大傾角采場圍巖應力分布及矸石充填特征的傾角效應研究

高利軍，晉發東，梁東宇，楊文斌，湯業鵬，王同

（1.華亭煤業集團赤城煤礦有限責任公司，甘肅 平涼 744000；2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054）

0 引言

大傾角煤層是指埋藏傾角為35～55°的煤層，是采礦界公認的難采煤層[1]。大傾角煤層廣泛賦存于新疆、四川、甘肅、貴州等地，占全國煤炭儲量和產量的10%～20% 和5%～8%，是部分地區的主采煤層，如四川省煤炭產量的40%～50%來自于大傾角煤層。隨著部分區域對煤炭資源的高強度開采，賦存條件優越的煤層逐漸走向枯竭，越來越多的礦井將面臨大傾角等復雜埋藏條件煤層開采問題[2]。

煤層傾角是影響采場圍巖穩定性及衡量煤層復雜難采程度的重要指標和關鍵因素之一。為揭示傾角對煤巖體力學性質及采場圍巖變形破壞特征的影響規律，國內外研究學者從不同尺度進行了大量的研究探索。在試件尺度上，文獻[3-6]以煤巖組合體試樣為研究對象，研究了不同界面傾角下煤巖組合體力學特性及變形破壞特征，指出隨著煤巖界面傾角（0～65°）增大，組合體彈性模量和強度逐漸減小，試樣的破壞模式將由剪切破壞逐漸向滑移破壞轉變。在采場尺度方面，我國學者關注不同傾角影響下工作面礦壓顯現規律及巖層控制問題，并通過大量研究揭示了煤層傾角對工作面覆巖運移[7-10]及采動應力分布[11-13]的影響規律。文獻[14]通過對大傾角煤層開采中基本科學問題的研究與總結，提出了層狀煤巖體“重力-傾角”效應的概念，指出這一效應將在細觀單元尺度上導致單元體主應力偏轉和層間接觸處應力非均衡傳遞；在試件、模型尺度上導致煤巖體優勢破裂面方向偏移，趨于復合型破壞；在工程尺度方面，引起采場圍巖采動應力在不同巖體與層面間的連續-非連續傳遞，造成關鍵層躍層遷移[15]，導致巖體承載結構異化、泛化（破壞包絡面內部結構）[16-17]，并誘發支架-圍巖系統多維失穩、煤壁片幫、飛矸傷人損物等多種工程災害[18-19]。

由于大傾角煤層傾角較大，破斷垮落的頂板矸石無法在原地停留，在重力作用下沿工作面底板向傾向下部區域采空區滑滾充填，形成傾斜方向上的非均勻充填，造成工作面支架及頂板等圍巖結構的非均衡受載和變形破斷，最終形成大傾角工作面開采特有的頂板結構和垮落形態。現有研究認為煤層傾角是造成大傾角采場采動力學行為呈現復雜性、特殊性，誘發眾多災害事故的重要因素之一。但這些研究多屬于定性的描述，且是出于不同工程背景下的初步探討。但關于不同傾角下頂板垮落、矸石充填的具體形態及其與圍巖間相互作用特征的研究較少。針對上述問題，本文通過物理相似模擬實驗，明確了大傾角采場頂板破斷特征，再利用有限元-離散元耦合（PFC2D-FLAC2D）算法建立不同傾角的大傾角采場數值模型，對大傾角采場圍巖應力分布及矸石充填特征的傾角效應展開系統性研究。

1 工程背景

新疆某礦25221 工作面主采5 號煤層，煤層傾角為42～51°，平均傾角為45°，回采范圍內可開采厚度為9.14～13.27 m，平均厚度為10.98 m。煤層結構復雜，頂部區域含2～3 層夾矸，煤矸互層厚度為3.6～5.5 m。煤體硬度系數為0.3～0.5。工作面綜合柱狀如圖1 所示。25221 工作面以開采5 號煤層下部區域的4.5 m 優質焦煤為主，工作面傾斜長度為100 m，走向長度為1 766 m，采用綜合機械化大采高開采方法。

圖1 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Geological column of working face

2 頂板非對稱破壞及矸石充填基本特征

大傾角采場耦合數值模型的建立及圍巖變形破壞的傾角效應研究，需以明確單一傾角采場的基本特征為基礎，為此，通過物理相似模擬實驗對大傾角采場的頂板破斷及矸石充填特征（圖2）開展基礎性研究。

圖2 頂板破斷及矸石充填特征Fig.2 Features of roof breaking and gangue filling

由圖2 可看出，大傾角工作面開采初期，工作面頂板的破斷運移以直接頂巖層為主，破斷垮落后的頂板矸石會在重力作用下沿工作面底板滑滾充填到工作面下部采空區內，甚至會限制下部區域低位直接頂的變形破斷，而在下部區域出現未破壞的破斷殘余頂板，工作面頂板呈現非對稱破壞形態。另外，矸石充填作用又將進一步加劇上位巖層非均衡約束和非對稱變形向工作面上部區域轉移，一方面滑滾充填的頂板矸石會承受一定程度的頂板載荷，改變頂板巖層的應力狀態，繼而限制下部區域的頂板變形；另一方面也為上部區域更高層位頂板巖層的破斷提供了應力環境和變形空間。因此，工作面回采完成后，工作面頂板特別是上部區域的高位巖層將發生進一步的破斷垮落，而工作面中下部區域的頂板破斷則層位較低，甚至仍存在未發生明顯破斷垮落的低位直接頂巖層。最終，受重力-傾角效應影響，滑滾充填的頂板矸石沿工作面傾向呈現出下部密實充填、中部完全充填、上部部分充填的非均勻充填形態。

受頂板非對稱變形破斷及矸石充填的影響，大傾角采場的礦壓顯現呈現較強的非均衡特征。工作面內破斷垮落的頂板矸石極易形成“飛矸”災害，嚴重影響工作面設備穩定及人員安全。工作面液壓支架后方的矸石滑滾也極易沖擊支架尾梁，影響支架穩定性。另外頂板的非對稱變形破斷使得工作面支架沿傾向呈現受載不均的特征，在工作面中上部區域甚至會出現部分支架空頂現象，嚴重威脅支架的穩定性。顯然，這些現象會隨煤層傾角的增大而愈發突顯。

3 不同傾角數值模型建立構建

為研究工作面傾角對采場圍巖應力分布及矸石充填特征的影響，基于物理相似模擬實驗得到的頂板巖層破斷垮落基本特征，利用PFC2D-FLAC2D 耦合計算程序，建立大傾角煤層開采的傾向數值模型，如圖3 所示。模型長250 m，高310 m。為實現頂板破斷及矸石垮落充填模擬，模型分FLAC-Zone 和PFC-Rblock 2 個部分。大傾角工作面頂板的破斷變形雖涉及直接頂、基本頂及以上更高層位的巖層，但根據相關研究及物理相似模擬實驗[20]可知，工作面內的垮落充填矸石大多以直接頂巖層為主，且為避免離散元部分范圍過大、顆粒太多而影響計算效率及頂板區域的應力觀測，模型中開采區域煤體及直接頂巖層主要由PFC-Rblock 單元組成，其余部分煤巖層則由FLAC-zone 單元構成。最終，PFC-Rblock部分利用自編python 程序，生成voronoi 多邊形的Rblock 單元23 700 個，采用平行黏結模型（linearpbond）生成接觸（contact）56 791 個。FLAC-zone 部分由18 376 個zone 單元和18 473 個節點組成。另外，模型左右和下部邊界為固定位移約束，模型頂部為應力邊界并賦予2.8 MPa 垂直應力，模擬巖層厚度為112 m。實驗時，按照大傾角煤層回采工序，模擬回采巷道開挖及工作面回采，同時在整個模型內均勻布置模型測點及測量圓，對采場圍巖的應力及變形破壞特征進行同步的監測分析。FLAC 模型煤巖數值參數見表1，PFC 模型煤巖細觀數值參數見表2。

表1 FLAC 模型煤巖數值參數Table 1 Numerical parameters of coal and rock in the FLAC model

表2 PFC 模型煤巖細觀數值參數Table 2 Numerical parameters of coal and rock in the PFC model

圖3 大傾角煤層開采的傾向數值模型Fig.3 Numerical model of propensity for large-dip coal seam mining

4 數值模擬結果分析

本文主要通過數值模擬方法研究大傾角采場圍巖應力及矸石充填特征的傾角效應，若采用常規方法建立不同傾角的數值模型，定會受到內部網格尺寸差異的影響，煤層傾角較大的模型甚至會出現部分巖層接觸模型上下邊界的情況，造成巖層邊界狀態和受載變形方式改變。為簡化建模和便于后期不同傾角模型局部區域的比較與量化表征，采用等效重力場法模擬不同傾角的模型，即通過改變模型重力方向（g為重力加速度）來等效模擬不同傾角煤層的圍巖應力演化及矸石滑滾充填特征，如圖4 所示。以45°模型為基準，通過等效重力場法分別模擬工作面傾角α為35，40，45，50，55°共5 種情況，模型計算完成后，對各模型相同位置處的FLAC 網格節點、zone 和Rblock 單元信息進行提取和對比分析，繼而實現對傾角效應的可視化和量化表征。

圖4 等效重力場法模擬不同傾角的模型Fig.4 Simulating models with different inclination angles using the equivalent gravity field method

4.1 采場圍巖應力分布演化的傾角效應

1）不同傾角下應力分量分布演化特征。不同模型的垂直應力（平行于重力方向）及水平應力（垂直于重力方向）分布如圖5 和圖6 所示。可看出大傾角采場頂底板內圍巖應力均呈非對稱拱形分布。隨著煤層傾角增大，拱形垂直應力釋放區范圍和向上部偏移程度逐漸增大（非對稱性愈發明顯），但水平應力釋放區范圍和應力值逐漸減小，具體表現為垂直應力拱頂位置由軸線左側逐漸偏移到軸線右側，垂直應力最大值由0.15 MPa 逐漸增大為0.60 MPa（為便于比較，各云圖內色彩范圍以45°為基準，圖旁色卡主要用于比較應力最值）。相同色彩內水平應力釋放區的范圍逐漸減小，拱形形態逐漸退化。當煤層傾角大于50°后，工作面頂板水平應力主要釋放區轉移到工作面傾向下部區域，底板水平應力主要釋放區則轉移到工作面傾向上部區域。另外，無論是垂直應力還是水平應力都易在工作面上下端頭頂板處出現應力集中，但最大集中應力會隨煤層傾角的增大而減小。

圖5 不同傾角模型垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of different inclination models

圖6 不同傾角模型水平應力分布Fig.6 Horizontal stress distribution of different inclination models

2）不同傾角下主應力分布演化特征。為分析不同傾角下，采動應力的分布傳遞特征，對各模型的主應力（最小主應力分布演化特征更具代表性，因此，本文只討論最小主應力）信息進行提取分析。繪制模型內45°傾角主應力分布，如圖7 所示。可看出大傾角工作面頂底板內應力大小和傳遞方向均存在非對稱特征，其中根據主應力偏轉的方向特性，可界定出應力偏轉界線位置。以頂板區域的偏轉界線為例，可見偏轉界線左側主應力主要向左偏轉，而右側主應力主要向右偏轉。同理，亦可界定底板應力偏轉界線位置。由應力的傳遞偏轉特征可看出，來自上覆巖層和底板深部區域的采動應力，會經過應力偏轉分別傳向工作面上下兩側煤柱區域。說明來自應力偏轉界線左側的圍巖應力主要向工作面傾向下部區域傳遞，而來自應力偏轉界線右側的圍巖應力主要向工作面傾向上部區域傳遞，在工作面兩側的煤柱區域內易形成應力集中。

圖7 45°傾角主應力分布Fig.7 Principal stress distribution at 45°

為實現不同傾角下主應力的對比分析及量化表征，利用自編程序對各模型主應力信息進行提取分析，繼而繪制圍巖主應力及采動主應力變化量（采動后應力減原巖應力）分布特征，如圖8 和圖9 所示。可看出隨著煤層傾角增大，工作面頂底板應力拱高逐漸降低，應力變化范圍和相同位置處的應力逐漸減小，頂底板應力拱的偏移程度逐漸加劇。另外圍巖應力的傳遞方向以圍巖涌向采出空間為主，由初始近似豎直方向逐漸偏轉趨向于工作面垂向。由圖8 各傾角下頂底板應力偏轉界線分布特征可看出，隨著煤層傾角增大，頂板應力偏轉界線直線度逐漸增大，偏轉界線位置逐漸向工作面傾向上部區域偏移。另外，工作面底板應力偏轉界線的直線度也會隨煤層傾角的增大而增大，但界線位置會逐漸向工作面傾向下部區域偏移。

圖8 不同傾角圍巖應力拱及偏轉界線Fig.8 Stress arches and deflection boundaries of surrounding rocks with different inclinations

圖9 不同傾角下采動主應力變化量分布Fig.9 Distribution of changes of mining principal stress at different inclinations

4.2 矸石充填特征的傾角效應

1）不同傾角下矸石充填形態及孔隙率分布特征。不同傾角工作面頂板垮落及矸石充填形態特征如圖10 所示。可看出工作面頂板破斷及矸石的滑滾充填具有時序性和分區演化特性，并隨煤層傾角的改變而呈現一定的傾角效應。具體表現為隨著工作面煤體的采出，工作面中下部區域煤矸互層的下位巖層首先發生變形破斷。由于直接頂下位巖層受擾動影響更為劇烈，巖塊更為破碎，在重力作用下也更易滑滾充填，所以工作面下部區域的充填矸石主要為直接頂的低位巖石（夾矸1）。同時受充填矸石約束作用的影響，工作面下部區域巖層的變形破斷將受到限制，難以向更高層位發展，因此下部區域巖層變形破壞程度較小，巖石較為完整，甚至存在一定長度的接頂區域。直接頂上位巖層受擾動較為緩和，且已滑滾充填的矸石會為上位巖層破斷巖塊提供墊層緩沖作用，甚至阻礙巖塊的破斷滑滾，因此上位巖層的破斷塊度較大，而在工作面上部區域出現巖塊間的鉸接承載結構。

圖10 不同傾角工作面頂板垮落及矸石充填形態特征Fig.10 Features of roof collapsing and gangue filling pattern of working face with different inclination angles

為進一步量化對比不同傾角工作面矸石的充填特征，對各模型的孔隙率分布特征進行分析，如圖11 所示，對各模型的矸石充填長度和接頂長度進行統計分析，見表3。可看出隨著煤層傾角增大（35～55°），直接頂的初次破斷位置將逐漸向工作面傾向上部區域轉移，同時由于重力沿工作面傾向的分力變大，矸石沿傾向的充填程度更為密實，但充填長度會隨之減小，由35～55°充填長度分別為61.7，61.0，59.6，58.2，57.0 m。另外，隨著煤層傾角增大，工作面中上部區域高位巖層的破碎程度和空洞范圍增大，表征為工作面中上部巖塊的塊度逐漸減小，而區域內較大孔隙率的云圖范圍逐漸增大。但受矸石充填壓實作用的影響，隨著煤層傾角增大，工作面下部區域巖石的完整性逐漸增大，頂板的破斷運移程度將更為緩和，接頂長度由8.6 m 逐漸增大至18.4 m。由此可見，大傾角工作面矸石充填的傾角效應將引起工作面覆巖變形及破斷運移特征的傾角差異化。

表3 不同傾角條件下矸石充填形態特征參數Table 3 Characteristic parameters of gangue filling pattern under different inclination angles

圖11 不同傾角條件下垮落充填矸石的孔隙率分布特征Fig.11 Features of porosity distribution of falling gangue under different inclination angles

2）不同傾角下矸石圍巖相互作用特征。大傾角工作面矸石與圍巖間的相互作用是導致頂板非均衡變形破斷和非對稱應力分布的重要原因之一。大傾角工作面傾向矸石力鏈及圍巖應力分布特征如圖12所示，可看出低位直接頂破斷后隨底板滑滾充填采空區，矸石較為破碎，承載能力較小，故力鏈主要呈較細的黑色壓力型力鏈。工作面中上部及更高層位的巖層內可見明顯的力鏈鉸接，同時存在較粗的壓力型和拉力型2 種力鏈。這是因為該區域巖層破斷后巖石塊度較大，巖塊之間甚至可形成鉸接承載結構，既能承載來自上覆巖層的較大載荷，還能通過巖塊鉸接實現應力沿層面的傳遞。另外，矸石作用也極大地改變了頂底板圍巖應力的狀態，特別是在工作面下部區域，由于壓實矸石對頂底板變形的限制，可見工作面頂板主應力拱形云圖明顯向工作面上部區域偏移，而下部拱角極為低平甚至作用于矸石之上。因巖塊間水平應力的傳遞及散體矸石對工作面下側煤柱及圍巖的側壓作用，在工作面下側邊界的煤巖體存在明顯的應力集中現象，最大應力可達5.89 MPa。

圖12 大傾角工作面傾向矸石力鏈及圍巖應力分布特征Fig.12 Features of gangue force chain and surrounding rock stress distribution in the working face with steeply dipping coal seam

為分析不同傾角條件下，矸石與圍巖力學作用關系的演變特征，分別提取了各模型內矸石對下側煤巖體的側向壓力和對底板的垂直應力，并對側向壓力的分布特征進行曲線擬合，分別繪制對應應力曲線，如圖13 和圖14 所示。由圖13 可看出，不同傾角下，矸石側向壓力近似呈線性分布，隨煤層傾角增大，側向壓力擬合曲線的斜率由-0.139 逐漸增大到-0.049。由圖14 可看出，矸石對底板的垂直應力隨煤層傾角增大而減小。綜合矸石充填形態及與圍巖間的力學特征可看出，矸石作用機制可體現為對圍巖提供側向應力和豎向支撐2 個方面，雖然矸石承載能力較小，但極大地改變了圍巖的承載結構和應力環境。另外，矸石與圍巖之間的相互作用受矸石重力影響較大，矸石與圍巖力學作用關系的傾角效應主要表現為自身重力分量隨傾角的變化規律。

圖14 不同傾角下矸石對底板垂直應力分布曲線Fig.14 Vertical stress distribution curve of gangue on floor under different inclination angles

綜上，矸石的滑滾充填是大傾角采場的顯著特征，也是造成采場頂板非對稱變形破斷和非均衡礦壓顯現的直接根源之一。大傾角工作面支架-圍巖的穩定性控制，需與采場圍巖應力分布及矸石充填特征相適應。在實際生產中可根據采場頂板破斷及圍巖應力分布特征，對工作面支架進行分組和分區控制，并結合不同傾角下矸石充填特征，調整支架重點控制區域范圍，這樣才能做到支架穩定性控制與圍巖變形相適應的同時，充分發揮矸石的自承能力，保證采場安全。

5 結論

1）大傾角采場頂底板內圍巖應力均呈非對稱拱形分布，隨著煤層傾角增大，采動影響范圍逐漸減小，但非對稱性會愈發明顯，頂板應力拱和偏轉界線向工作面傾向上部區域偏移，底板應力拱和偏轉界線向工作面傾向下部偏移。

2）大傾角工作面頂板破斷垮落及矸石的滑滾充填具有時序性和分區域特征，并隨煤層傾角改變呈現較強的傾角效應。煤矸互層直接頂低位巖層的首次破斷通常發生在工作面中下部區域，但會隨煤層傾角增大向傾向上部區域偏移。工作面下部區域充填矸石以破碎的低位巖層為主，中上部區域高位巖層破斷巖塊較大，易形成鉸接結構，隨著煤層傾角增大，工作面矸石充填長度和上部區域矸石塊度減小，但工作面下部區域接頂長度增大。

3）大傾角采空區矸石對圍巖的作用機制主要表現為對圍巖提供側向應力和豎向支撐2 個方面，矸石與圍巖力學作用關系的傾角效應主要表現為矸石自身重力分量隨傾角的變化規律。其中矸石對工作面下側煤巖體的側向壓力沿垂向近似呈線性分布，應力梯度會隨煤層傾角的增大而減小；矸石對底板的垂向應力也隨煤層傾角的增大而減小。