大傾角近距離煤層群長壁采場頂板破斷機理

解盤石，屈利利，伍永平，張穎異，閆壯壯，馮 坤，楊廣兵，吉 峰

（1.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；2.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；3.山東礦機華能裝備制造有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引 言

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［1-2］。 多年開采實踐證明，保證工作面“支架-圍巖”系統完整是確保大傾角煤層工作面安全高效開采的科學基礎［3-4］。但大傾角煤層群長壁開采時，由于煤層間開采相互影響與擾動，工作面頂板應力分布與破壞、運移特征均與大傾角單一煤層開采有所不同，導致工作面存在安全隱患。 因此，研究大傾角煤層群頂板破壞特征及其穩(wěn)定性控制是實現該類煤層安全高效開采的前提。

長期以來，廣大學者和生產技術人員在大傾角煤層（群）開采方面做了大量的理論研究與生產實踐工作。 文獻［5-8］研究了大傾角煤層長壁采場圍巖應力分布規(guī)律與礦壓顯現規(guī)律，提出了大傾角煤層采場礦山壓力顯現的分區(qū)特征及圍巖的非對稱應力拱理論；文獻［9-13］對大傾角煤層（群）覆巖結構及其穩(wěn)定性進行了研究，給出了傾斜砌體結構動力學方程和“殼體”穩(wěn)定性判定條件；文獻［14-17］ 對大傾角煤層（群）覆巖運移以及量化充填規(guī)律進行了研究，量化了基本頂垮落充填區(qū)域，得出了圍巖破斷運移對煤巖層的非均衡性雙重擾動作用；文獻［18-19］對大傾角煤層群下行開采礦壓顯現規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性控制技術進行了研究，得出了大傾角近距離采空區(qū)下煤層開采超前支承壓力分布規(guī)律；文獻［20-21］對大傾角近距離煤層群開采頂、底板破壞特征進行了研究，揭示了工作面底板應力分布規(guī)律、最大破壞深度及其位置。 但針對大傾角煤層群上層煤采場覆巖運移對下層煤采場圍巖應力演化和頂板破壞的影響機制研究較少。

因此，在已有研究的基礎上，以甘肅華亭東峽煤礦大傾角近距離煤層群開采為工程背景，采用物理相似材料模擬試驗、理論分析以及現場實測相結合的手段，研究大傾角煤層群覆巖運移規(guī)律及其對采場頂板破壞的影響特征，從沿工作面傾向不同區(qū)域的圍巖破壞特征、頂板受載狀態(tài)及穩(wěn)定性和支架阻力等方面深入分析研究，可為大傾角煤層群長壁采場頂板穩(wěn)定性控制提供理論支持。

1 工程概況

甘肅華亭礦業(yè)集團東峽煤礦位于華亭縣東南郊區(qū)，地質構造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，主要為6 號煤層，煤層平均傾角38°，堅固性系數f＝2 ～3，屬于低灰、低硫、低磷、高揮發(fā)性的大傾角堅硬煤層群；煤層在井田范圍內發(fā)生分岔，形成煤6-1上、煤6-1下、煤6-2上、煤6-2中和煤6-2下。

其中，主采煤是6-1下和煤6-2中，煤巖層柱狀如圖1 所示，煤巖力學參數見表1。 大傾角走向長壁工作面傾斜長度92 ～119 m，平均長度104 m，煤層群采用下行式開采，即先開采煤6-1下，然后開采煤6-2中。

表1 煤與巖石力學參數Table 1 Mechanics parameters of coal and rock

圖1 綜合柱狀Fig.1 Composite columnar section

2 試驗模型的建立

為系統研究大傾角煤層群開采時頂板受載及破壞特征。 首先，分析單一大傾角煤層頂板破斷及運移特征，尤其是垮落頂板對底板的作用特征；其次，研究上、下層煤開采時，圍巖破壞及運移對采場頂板的加載與卸載作用，分析頂板的破壞機理。

根據東峽煤礦37215-2 工作面的生產技術條件以及實驗室?guī)r石力學試驗結果，物理相似模型選取幾何相似常數為100，容重相似常數為1.6，根據相似理論，應力及強度相似常數為160，時間相似常數為10，載荷相似常數為1.6×106。 物理模型相似材料配比見表2。

表2 相似材料配比Table 2 Ratio of similar materials

選取規(guī)格為2 200 mm× 2 000 mm×200 mm 的平面模型支架，上煤層（煤6-1下）底板鋪設壓力傳感器，如圖2 所示，監(jiān)測大傾角煤層采場垮落頂板對于底板的載荷作用特征。 采用PENTAXR-400NX型光學全站儀監(jiān)測上覆巖層位移，無線壓力傳感器監(jiān)測采場支承壓力變化規(guī)律，數碼攝像機記錄覆巖破壞垮落形態(tài)。

圖2 物理相似材料模型Fig.2 Physical similar material model

3 大傾角煤層群開采圍巖破壞特征

3.1 沿傾向圍巖破壞運移特征

3.1.1 上層煤開采圍巖破壞運移特征

在單一煤層開采時，由于上層煤工作面垮落頂板與頂板殘垣上、下邊界的接觸程度與方式不同，總體呈現出，工作面下端頭殘垣與垮落頂板接觸程度較與上端頭殘垣接觸更為緊密的特征，工作面垮落頂板對采空區(qū)形成非均衡充填。 因此，將上端頭不同位置由下向上依次分為“頂板-矸石”不接觸、“頂板-矸石”接觸，并以此為界限，將整個采空區(qū)沿垂直巖層方向分為傾斜砌體缺失區(qū)域、傾斜砌體完整區(qū)域，如圖3 所示。 其中，垮落帶的傾斜砌體結構在上端頭多存在缺失，而斷裂帶則多為傾斜砌體結構完整狀態(tài)，這也是大傾角煤層與近水平煤層的不同之處。

圖3 上層煤采空區(qū)沿傾向非均衡充填Fig.3 Non-equilibrium filling of upper coal seam goaf along inclination

上層煤（煤6-1下）頂板大范圍垮落后（圖4），其底板（煤6-2中頂板）所受的載荷分布狀態(tài)如圖5所示，工作面底板應力分布曲線的Ⅰ段對應圖4 中FE段，即工作面上端頭底板無垮落矸石部分；分布曲線的Ⅱ段對應圖4 中ED段，即煤6-1下工作面頂板的矸石充填部分。 對Ⅱ段內曲線進行擬合，得到特征趨勢曲線及其方程，如圖6 所示。 可看出，矸石對底板的作用具有非均衡特征。

圖4 上層煤采場底板受載特征Fig.4 Loaded characteristics of floor in upper working face

圖5 上層煤底板載荷分布曲線Fig.5 Load distribution curves of floor in upper working face

圖6 上層煤Ⅱ段底板載荷分布曲線Fig.6 Floor load distribution curve of section Ⅱin upper working face

應力拱上拱腳以近似點載荷的形式作用在上端頭煤壁處，應力拱AB段、CD段通過破斷殘垣將應力傳遞到上、下端頭底板中。 可以看出，垮落矸石的非均衡充填對上覆巖層有一定的支撐作用，導致上層煤工作面下端頭應力集中程度小于上端頭。

3.1.2 下層煤開采圍巖破壞運移特征

下層煤開采時，采場中上部頂板（頂煤）先發(fā)生破壞，垮落矸石下滑充填至工作面中下部，減緩了上層煤垮落頂板對Ⅱ段（圖7 中ED段）底板（下層煤頂板）的加載破壞作用，如圖7 所示。 下層煤工作面開采時，工作面中上部頂板發(fā)生破斷、垮落，如圖8 所示。 可以看出，在應力拱上拱腳與垮落頂板的復合加載作用下，上層煤底板受載Ⅰ段（圖7 中FE段）正處于下層煤頂板初始破斷位置。

圖7 下層煤采場頂板受載特征Fig.7 Loaded characteristics of roof in lower working face

圖8 下層煤采場頂板初始破斷Fig.8 Initial breakage of roof in lower working face

3.1.3 下層煤開采圍巖破壞運移特征

根據以上試驗分析結果，由于受到上層煤開采的影響，下層煤頂板除受到自身的重力作用外，也受到傾斜砌體缺失區(qū)域垮落巖層的重力以及完整傾斜砌體區(qū)域的部分巖層重力。 完整傾斜砌體區(qū)域內全部結構和傾斜砌體缺失區(qū)域的傾斜中、下部結構均分解并降低了傾向應力拱結構對底板的加載作用。 下層煤開采時，頂板破斷垮落并運移到采場傾斜下部，采場傾斜上部仍出現傾斜砌體缺失現象，且該范圍有所增大，如圖9 所示。 下層煤采場底板受載特征與上層煤基本一致，沿傾向具有分區(qū)特點。

上層煤開采后頂板垮落，對下層煤采場頂板（上下煤層間的巖層）施加類似點載荷和連續(xù)不均衡載荷作用。 下層煤開采時，工作面傾斜中上部直接頂垮落下滑，并對下部頂板施加不均衡支撐作用［17］，在該區(qū)域的破壞巖塊間形成了復雜約束作用，隨著工作面推進，平衡被打破，頂板最終發(fā)生整體失穩(wěn)，如圖9 所示。 可以看出，大傾角煤層群采場頂板的破壞是重復“加-卸載”作用的結果，同時，下層煤采場底板應力也具有明顯的非均衡分布特點。

圖9 煤層群采場頂板破斷特征Fig.9 Failure characteristics of roof in working face of coal seam group

3.2 沿走向圍巖結構破壞特征

下層煤開采后，沿工作面走向，采場頂板的傾斜上部、中部、下部區(qū)域均受到垮落矸石不同程度的充填，進而形成了不同的走向頂板結構。 在傾向上部區(qū)域，如圖10a 所示，由于傾角效應，煤層開采后，上方巖層大面積垮落，一般為拉剪破壞，垮落的頂煤或頂板沿工作面向下滑移，并堆積在工作面中、下部區(qū)域；工作面傾斜上部受傾向拱結構支撐作用，呈懸空狀。

可以看出，工作面傾斜上部空間增大，該區(qū)域頂板失去了下方垮落矸石的約束，易產生沖擊性載荷，并造成裝備損壞。 傾向中部區(qū)域采空區(qū)為充填較滿狀態(tài)，如圖10b 所示，但矸石仍較為松散，工作面頂板下沉變形未受到矸石約束，因此，支架受載較大。工作面傾斜下部采空區(qū)被垮落的煤或矸石完全充填，如圖10c 所示，在上層煤垮落矸石和頂板共同作用下，該區(qū)域煤巖體易形成具有一定結構和強度的“似實體”，對上覆巖層給予支架的載荷有一定的緩沖作用，導致工作面傾斜下部的支架載荷相對較低。因此，工作面下部區(qū)域支架受載一般小于上部和中部載荷。

圖10 傾向不同區(qū)域的走向結構特征Fig.10 Trend structure characteristics of working face along inclination

4 大傾角煤層群采場頂板結構分析

4.1 建立力學模型

基于上述分析，結合下層煤開采過程中采場頂板受載特征，以下層煤層采場頂板為研究對象，建立了兩端固支梁力學模型，如圖11 所示。 根據垮落覆巖的分布特征，將頂板所受載荷近似地簡化為均布載荷，其中均布載荷q1為6-1下回風巷到6-2中回風巷之間梁受到的載荷；均布載荷q2為開采煤6-1下后頂板垮落所施加到梁的載荷，將6-2中下部矸石填充的支撐作用視為彈性地基。

圖11 煤層間頂板受力分布Fig.11 Stress distribution of roof between coal seams

L1段頂板上端由（上層工作面）煤壁處傳遞并施加載荷；工作面中上部區(qū)域冒落頂板下滑至傾斜下方區(qū)域，因此在L2段頂板上方未受載；L3段頂板載荷是由上層采空區(qū)頂板垮落矸石施加的載荷；L4段除受L3段載荷外，還受到下層煤充填矸石的支撐作用。

4.2 力學分析

為得到梁各位置的撓度和彎矩，將力學模型分為4 個區(qū)段分別進行計算，將各個區(qū)段間顯現出的內力即剪力與彎矩視為各自區(qū)段梁的外載荷，其中，相鄰兩區(qū)段梁之間的內力大小相等方向相反。

1）第1 區(qū)段梁受分布載荷q1作用，下端受剪力Fa和彎矩Ma作用（圖12）。 根據材料力學和疊加原理得出第1 區(qū)段梁的撓曲線方程y1和彎矩方程M1的表達式。

式中：E為彈性模量；I為橫截面慣性矩；x1為L1段內任一點至O1的距離。

2）第2 區(qū)段梁兩端受剪力Fa和Fb以及彎矩Ma和Mb。 根據平衡原理求得彎矩方程M2，進一步積分可得撓曲線方程y2（第2 區(qū)段橫坐標為x2），其中積分參數根據邊界條件求解得出。

圖13 L2區(qū)段梁模型Fig.13 Model drawing of L2 section beam

3）第3 區(qū)段梁不僅兩端受剪力Fb和Fc以及彎矩Mb和Mc，還受分布載荷q2作用。 依據同樣算法可得撓曲線方程y2（第3 區(qū)段橫坐標為x3）和彎矩方程M3，再代入邊界條件求解得出積分參數。

圖14 L3區(qū)段梁模型Fig.14 Model drawing of L3 section beam

其邊界條件為

4）根據彈性地基理論，將L4段矸石的支撐作用梁視為彈性地基梁。 該區(qū)段梁上端受剪力Fc和彎矩Mc，下端為固定端，分布載荷q2作用模型如圖15所示（橫縱坐標x4，y4）。

圖15 L4區(qū)段梁模型Fig.15 Model drawing of L4 section beam

上述推導過程中，C1～C8為系數，可根據每一段邊界條件求得。

4.3 算例與分析

根據37215-2 工作面實際情況，L1，L2，L3和L4四個區(qū)段的長度通過6-2中煤層開采后直接頂垮落的堆積長度以及底板壓力確定；選取矸石充填地基系數300 kN／m3；結合工程實際和相關研究［13，16-17］確定其余各個參量值如下：

將參數分別代入上述梁模型中，計算每段梁的彎矩和撓度并作整合，可得整個梁的計算結果，如圖16、圖17 所示。

圖16 梁撓度Fig.16 Beam deflection diagram

圖17 梁彎矩Fig.17 Beam bending moment diagram

根據梁撓度計算結果，如圖16 所示，由于傾斜上部載荷q1較大，導致梁彎曲下沉的峰值位置出現在該區(qū)域，即在距離煤6-2中工作面回風巷52 m 處，最大下沉值為0.784 m，可以看出，梁的破斷首先發(fā)生在上部區(qū)域。 根據梁彎矩計算結果，如圖17 所示，梁的彎矩出現2 個峰值：①由于固定端約束，使得在回風巷處梁出現彎矩峰值，為3 337.879 kN·m；②在距離回風巷34 m 處（工作面傾斜中上部區(qū)域）的梁出現第2 個彎矩峰值，為1 004.056 kN·m。 由于矸石充填作用，在梁的下端彎矩值相對較小。 按彎矩分析可知，梁易在回風巷處和第1 區(qū)段下端發(fā)生破斷。

綜上分析，梁的彎曲變形明顯部分主要集中在工作面中上部區(qū)域。 其中，梁中上端彎矩最大，距回風巷34 m 彎矩處于次之。 根據工作面實際，下層煤回風巷處的煤壁一般處于塑性狀態(tài)，一定程度上緩解了梁上端固定端產生的彎曲。 因此，在實際中，最大彎矩位置一般處于采場頂板的傾斜中上部區(qū)域，即距回風巷34 m 處的頂板易發(fā)生破斷。

可以看出：①q2載荷在梁發(fā)生彎曲變形中起主要作用，當梁中上部發(fā)生破斷后，大部分q2載荷轉移至破斷位置傾斜下側具有支撐作用的頂板和工作面中上部支架后方，甚至延伸至工作面傾斜中上部煤壁處，下層煤工作面傾斜中部頂板首先出現來壓現象；②當梁中上部發(fā)生破斷后，梁的上部失去了下方約束，該區(qū)域的梁在第二彎矩峰值作用發(fā)生破斷，影響該區(qū)域煤巖和支護設備，下層煤工作面傾斜上部頂板隨后出現來壓現象；③傾斜下部梁由于矸石充填支撐作用，雖有上層煤采場垮落矸石的疊加作用，但該區(qū)域頂板僅發(fā)生裂隙破壞和小范圍運動，對工作面煤壁、頂板和支護裝備的影響較小，下層煤工作面傾斜下部來壓現象不明顯或無來壓現象。 由此得出，上述理論分析結論與物理模擬試驗結論具有一致性。

5 現場實測分析

對37215-2 工作面進行了現場礦壓監(jiān)測，分別沿下層煤綜放工作面自下而上布置了5 個測區(qū)，共15 條測線，具體為：下部區(qū)域Ⅰ、Ⅱ測區(qū)（1 ～6 號測線），中部區(qū)域Ⅲ測區(qū)（7 ～9 號測線），中上部區(qū)域Ⅳ、Ⅴ測區(qū)（10 ～15 號測線）（圖18）。 監(jiān)測結果表明：37215-2 工作面沿走向的礦山壓力顯現特征與一般傾角條件下的放頂煤類似，具有初次來壓和周期性礦壓顯現。 工作面沿傾斜方向的礦壓顯現呈現明顯的分區(qū)特征，工作面下部區(qū)域（測區(qū)Ⅰ、Ⅱ）支架受載較均衡，平均載荷較低；工作面中部區(qū)域（測區(qū)Ⅲ）支架平均載荷大于下部區(qū)域，支架阻力利用率較高；工作面上部區(qū)域（測區(qū)Ⅳ、Ⅴ）支架的工作阻力利用率較低，但測區(qū)Ⅳ較測區(qū)Ⅴ的利用率高?？偟膩碚f，來壓呈現中部較大、上部次之、下部無明顯來壓的基本特征。 但較單一煤層開采，下煤層開采時周期性來壓的強度較低且規(guī)律性不強。 與理論分析結論具有一致性。

圖18 支架工作阻力利用率分布Fig.18 Distribution of working resistance utilization ratio of supports

37215-2 工作面現場實踐表明：①在下層煤工作面放煤過程中，需加強工作面中上部區(qū)域頂板管理，控制放煤量和保證支架有效支撐，防止該區(qū)域與上層煤采空區(qū)貫通；②關注下層煤上端頭支護安全，理論分析與礦壓監(jiān)測表明，該范圍頂板的受載具有不均衡現象，需要加強上端頭臨時支護及回風巷超前支護，防止該區(qū)域出現與上方采空區(qū)貫通和動載沖擊破壞。

6 結 論

1）大傾角單一煤層長壁采場垮落頂板充填采空區(qū)具有不均衡性，導致垮落頂板與頂板殘垣上、下邊界接觸程度與方式不同，傾斜下部“頂板-矸石”接觸較上部更為緊密；沿垂直巖層方向傾斜上部可將整個采空區(qū)劃分為傾斜砌體缺失區(qū)域和傾斜砌體完整區(qū)域。

2）大傾角煤層群開采中，上層煤工作面底板受載沿傾向具有分區(qū)特征，將采空區(qū)底板沿傾向分為受近似點載荷的無矸石充填區(qū)和受非均衡載荷的中、下部矸石充填區(qū)。 下層煤采場頂板受到上層煤采場垮落頂板的非均衡載荷作用，采場傾斜中上部直接頂先垮落并下滑充填至工作面下部，頂板破斷后對下層煤采場底板的作用特征與上層煤采場一致。

3）傾斜下部頂板受垮落矸石的支撐降低了其撓度和彎矩；中上部由于矸石的未完全充填，對頂板支撐較小或為0，該范圍頂板撓度最大，易發(fā)生破斷。

4）下層煤采場來壓呈現中部較大、上部次之、下部無明顯來壓的基本特征。 但較單一煤層開采，下煤層開采時周期性來壓的強度較低且規(guī)律性不強。