大傾角煤層群長壁采場低位梯階關(guān)鍵層*

伍永平，解盤石，王紅偉，任世廣

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，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，中國大傾角煤層約占有20%的儲量，50%以上的大傾角煤層為優(yōu)質(zhì)焦煤和無煙煤，是中國保護性開采的稀缺煤種。大傾角煤層是國際采礦界公認的難采煤層，文獻檢索表明，除上世紀70 ～80 年代前蘇聯(lián)、德國和波蘭有過研究外，進入21 世紀后，國外對大傾角煤層開采理論和技術(shù)缺乏系統(tǒng)性研究，國內(nèi)對特殊條件下大傾角煤層開采進行了大量的科學研究與工程實踐［1-3］，揭示了一些特定埋藏與開采條件下，如大傾角中厚煤層、堅硬頂板大傾角煤層、大傾角特厚煤層及大傾角煤層群等的采場巖層運動一般特征和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，初步揭示了圍巖應(yīng)力場的形成特征，提出“R -S-F”系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性控制方法。自采用走向長壁開采技術(shù)以來，大傾角長壁工作面的頂板控制一直是本研究的核心問題之一。眾所周知，采場中一切礦壓顯現(xiàn)的根源是采動引起的上覆巖層的運動，由于上覆巖層的巖性、厚度、層位關(guān)系及構(gòu)造情況不同，導致其存在著多種多樣的運動特點，而頂板(R)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了頂板的運動特征，也是決定頂板控制方式和方法的關(guān)鍵因素。因此，頂板(R)的穩(wěn)定性是大傾角煤層開采過程中“R -S-F”系統(tǒng)控制的最終目標，對大傾角煤層頂板結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性進行研究有重要的理論和現(xiàn)實意義。其中，大傾角近距離(煤層間距5 ～15 m)煤層群是其典型類型之一，多煤層連續(xù)開采所形成的頂板結(jié)構(gòu)具有其特殊性，由于缺乏對多煤層、多區(qū)段開采覆(圍)巖結(jié)構(gòu)破壞及其施載特征的系統(tǒng)研究，導致工藝參數(shù)確定缺乏理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)支撐，嚴重制約了該類煤層安全高效開采，實現(xiàn)大傾角近距離煤層群安全高效開采關(guān)鍵在于該類煤層開采巖層控制理論的突破，因此，研究大傾角煤層群多區(qū)段開采覆(圍)巖結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律及其穩(wěn)定控制等問題，可為指導該類煤層安全開采提供重要的理論依據(jù)，對于豐富復(fù)雜煤層開采理論、拓展巖層控制研究領(lǐng)域，提升行業(yè)技術(shù)水平和促進礦業(yè)經(jīng)濟的科學發(fā)展均具有重要意義。

1 大傾角煤層群采場覆巖梯階關(guān)鍵層

1.1 梯階巖體結(jié)構(gòu)的形成

實驗研究表明［4-7］，大傾角煤層工作面形成了與近水平煤層不同的圍巖結(jié)構(gòu)，其采場上方巖層易形成非對稱“梯階結(jié)構(gòu)”，該結(jié)構(gòu)邊緣與工作面煤壁邊緣相交，在工作面傾斜中上部，結(jié)構(gòu)距工作面垂直距離達到最大值，隨著沿傾斜向下，結(jié)構(gòu)體高度逐漸降低，在運輸巷附近達到最小值。

大傾角煤層梯階巖體結(jié)構(gòu)是其采場特有的結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。根據(jù)頂板巖性、厚度及采高等的不同，可分為二級、三級梯階等。其分布特征為，第一梯階一般處于工作面下部，其層位較低，影響區(qū)域占整個工作面長度的40% ～50%，第二、三梯階則處于工作面中上部區(qū)域，其層位較高，影響區(qū)域占整個工作面長度的50% ～60%.

不同梯階范圍的工作面來壓周期、步距和強度均不相同，一般為第二、三梯階來壓強度大、步距小、周期短、有沖擊性，第一梯階結(jié)構(gòu)來壓強度小、步距大、周期長，第一梯階結(jié)構(gòu)破壞極易誘發(fā)第二梯階結(jié)構(gòu)破壞，形成整個工作面范圍來壓。

圖1 大傾角煤層采場空間多級梯階巖體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overburden structure in steeply dipping seam mining area

1.2 低位梯階關(guān)鍵層

大傾角煤層群開采過程中，特別在下層煤開采時，由于工作面上方頂板厚度較小(上部為上層煤采空區(qū))，隨工作面中上部直接頂巖層垮落、下滑和充填，其采場頂板易形成層位較低的梯階巖體結(jié)構(gòu)，稱為低位梯階關(guān)鍵層，該結(jié)構(gòu)可分為二級梯階，如圖2 所示。其中，一級梯階是以工作面中下部的直接頂和直接頂下方充填矸石共同組成的較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，二級梯階是以工作面中上部區(qū)域老頂組成的巖體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是大傾角煤層群下層煤采場特有的關(guān)鍵巖層結(jié)構(gòu)。

圖2 大傾角煤層群下層煤采場低位梯階關(guān)鍵層Fig.2 Lower key structure in steeply dipping seams mining area

2 低位梯階關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征

非對稱梯階巖體結(jié)構(gòu)是大傾角煤層采場特有頂板結(jié)構(gòu)，不同的巖性和回采空間對梯階結(jié)構(gòu)的尺寸及空間位置影響很大。基于對大傾角煤層群多區(qū)段工作面頂板巖體結(jié)構(gòu)分析，如圖3，4 所示。其形成的低位梯階關(guān)鍵層具有如下特征。

圖3 低位梯階關(guān)鍵層簡化模型ig.3 Simply model of the lower key ladder structure

圖4 梯階群結(jié)構(gòu)與區(qū)段煤柱作用特征Fig.4 Interaction of the lower key ladder structure and coal pillar

1)該結(jié)構(gòu)為近似倒梯階狀，沿工作面走向和傾向的剖面形狀不同。工作面長度方向上，不同區(qū)域構(gòu)成結(jié)構(gòu)的巖層不同，可為偽頂、直接頂、老頂、上覆巖層。由于頂板巖層的層狀特征，結(jié)構(gòu)輪廓為梯階形狀。大傾角煤層群長壁開采時，上、下層煤層開采形成疊加梯階結(jié)構(gòu)，其層位高、影響范圍大，即多級梯階巖體結(jié)構(gòu);

2)梯階結(jié)構(gòu)傾向下部邊界為工作面運輸巷，上部邊界或超越工作面回風巷?？臻g輪廓與工作面底板巖層之間最小間距位于運輸巷與工作面煤壁交匯處，最大間距處于回風巷或其上方區(qū)域。大傾角煤層群長壁開采時，上、下層煤層采場形成的疊加梯階巖體結(jié)構(gòu)，其上部邊界延伸至下層煤上區(qū)段工作面回風巷處，下部邊界延伸至下層煤下區(qū)段工作面運輸巷區(qū)域，結(jié)構(gòu)的上方破斷輪廓延伸至較上層煤采空區(qū)更高層位的巖層;

3)與單一大傾角煤層類似，大傾角煤層群采場梯階巖體結(jié)構(gòu)傾向下部支承點(區(qū)域)位于工作面運輸巷向上的煤體和充填體中，上部支承點(區(qū)域)位于回風巷或以外(上)的采空區(qū)內(nèi);

4)下層煤采場形成的二級低位梯階關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)是大傾角煤層群采場特有的巖體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)層位低、厚度小、穩(wěn)定性差。具有周期性破斷特征，據(jù)其周期來壓程度大小可將該結(jié)構(gòu)分為活躍區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，活躍區(qū)處于工作面中上部區(qū)域，即二級梯階巖層區(qū)域，穩(wěn)定區(qū)域為工作面下部區(qū)域，由于巖層層位低和矸石充填共同作用，導致該區(qū)域來壓強度不明顯;其中工作面中上部的二級梯階結(jié)構(gòu)是整個采場頂板結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵，研究表明［8］，該結(jié)構(gòu)的周期性破壞是導致采場上方區(qū)段煤柱和上區(qū)段、上層煤采場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要因素。

3 大傾角煤層群采場低位梯階關(guān)鍵層穩(wěn)定性分析

分析大傾角煤層群采場低位梯階關(guān)鍵層的穩(wěn)定性是弄清采場“支架-圍巖”結(jié)構(gòu)相互作用機理的關(guān)鍵，可起到“承上啟下”的作用，“承上”即可揭示該結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)圍巖(頂板、煤柱等)破壞、運移及致災(zāi)機理，“啟下”又可弄清采場頂板與支架相互作用特征。

3.1 低位梯階關(guān)鍵層對覆巖穩(wěn)定性的影響

大傾角煤層群下層煤開采時，低位梯階關(guān)鍵層受到上層煤垮落矸石及其底板自重法向分力F1的作用，同時，其在工作面上、下端頭受到未垮落覆巖的集中力的切向分力F2作用。分析可知，如圖3 所示，一級梯階受覆巖自重作用Gmn和下方垮落矸石的充填支撐作用Fc，二級梯階(低位梯階關(guān)鍵層)結(jié)構(gòu)近似為下端固支、上端可傳遞集中力傾斜方向分力F2的可彎曲桿件，根據(jù)材料力學知識［9］，可推導出低位梯階關(guān)鍵層失穩(wěn)條件

其中 b 為直接頂形成的巖層沿法向長度，m;h 為懸露巖層上方單層巖層沿法向的厚度，m;l 梯階結(jié)構(gòu)的長度;EI 為抗彎剛度;［σ］為低位梯階關(guān)鍵層的極限強度，MPa.

據(jù)式1，當F1＞F2時，法方向作用力起主要作用，導致低位梯階關(guān)鍵層發(fā)生拉伸破壞失穩(wěn)，引發(fā)上方采場的矸石參與下層煤頂板的運動，充填下層煤采場上端，降低了上端由于頂板(R)元素缺失導致系統(tǒng)失穩(wěn)概率［3］，同時，矸石下移也使上覆巖層失去約束并發(fā)生垮落，上層煤采場覆巖垮落高度增大;當F1＜F2時，主要受切向分力的作用，低位梯階關(guān)鍵層發(fā)生壓剪破壞失穩(wěn)，此時，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)易引發(fā)工作面上端或上區(qū)段未破壞巖層失穩(wěn)，易對工作面造成沖擊，其破壞高度可延伸至上方更高層位的巖層;低位梯階關(guān)鍵層受到F1，F(xiàn)2共同作用時，發(fā)生先壓剪后拉伸的復(fù)合型失穩(wěn)，可造成更大范圍的圍巖運動，對工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)影響更大。

3.2 低位梯階關(guān)鍵層對區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的影響

大傾角煤層群多區(qū)段開采時，下層煤區(qū)段煤柱處于上層煤上、下區(qū)段高位梯階結(jié)構(gòu)和下層煤上區(qū)段的疊加梯階結(jié)構(gòu)共同作用下，如圖4 所示，相鄰工作面形成兩個相對獨立實質(zhì)相互作用的梯階結(jié)構(gòu)，2 個結(jié)構(gòu)均集中作用于區(qū)段煤柱。下層煤下區(qū)段工作面開采時，隨著低位梯階關(guān)鍵層失穩(wěn)，區(qū)段煤柱失去了該結(jié)構(gòu)的支撐并發(fā)生壓剪失穩(wěn)，引發(fā)上方兩個梯階結(jié)構(gòu)同時發(fā)生破壞，2 個區(qū)段貫通，上方形成更大范圍的結(jié)構(gòu)［10］。同時，上區(qū)段圍巖運移至下區(qū)段下層煤采空區(qū)，參與了本工作面巖層運動，形成“大工作面”，降低低位梯階關(guān)鍵層失穩(wěn)對工作面造成的沖擊作用。

3.3 低位梯階關(guān)鍵層對“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

大傾角煤層群采場中，上方采場的矸石充填了下層煤采場上端，降低了上端由于頂板元素缺失導致“R-S-F”系統(tǒng)失穩(wěn)的概率。其次，低位梯階關(guān)鍵層破壞后可形成傾斜砌體結(jié)構(gòu)［11-12］，由于頂板破壞層位低，空間小，傾斜砌體結(jié)構(gòu)以傾向堆砌形式存在，通過分析［13-15］，傾斜剖面上，頂板對支架的作用主要以正壓型作用為主，走向剖面主要以后推型作用為主。

4 結(jié) 論

1)大傾角煤層群下層煤采場存在非對稱低位梯階關(guān)鍵層，一般可分為二級梯階，其層位低、厚度小、穩(wěn)定性差，且具有周期性破斷特征。工作面中上部的二級梯階失穩(wěn)是誘發(fā)區(qū)段煤柱、覆巖、支架失穩(wěn)的主要因素，是采場頂板關(guān)鍵巖層結(jié)構(gòu);

2)低位梯階關(guān)鍵層受覆巖及上方采空區(qū)矸石的法向與切向力作用，其中，法向力易導致其發(fā)生拉伸破壞失穩(wěn)，切方向力易誘發(fā)壓剪破壞失穩(wěn)，二者共同作用則發(fā)生先壓剪后拉伸的復(fù)合型失穩(wěn);

3)下層煤區(qū)段煤柱處于梯階結(jié)構(gòu)群疊加作用下，隨著低位梯階關(guān)鍵層失穩(wěn)，區(qū)段煤柱在集中應(yīng)力作用下發(fā)生壓剪失穩(wěn)，引發(fā)上方梯階結(jié)構(gòu)群發(fā)生大范圍破壞。低位梯階關(guān)鍵層破壞后以傾斜砌體結(jié)構(gòu)形式存在。

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