部區域出現了空洞區域。頂板破斷包絡面內部，矸石堆砌鉸接現象明顯，頂板水平、垂直、合位移較大。頂板破壞包絡面外部，傾向上部懸空頂板作為主承載結構，頂板變形程度較鉸接位置處小。

3 數值模擬計算

大傾角煤層開采過程中，采動應力在頂板巖層中的非對稱分布及其對巖體變形破壞的驅動是造成頂板非對稱變形的主要原因。因此掌握頂板采動應力傳遞路徑是揭示大傾角煤層頂板非對稱破壞演化機理的基礎。采用FlAC^3D數值模擬軟件構建大傾角煤層數值計算模型，并采用Fish編程語言對不同推進距離條件下數值計算結果進行后處理，獲取頂板采動應力傳遞路徑時空演化特征。

數值模型長（x軸）、寬（y軸）、高（z軸）分別為270 m、700 m和325 m，工作面長度設計為100 m，煤層傾角45°，推進方向沿y軸方向，推進步距5 m/步，推進距離500 m，煤層厚度4.5 m。模型四周表面和底部均為位移約束邊界，頂部施加2.5 MPa垂直載荷，模擬上覆巖層載荷作用，模擬煤層埋深100 m。模型采用Mohr-Coulomb本構模型模擬煤巖層強度，模型各巖層物理力學參數見表1。

3.1 頂板采動應力傳遞演化特征

由彈性力學可知一點應力的特征方程為

即

σ³_i-K₁σ²_i+K₁σ_i-K₃=0" （4）

式（4）參數K₁，K₂，K₃分別為

K₁=σ_x+σ_y+σ_z

K₂=σ_xσ_y+σ_yσ_z+σ_zσ_x-τ²_xy-τ²_yz-τ²_zx

K₃=σ_xσ_yσ_z-σ_xτ²_yz-σ_yτ²_zx-σ_zτ²_xy+2τ_xyτ_yzτ_zx" （5）

結合上式和參數方程可以得到σ_i，見式（6）

式（6）中φ表示如下

利用Fish編程語言將式（6）嵌入數值計算模型，在模型采空區中心沿傾向布置測面，監測不同推進距離條件下頂板采動應力傳遞演化特征^[18]，監測結果如圖7所示。

1）受煤層傾角影響，頂板采動應力傳遞路徑呈現非對稱應力包絡拱型分布特征。應力包絡拱外，以應力偏轉界線為界，頂板覆巖載荷向工作面傾向上、下端頭煤柱傳遞，造成傾向上下端頭處煤體主應力升高，如圖7（a）～圖7（d）放大區域A，C所示。沿應力偏轉界線兩側主應力偏轉角度最大，且同一層位頂板主應力偏轉角度由應力偏轉界線到采空區兩側未開采頂板逐漸降低。應力包絡拱內，主應力數值大幅度降低，主應力方向偏轉的非對稱性更加明顯，并在工作面傾向中上部區域頂板出現單向、雙向受拉狀態，如圖7（a）～圖7（d）中放大區域B所示，結合巖土材料抗壓不抗拉的特性可以看出該區域頂板易發生變形破壞。

2）隨著工作面推進距離的增加，頂板非對稱應力拱型的范圍逐漸增大，拱頂z軸方向的坐標整體呈現先增大后趨于穩定的變化趨勢，應力包絡拱內處于受拉狀態的區域范圍擴大，并由工作面中上部區域逐漸向工作面中部區域擴展。當工作面推進距離分別為50，100，200，300 m時，拱頂z軸方向的坐標分別為213，210，221，223 m。

3.2 頂板最大主應力方向偏轉特征

研究表明主應力方向的偏轉會對圍巖內部裂隙擴展軌跡造成影響，導致其承載能力和破壞模式產生顯著變化^[19-23]。在煤層上方5 m處沿工作面傾向布置測線，研究工作面推進過程中頂板最大主應力方向的偏轉特征，借助赤平投影法對主應力偏轉方向予以表征^[24]，圖8中90°～270°表示x軸方向，0°～180°表示y軸方向，綠色點為采空區上方頂板巖體，紅色點為工作面傾向上端頭煤柱頂板，藍色點為工作面傾向下端頭煤柱頂板，監測結果如圖8所示。

1）原巖應力狀態下，受煤層傾角影響，傾向上、下端頭頂板最大主應力與z軸夾角14°。開采擾動作用下，最大主應力方向產生偏轉，其中傾向上端頭頂板最大主應力向x軸負方向偏轉，傾向下端頭向x軸正方向偏轉，如圖8（a）所示。沿工作面傾向自下而上，采空區頂板最大主應力則是先向x軸負方向偏轉且偏轉幅度減小，并且當距離工作面傾向下側煤體56 m時開始由x軸負方向向x軸正方向偏轉。結合采空區最大主應力偏轉軌跡可以看出向x軸負方向偏轉的數據點多于向x軸正方向偏轉的數據點，表明大傾角煤層頂板最大主應力方向偏轉呈現明顯非對稱分布特征。

2）隨著工作面開采擾動程度的增加，頂板最大主應力方向偏轉產生明顯變化。當推進距離為50 m時，采空區頂板最大主應力處于同時在xoz平面和yoz平面內偏轉，且距離傾向兩側煤體越遠，其在yoz平面內偏轉幅度越大，該位置頂板覆巖自重應力既向傾向上、下側煤體傳遞又向采空區兩側煤壁傳遞。模型中心位置（x=134 m）處頂板最大主應力傾角為27°，方位角為103°。隨著工作面推進距離的增加，采空區頂板最大主應力在xoz平面內偏轉幅度增大，而在yoz平面內偏轉幅度減小，模型中心位置頂板最大主應力傾角減小至15°，減幅44.5%，方位角最大值減小至89°，減幅13.6%；采空區頂板最大主應力開始由應力雙向傳遞區域向應力單向傳遞過渡，覆巖自重應力向傾向上、下側煤體傳遞比例增加，向采空區兩側煤壁傳遞比例減少。

結合3.1與3.2節可以看出，推進過程中圍巖應力傳遞拱殼內部應力釋放程度、方向偏轉角度較大，且呈現出典型的非對稱特征。應力驅動下頂板的變形破壞是必然的，應力傳遞拱殼呈現出的增大-穩定演化特征與前文大傾角煤層頂板變形破壞特征的時空演化規律相一致。

4 現場監測

開采過程中在現場開展了為期4個月的支架工作阻力的監測工作，選取上、中、下不同區域內9#，29#，47#支架監測結果如圖9所示。

工作面開采過程中，支架的區域性受載特征是頂板運動狀態的響應表征。當頂板的運動狀態的發生改變時，支架的位態亦隨之發生變化。傾向中部區域的29#支架工作阻力平均值為6 422 kN且離散程度較大；上部支架平均工作阻力平均值為

4 985 kN，離散程度較中部區域小，下部支架工作阻力平均值為3 505 kN，離散程度最低。傾向中、上部區域內受載特征復雜反映了該區域內頂板運動的活躍程度較大。

綜上所述，大傾角煤層開采過程中，受煤層傾角影響，應力傳遞拱殼內部采動應力大小漸變與方向偏轉呈現出非對稱特征，且應力傳遞拱殼的高度呈現出先增大后趨于穩定的演化特征，應力非對稱性導致圍巖變形破壞亦呈現非對稱特征，這在現場監測中得到驗證。

5 結 論

1）大傾角煤層開采過程中，支架后方采空區，反復出現倒三角臨空面。在深部采空區，沿工作面傾向下部至上部，塊體與水平面之間夾角持續減小。頂板破斷包絡面內部，矸石堆砌鉸接現象明顯，頂板變形程度較大。頂板破壞包絡面外部，傾向上部頂板作為主承載結構，頂板變形程度較鉸接位置處小。

2）頂板采動應力傳遞拱殼呈現非對稱應力包絡拱型分布特征。應力傳遞拱殼外，以應力偏轉界線為界，頂板覆巖載荷向工作面傾向上、下端頭煤柱傳遞。應力傳遞拱殼內，巖體應力狀態由壓轉為拉，應力方向由x軸正向轉為負向。應力傳遞拱殼呈現的增大

-穩定演化特征與頂板變形破壞特征的時空演化規律相一致。

3）支架區域性受載特征顯著反映了頂板變形破壞的非對稱特征。工作面傾向中上部支架工作阻力大、離散程度高，反映了該區域內頂板活躍程度大。傾向下部支架阻力小、離散程度低，該區域內頂板活躍程度小。

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（責任編輯：劉 潔）