急傾斜中厚煤層雙斜開(kāi)采頂板垮落堆積與應(yīng)力演化特征

關(guān)鍵詞：雙斜開(kāi)采；急傾斜煤層；中厚煤層；頂板垮落；頂板應(yīng)力；巷道調(diào)斜角；支承壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：TD323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

急傾斜煤層由于傾角過(guò)大，是國(guó)際公認(rèn)的難采煤層，但此類(lèi)煤層在我國(guó)賦存范圍廣且由于特殊的成煤環(huán)境，多為優(yōu)質(zhì)稀缺煤種，已成為云南、四川、新疆、甘肅等省份許多礦井的主采煤層[1-2]。急傾斜煤層的安全、綠色、高效開(kāi)采對(duì)我國(guó)具有重要的戰(zhàn)略意義。

我國(guó)急傾斜煤層開(kāi)采方法經(jīng)歷了正/倒臺(tái)階采煤法、俯偽斜密集支柱采煤法、偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法等機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工人工作環(huán)境差、經(jīng)濟(jì)效益低的采煤方法[3-7]。現(xiàn)今我國(guó)較為先進(jìn)的急傾斜煤層開(kāi)采方法包括急傾斜水平分段放頂煤開(kāi)采、走向長(zhǎng)壁綜放開(kāi)采和走向長(zhǎng)壁綜采。急傾斜水平分段放頂煤開(kāi)采適用于傾角50°以上、煤層厚度20 m 以上的特厚煤層開(kāi)采；急傾斜走向長(zhǎng)壁綜放開(kāi)采廣泛應(yīng)用于傾角60°以下的急傾斜厚及特厚煤層開(kāi)采中；急傾斜走向長(zhǎng)壁綜采在傾角60°以下的急傾斜中厚煤層可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。然而，對(duì)于傾角60°以上的急傾斜中厚煤層，由于傾角過(guò)大，工作面設(shè)備及圍巖控制難度更大，長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采方法亟待突破。

俯偽斜開(kāi)采通過(guò)偽斜布置降低工作面傾角，可有效防止支架傾倒下滑，降低飛矸傷人損物事故發(fā)生概率[5]。但采用俯偽斜布置時(shí)回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷之間存在超前量，導(dǎo)致不能進(jìn)行大角度的調(diào)斜，降低工作面傾角的能力有限。雙斜開(kāi)采是在俯偽斜開(kāi)采的基礎(chǔ)上，將回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷同樣進(jìn)行偽斜布置，從而減小巷道的超前量，進(jìn)而可以布置更大的偽斜角，大大降低工作面傾角[8-10]。但由于雙斜開(kāi)采與俯偽斜開(kāi)采工作面存在較大差異，其工作面布置需要與礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，并且由于推進(jìn)方向的改變導(dǎo)致其采空區(qū)形狀、頂板應(yīng)力狀態(tài)與俯偽斜開(kāi)采時(shí)存在明顯差異。本文以華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦3212 工作面為背景，提出雙斜開(kāi)采的2 類(lèi)布置方式，通過(guò)物理相似模擬分析雙斜開(kāi)采工作面頂板垮落堆積特征及破斷裂隙發(fā)育特征，并通過(guò)數(shù)值模擬分析不同推進(jìn)距離時(shí)雙斜開(kāi)采工作面圍巖應(yīng)力演化特征，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)60°以上急傾斜中厚煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1工程背景

綠水洞煤礦3212工作面位于打鑼灣背斜西翼+350m 水平321采區(qū)南部，煤層傾角由北向南（推進(jìn)方向）逐漸增大。將工作面以60°為界點(diǎn)分成2 個(gè)部分進(jìn)行開(kāi)采，第1部分已回采完畢，第2 部分煤層傾角多在60°以上，最大傾角達(dá)78°，煤層平均厚度為2.4m，為典型的急傾斜中厚煤層。工作面機(jī)風(fēng)巷均為南高北低。機(jī)巷長(zhǎng)度為561 m，高差為99 m，平均傾角為16°；風(fēng)巷長(zhǎng)度為498 m，高差為66 m，平均傾角為10°。工作面平均推進(jìn)長(zhǎng)度為529.5 m，平均傾斜長(zhǎng)度為100 m。煤層綜合柱狀圖如圖1 所示。

2雙斜開(kāi)采布置特點(diǎn)

2.1雙斜開(kāi)采布置

俯偽斜開(kāi)采是從開(kāi)切眼處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開(kāi)采[11]，使工作面回風(fēng)巷超前于運(yùn)輸巷，達(dá)到偽斜布置的一種急傾斜采煤方法，其布置如圖2（a）所示。但由于俯偽斜布置導(dǎo)致回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷之間存在超前量，超前量的增加導(dǎo)致俯偽斜開(kāi)采并不能進(jìn)行較大角度的調(diào)斜，所以降低工作面傾角的能力有限。為解決俯偽斜開(kāi)采偽斜角過(guò)小的問(wèn)題，提出雙斜開(kāi)采，其布置如圖2（b）所示，主要應(yīng)用于傾角60°以上的急傾斜中厚煤層。雙斜開(kāi)采共有2 類(lèi)工作面布置形式：① 將兩巷偽斜布置（巷道與煤層走向方向存在夾角），工作面切眼垂直于巷道布置。② 先將兩巷偽斜布置，再進(jìn)行工作面的調(diào)斜，使工作面與回風(fēng)巷成鈍角、與運(yùn)輸巷成銳角。前者易于工作面的管理，后者因存在更大的偽斜角，可更大程度上降低工作面傾角。

圖2 中，α為真斜開(kāi)采工作面傾角（煤層傾角） ，（°）；β 為第1 類(lèi)雙斜開(kāi)采工作面?zhèn)蝺A角，（°）；γ為第2類(lèi)雙斜開(kāi)采工作面?zhèn)蝺A角，（°）；θ₁ 為俯偽斜開(kāi)采偽斜角，（°）；θ₂ 為巷道調(diào)斜角，（°）；ω 為第2類(lèi)雙斜開(kāi)采工作面調(diào)斜角，（°）；η 為巷道偽斜角，（°）；L₁ 為俯偽斜開(kāi)采超前量，m；L₂ 為第2類(lèi)雙斜開(kāi)采超前量，m。

在第1類(lèi)雙斜開(kāi)采中偽斜角與巷道調(diào)斜角相等，根據(jù)空間幾何關(guān)系可得第1 類(lèi)雙斜開(kāi)采工作面?zhèn)蝺A角：

β= arcsin （sinαcos θ₂） （1）

第2類(lèi)雙斜開(kāi)采偽斜角為巷道調(diào)斜角與工作面調(diào)斜角之和，根據(jù)空間幾何關(guān)系可得第2 類(lèi)雙斜開(kāi)采工作面?zhèn)蝺A角：

γ= arcsin （sinαcos （ω+θ₂）） （2）

2.2雙斜開(kāi)采優(yōu)勢(shì)與工程難點(diǎn)

雙斜開(kāi)采本質(zhì)上是一種俯采技術(shù)，俯采主要在緩傾斜、傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中遇到特殊地質(zhì)構(gòu)造時(shí)局部使用[12-14]，而非作為具體的采煤方法應(yīng)用于整個(gè)區(qū)段的回采過(guò)程，因此對(duì)雙斜開(kāi)采在急傾斜煤層的應(yīng)用需要進(jìn)行可行性分析。

1）在工作面機(jī)械設(shè)備方面：受傾角效應(yīng)作用，液壓支架的防倒滑及飛矸問(wèn)題一直是制約急傾斜煤層安全高效開(kāi)采的主要因素[15-19]，將工作面和巷道同時(shí)進(jìn)行偽斜布置從而改變推進(jìn)方向，可在俯偽斜開(kāi)采的基礎(chǔ)上更大程度降低飛矸事故發(fā)生的概率和傷人損物程度，但仍需加裝柔性網(wǎng)和擋矸裝置進(jìn)行防范。偽斜工作面在每次移動(dòng)刮板輸送機(jī)時(shí)存在下滑量，當(dāng)雙斜開(kāi)采工作面巷道調(diào)斜角與下滑量相適應(yīng)時(shí)，可借助下滑量使刮板輸送機(jī)在工作面的相對(duì)位置保持不變，從而減少工藝步驟，提高生產(chǎn)效率。為保證采煤機(jī)正常工作，對(duì)采煤機(jī)截割電動(dòng)機(jī)加裝防撞裝置，改進(jìn)油缸結(jié)構(gòu)，增加采煤機(jī)抗矸石沖擊能力；減小采煤機(jī)截深，并采用單向割煤往返一刀的割煤方式，減小采煤機(jī)負(fù)荷，保證連續(xù)安全生產(chǎn)。

2）在兩巷維護(hù)方面：由于雙斜開(kāi)采回風(fēng)巷偽斜布置，采用傳統(tǒng)的回風(fēng)方式時(shí)，工作面上隅角層位高于回風(fēng)巷，所以污風(fēng)無(wú)法上行，容易導(dǎo)致瓦斯等有毒有害氣體積聚及采空區(qū)漏風(fēng)，且采空區(qū)、工作面及回風(fēng)斜巷的水會(huì)向偽斜方向流動(dòng)，造成運(yùn)輸巷排水量增大，對(duì)運(yùn)輸巷的維護(hù)有一定程度影響。在俯偽斜開(kāi)采中，由于支架和工作面布置的不適應(yīng)，導(dǎo)致支架與煤壁之間存在三角形空頂區(qū)，在推進(jìn)過(guò)程中，由于該區(qū)域缺少支護(hù)，易發(fā)生冒落，造成工作面事故。在第1 類(lèi)雙斜開(kāi)采中，由于推進(jìn)方向的改變從而使矩形支架與工作面形狀相適應(yīng)，可避免這一現(xiàn)象發(fā)生。

3）在巷道系統(tǒng)布置方面：雙斜開(kāi)采由于兩巷的偽斜布置減小了超前量，可以進(jìn)行更大的偽斜角布置，從而更大程度上降低工作面傾角，但兩巷及工作面的輔助運(yùn)輸成為制約巷道偽斜角調(diào)節(jié)的因素。我國(guó)急傾斜煤層開(kāi)采輔助運(yùn)輸設(shè)備為絞車(chē)，根據(jù)現(xiàn)今我國(guó)機(jī)械設(shè)備水平及現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)研得出：通過(guò)采取部分措施，我國(guó)絞車(chē)可適用于傾角20°以下巷道的輔助運(yùn)輸中，因此雙斜開(kāi)采的巷道調(diào)斜角的上限為20°；但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，巷道偽斜角的上限可進(jìn)行適當(dāng)外延。巷道系統(tǒng)的布置要適應(yīng)于雙斜開(kāi)采，雙斜開(kāi)采中回采巷道、準(zhǔn)備巷道均為偽斜布置，大巷的布置方式應(yīng)與其適應(yīng)。由于雙斜開(kāi)采在巷道整體布置上的差異，若將傾斜上山適應(yīng)于雙斜工作面平行布置（圖3），可減少三角煤的產(chǎn)生和俯偽斜開(kāi)采中的工作面搬家、撤架等工序，但在雙翼開(kāi)采時(shí)另一翼無(wú)法同樣為俯偽斜布置，為適應(yīng)傾斜上下山則另一翼開(kāi)采為偽仰斜布置，但兩翼開(kāi)采方式不同，設(shè)備選型及具體生產(chǎn)時(shí)存在較大差異。當(dāng)采用垂直上山布置（圖4）時(shí)，兩翼可同樣采用雙俯偽斜開(kāi)采，形成類(lèi)似“魚(yú)骨”狀的開(kāi)采模式，但在靠近上下山側(cè)會(huì)產(chǎn)生三角煤，降低采出率，若撤架減小工作面長(zhǎng)度，則增加了工藝復(fù)雜性。

3物理相似模擬

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為探究急傾斜中厚煤層雙斜開(kāi)采過(guò)程中頂板變形破壞運(yùn)移充填特征，開(kāi)展物理相似模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用大型三維變角度物理相似材料模擬臺(tái)（長(zhǎng)2m、寬2m、高1m），模擬臺(tái)主要由主體框架、實(shí)驗(yàn)框架和導(dǎo)向裝置3 個(gè)部分組成，如圖5所示。主體框架包括底座和豎向龍門(mén)架結(jié)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)框架由四周槽鋼和可旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)組成，坐落于底座之上，并與豎向龍門(mén)架結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼絲繩相連，通過(guò)使用液壓千斤頂將實(shí)驗(yàn)框架頂起并旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)工作面推進(jìn)方向的改變；導(dǎo)向裝置由底座兩側(cè)的水平導(dǎo)向裝置和豎向龍門(mén)架框架上的豎向?qū)蜓b置組成，可改變實(shí)驗(yàn)框架傾角，進(jìn)而模擬煤層傾角。在可旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)和導(dǎo)向裝置的共同作用下實(shí)現(xiàn)模擬雙斜開(kāi)采中工作面和巷道雙傾角的效果。

以綠水洞煤礦3212工作面地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合雙斜開(kāi)采布置特點(diǎn)，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)M煤層傾角為60°，采用第1 類(lèi)雙斜開(kāi)采布置方式，即兩巷與工作面垂直布置，工作面巷道調(diào)斜角為20°，推進(jìn)方向與水平方向呈20°夾角，從右向左推進(jìn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾_定相似比為1∶100，其余相似常數(shù)依據(jù)相似定理可依次求出，選取河砂為骨料，石膏、大白粉作為膠結(jié)材料，采用8～20 目云母粉作為分層材料。

根據(jù)以上參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始鋪裝之前，將實(shí)驗(yàn)框架底部圓盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°，圓盤(pán)安裝配套CL?YB?114 型可升降傳感器，先將所有傳感器降至最低高度，再統(tǒng)一升高2.4 cm 以模擬煤層，之后在傳感器頂部層層鋪裝材料并用重物夯實(shí)以模擬巖層，模型經(jīng)過(guò)晾干之后在頂部放置沙袋和鋼材模擬上覆巖層載荷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)將傳感器降至最低位置模擬煤層開(kāi)采，傳感器數(shù)據(jù)采集箱和電腦終端采集數(shù)據(jù)，并在工作面不同推進(jìn)距離時(shí)將鉆孔窺視裝置伸入傳感器底部預(yù)留窺視孔以觀察采煤過(guò)程中頂板垮落運(yùn)移規(guī)律。可旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)及配套設(shè)備如圖6 所示。模擬臺(tái)鋪裝完成效果如圖7 所示。

3.2雙斜開(kāi)采頂板垮落特征

由于直接頂厚度大且?guī)r性較為堅(jiān)硬，另外采高為2.4cm，垮落空間小，頂板難以垮落，所以在工作面推進(jìn)初期傾斜中部頂板發(fā)生下沉，傾斜上部和下部頂板存在大面積空頂現(xiàn)象。

當(dāng)工作面推進(jìn)50cm 時(shí)，工作面發(fā)生初次來(lái)壓，傾斜中上部基本頂發(fā)生破斷，垮落矸石向下滑移充填，工作面傾斜下部矸石充填效果如圖8 所示。由于直接頂和基本頂較厚，破斷后的矸石塊度大，堆積于采空區(qū)后方，導(dǎo)致下部直接頂垮落不充分，基本頂無(wú)繼續(xù)下沉和垮落空間，雙斜開(kāi)采頂板破斷存在明顯的非對(duì)稱(chēng)性，具體表現(xiàn)為傾斜中上部頂板破斷層位高、范圍大，傾斜下部頂板在矸石充填產(chǎn)生的負(fù)約束效果下，幾乎不發(fā)生明顯破斷，小范圍出現(xiàn)離層。

隨著工作面的推進(jìn)，從傾斜下部至傾斜上部的矸石充填程度由密實(shí)到逐漸稀疏，并且由于推進(jìn)方向的改變，在重力分量的作用下，高位的矸石會(huì)繼續(xù)向下滑移，充填密實(shí)區(qū)域會(huì)逐漸向傾斜上部發(fā)展。不同推進(jìn)距離下傾斜上部支承壓力如圖9所示，可看出當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到80 m 時(shí)，采空區(qū)范圍內(nèi)支承壓力出現(xiàn)一定程度的增大，這是由于垮落矸石塊度大和中上部的高位頂板下沉在此處相接并壓實(shí)，使壓力傳遞到底板傳感器，中上部大塊矸石限制了上部矸石向下滑移，此時(shí)傾斜上部垮落矸石無(wú)向下滑移空間，堆積在原位，但并不接頂，無(wú)法對(duì)頂板起到足夠的支撐作用（圖10），而傾斜中部存在一定懸露頂板，傾斜下部在高位矸石的滑移充填作用下無(wú)明顯的下沉和破斷現(xiàn)象。工作面傾斜中上部和下部由于矸石充填密實(shí)，僅發(fā)生小范圍的彎曲下沉現(xiàn)象，上部和中部頂板達(dá)到極限跨距后發(fā)生破斷，造成工作面上部和中部的小范圍來(lái)壓，體現(xiàn)了雙斜開(kāi)采工作面來(lái)壓的非均勻性。

將開(kāi)挖過(guò)的模型層層剝開(kāi)至基本頂巖層，并對(duì)表面裂隙進(jìn)行描繪，如圖11所示，模型裂隙由初次破斷和2次周期破斷裂隙組成，其輪廓邊界與采空區(qū)形狀相似，從距開(kāi)切眼和工作面推進(jìn)結(jié)束位置4cm 處開(kāi)始出現(xiàn)裂隙。由于垮落矸石受到走向和傾向雙傾角的影響，之前垮落的矸石會(huì)在每一次推進(jìn)后繼續(xù)向推進(jìn)方向滑移，充填部分新生成的采空區(qū)。隨著推進(jìn)距離的增加，充填范圍逐漸增大，矸石堆積至中部，甚至中上部，造成基本頂裂隙隨著推進(jìn)距離增加而逐漸變小。其中初次破斷裂隙覆蓋工作面中下部至上部， 裂隙下端距運(yùn)輸巷距離為30.29cm，開(kāi)切眼側(cè)存在未出現(xiàn)裂隙的弧形三角形區(qū)域；2次周期破斷裂隙范圍覆蓋工作面傾斜中部至上部，此時(shí)下部裂隙距運(yùn)輸巷距離為44.98cm，上部存在部分發(fā)育到回風(fēng)巷的橫向裂隙，在推進(jìn)完成一側(cè)同樣存在無(wú)裂隙的弧形三角形區(qū)域。

初次來(lái)壓裂隙（圖11 藍(lán)色裂隙輪廓）主要以縱向裂隙為主。雙斜開(kāi)采基本頂破斷特征與俯偽斜開(kāi)采的“新月”形破斷特征和真斜開(kāi)采的傾斜“O?X”型破斷特征不同，其初次破斷輪廓與近水平煤層開(kāi)采時(shí)所形成的破斷輪廓更為接近。主要原因在于矸石在重力的作用下向下滑移堆積，并且隨著埋深增加，充填范圍也會(huì)增加，形成下部的類(lèi)直角梯形的充填區(qū)域，而上部存在的三角形的不垮落頂板同樣對(duì)裂隙輪廓產(chǎn)生一定影響，在二者共同作用下形成雙斜開(kāi)采獨(dú)特的“倒梯形”破斷頂板形狀。

第1次周期來(lái)壓裂隙（圖11 綠色裂隙輪廓）主要以橫向裂隙為主，裂隙輪廓減小。在工作面的傾斜上部和中部發(fā)生明顯下沉和破斷裂隙，但傾斜中上部無(wú)明顯變化，驗(yàn)證了在開(kāi)挖過(guò)程中大塊矸石充填至傾斜中部限制矸石下滑，但此時(shí)矸石未接頂，無(wú)法起到支撐頂板的作用，而傾斜中部無(wú)矸石充填，因此存在大范圍空頂區(qū)域。在推進(jìn)一定距離后傾斜上部和中部頂板垮落，但由于上部有矸石的充填作用，中部幾乎無(wú)矸石，因此中部裂隙較上部發(fā)育更多。

第2次周期來(lái)壓裂隙（圖11 粉紅色裂隙輪廓）主要以縱向裂隙為主，裂隙輪廓進(jìn)一步減小。由于此時(shí)不存在弧形三角形結(jié)構(gòu)，采空區(qū)形狀近似為傾斜四邊形，其裂隙與初次來(lái)壓相比存在一定角度的偏移，但整體破斷形式依舊呈“O?X”型破斷特征。在推進(jìn)結(jié)束后傾斜上部破斷裂隙輪廓與工作面推進(jìn)結(jié)束位置同樣存在三角形未出現(xiàn)裂隙頂板，說(shuō)明此弧形三角形結(jié)構(gòu)隨著工作面推進(jìn)周期性形成，在工作面推進(jìn)一定距離時(shí)垮落。

3.3矸石周期充填特征

由于煤層傾角作用，急傾斜煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采過(guò)程中矸石會(huì)沿傾向發(fā)生周期性的滑移[20-21]。雙斜開(kāi)采矸石垮落的第1 階段是在工作面推進(jìn)初期， 如圖12（a）所示，由于自由空間較小，矸石運(yùn)移空間有限，在工作面后方傾斜上部存在隨著工作面推進(jìn)周期性形成的不垮落弧形三角形區(qū)域。雙斜開(kāi)采矸石垮落的第2、第3 階段分別如圖12（b）和圖12（c）所示，在工作面推進(jìn)距離足夠長(zhǎng)，形成足夠的自由空間時(shí)，雙斜開(kāi)采由于存在走向和傾向的雙傾角，且改變了推進(jìn)方向，工作面標(biāo)高隨著推進(jìn)距離的增加逐漸變小，高位采空區(qū)垮落矸石向下滑移，形成倒三角形充填堆積區(qū)域，并由工作面下部逐漸向上部充填，即倒三角形區(qū)域靠近工作面一邊逐漸增長(zhǎng)。在理想情況下，當(dāng)雙斜開(kāi)采工作面推進(jìn)到一定長(zhǎng)度時(shí)，垮落矸石可將整個(gè)工作面后方充填密實(shí)，導(dǎo)致雙斜開(kāi)采工作面前方出現(xiàn)不來(lái)壓的現(xiàn)象，而在采空區(qū)后方由于矸石的移動(dòng)會(huì)使頂板失去支撐從而繼續(xù)垮落。

4數(shù)值計(jì)算

4.1數(shù)值模型建立

根據(jù)綠水洞煤礦3212工作面地質(zhì)資料，建立急傾斜中厚煤層雙斜開(kāi)采工作面數(shù)值計(jì)算模型， 如圖13所示。以煤層走向方向?yàn)閅 軸方向，在同一平面與煤層走向垂直方向?yàn)閄 軸方向，與水平面垂直方向?yàn)閆軸方向。模型采用摩爾?庫(kù)侖本構(gòu)模型，set?large 變形模式。模型煤層傾角為60°， 厚度為2.4m。工作面斜長(zhǎng)為100 m，推進(jìn)方向與水平方向夾角（即巷道調(diào)斜角）為20°，共推進(jìn)248m。為消除邊界效應(yīng)，工作面四周留設(shè)80 m 寬的保護(hù)煤柱，并在工作面上部、中部、下部分別布置測(cè)線(xiàn)。模型上表面距地面80 m，因此對(duì)模型上部邊界施加3 MPa 的等效載荷，模型底部限制垂直移動(dòng)，四周限制水平移動(dòng)。根據(jù)綠水洞煤礦現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣得到的各巖層力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合3212工作面頂?shù)装迕簬r體物理力學(xué)參數(shù)，確定數(shù)值計(jì)算模型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

4.2工作面支承壓力分布特點(diǎn)

不同推進(jìn)距離下工作面上部、中部、下部支承壓力演化特征如圖14所示。

從圖14可看出：

1） 回采后采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布形成獨(dú)特的非對(duì)稱(chēng)特征。在推進(jìn)方向上，采空區(qū)為支承壓力卸壓區(qū)，在采空區(qū)前后煤巖體內(nèi)由于支承壓力的應(yīng)力集中存在增壓區(qū)和超出影響范圍的原巖應(yīng)力區(qū)。雙斜開(kāi)采由于推進(jìn)方向的不同，煤壁前后原巖應(yīng)力隨推進(jìn)距離的增加而增大，原巖應(yīng)力差值為0.57 MPa。

2）在開(kāi)采初期，開(kāi)采擾動(dòng)范圍較小，支承壓力峰值較小， 應(yīng)力集中系數(shù)為1.27。當(dāng)工作面推進(jìn)至32m，由于傾角效應(yīng)的影響，工作面上部、中部頂板優(yōu)先垮落使應(yīng)力釋放，工作面應(yīng)力集中系數(shù)排序?yàn)橄虏浚局胁浚旧喜俊．?dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到工作面長(zhǎng)度（100m）0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 倍時(shí)，采空區(qū)形狀發(fā)生變化造成煤壁前方支承壓力突然增加，在工作面推進(jìn)距離為工作面長(zhǎng)度2.0 倍時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到最大，工作面上部、中部、下部應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.05，2.17 和2.03。工作面上部、中部、下部來(lái)壓步距和強(qiáng)度不同，并且由于工作面中上部存在自由空間，應(yīng)力能夠釋放，工作面下部無(wú)自由空間，導(dǎo)致工作面下部前方煤壁存在高應(yīng)力區(qū)域。

3）隨著工作面推進(jìn)距離增加，應(yīng)力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定，支承壓力增長(zhǎng)幅度變小，但仍穩(wěn)步增長(zhǎng)。此時(shí)造成支承壓力升高的主要原因?yàn)橥七M(jìn)方向的改變，即向深部開(kāi)采時(shí)原巖應(yīng)力增大，工作面支架工作阻力隨著推進(jìn)距離的增加而增大。

4.3基本頂應(yīng)力釋放演化特征

不同推進(jìn)距離下基本頂垂直應(yīng)力三維云圖如圖15所示。可看出在工作面推進(jìn)過(guò)程中，基本頂應(yīng)力釋放區(qū)域形態(tài)與工作面形態(tài)和推進(jìn)距離存在較大關(guān)系。當(dāng)工作面推進(jìn)40 m 時(shí)，基本頂應(yīng)力釋放峰值位于工作面后方10 m 處，應(yīng)力釋放區(qū)域與采空區(qū)形狀相似；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m 時(shí)，基本頂應(yīng)力釋放區(qū)域形成多峰值的形態(tài)，其峰值代表每次頂板破斷形成的周期來(lái)壓，并在前方下部和運(yùn)輸巷一側(cè)形成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂應(yīng)力釋放區(qū)域形態(tài)與采空區(qū)形態(tài)基本一致且主要集中在工作面中上部及回風(fēng)巷上層頂板中。由于巷道調(diào)斜角的作用，改變了推進(jìn)方向，工作面應(yīng)力釋放區(qū)域呈現(xiàn)向推進(jìn)方向平移的特征，并且由于向深部推進(jìn)，基本頂應(yīng)力釋放程度隨原巖應(yīng)力的增加而逐漸增大，在整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力釋放的峰值區(qū)一般在工作面后方10 m 處左右。

5結(jié)論

1）在俯偽斜開(kāi)采的基礎(chǔ)上將運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷同樣進(jìn)行偽斜布置，形成工作面和巷道的雙斜開(kāi)采，進(jìn)一步降低了工作面傾角，同時(shí)解決了俯偽斜開(kāi)采中工作面?zhèn)涡苯沁^(guò)大的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)60°以上急傾斜中厚煤層長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采提供了可行方法。

2）雙斜開(kāi)采工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于部分直接頂和基本頂堅(jiān)硬且垮落后形成的矸石塊度大，堆積在工作面中上部，限制了上部頂板的垮落和矸石的滑移，在工作面的傾斜上部和中部形成大面積空頂區(qū)域。在推進(jìn)一定距離后，造成工作面傾斜上部和中部的局部來(lái)壓現(xiàn)象，體現(xiàn)了雙斜開(kāi)采來(lái)壓的非均勻性。

3）由于走向和傾向的雙傾角作用，雙斜開(kāi)采高位采空區(qū)矸石會(huì)向下滑移，形成倒三角形矸石充填區(qū)域。隨著工作面推進(jìn)，倒三角區(qū)域靠近工作面的一邊會(huì)逐漸變長(zhǎng)，即矸石充填范圍會(huì)從傾斜下部向傾斜上部發(fā)展，在工作面來(lái)壓后會(huì)重新充填，存在周期性特征。在巷道調(diào)斜角作用下推進(jìn)方向改變，工作面向深部開(kāi)采的過(guò)程中，原巖應(yīng)力的升高導(dǎo)致工作面支架工作阻力持續(xù)增大。

4）雙斜開(kāi)采基本頂應(yīng)力演化同推進(jìn)距離和采空區(qū)形狀存在較大關(guān)系，基本頂應(yīng)力釋放范圍表現(xiàn)出從傾斜上部至下部逐漸變小的非對(duì)稱(chēng)特征。