大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板應(yīng)力傳遞路徑傾角效應(yīng)

羅生虎，王 同，田程陽(yáng)，高喜才，郎 丁，王紅偉

(1.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，廣泛賦存于我國(guó)各大礦區(qū)，其儲(chǔ)量為1 800億～3 600億t，產(chǎn)量為1.5億～3.0億t，分別占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量和產(chǎn)量的10%～20%和5%～8%，且50%以上的大傾角煤層為優(yōu)質(zhì)的焦煤和無(wú)煙煤。大傾角煤層走向長(zhǎng)壁工作面安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵是對(duì)“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制，而頂板作為工作面該系統(tǒng)的構(gòu)成元素和施載體，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

大傾角煤層成煤環(huán)境復(fù)雜，安全高效開(kāi)采難度極大。近年來(lái)，眾多礦業(yè)高等院校、科研院所和煤炭企業(yè)的專(zhuān)家、學(xué)者和工程技術(shù)人員從不同角度對(duì)大傾角中厚煤層長(zhǎng)壁綜采、厚煤層長(zhǎng)壁綜放開(kāi)采、煤層群聯(lián)合開(kāi)采等不同開(kāi)采方式下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、圍巖應(yīng)力的分布特征與空間展布形態(tài)、頂?shù)装鍘r層的變形破壞運(yùn)動(dòng)規(guī)律與巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)、煤層開(kāi)采后引起的地表沉陷、頂?shù)装鍘r層交互影響下“支架-圍巖”系統(tǒng)的耦合作用機(jī)理與穩(wěn)定性控制、支架與設(shè)備下滑傾倒機(jī)理及可能引發(fā)的圍巖災(zāi)害等方面展開(kāi)了研究與探索，推動(dòng)了大傾角煤層開(kāi)采理論與技術(shù)的不斷進(jìn)步，并成功實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)煤層在特定條件下由非機(jī)械化開(kāi)采向走向長(zhǎng)壁綜采(綜放)技術(shù)的變革，較大地改善了大傾角煤層開(kāi)采安全性差的狀況。但頂板穩(wěn)定性控制難度大、支架與設(shè)備易下滑傾倒、底板破壞滑移等安全問(wèn)題仍是制約該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用與推廣的難題。

煤層傾角是導(dǎo)致大傾角煤層開(kāi)采圍巖采動(dòng)力學(xué)行為復(fù)雜的根源。一些學(xué)者在試件尺度上對(duì)不同傾角條件下煤巖組合體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度準(zhǔn)則等問(wèn)題展開(kāi)了研究，揭示了煤層傾角對(duì)煤巖組合體力學(xué)行為的影響。但在大傾角煤層開(kāi)采中，受煤層傾角影響，圍巖應(yīng)力的傳遞演化特征遠(yuǎn)較一般傾角煤層開(kāi)采復(fù)雜時(shí)，采場(chǎng)空間不同區(qū)域圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境與受載歷程存在顯著差異，導(dǎo)致采場(chǎng)空間不同區(qū)域圍巖的損傷變形與破壞運(yùn)動(dòng)等亦存在顯著差異，造成在大傾角煤層開(kāi)采中對(duì)圍巖的穩(wěn)定性控制異常復(fù)雜，而目前鮮見(jiàn)針對(duì)大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采圍巖應(yīng)力傳遞路徑時(shí)空演化特征及其傾角效應(yīng)等宏觀力學(xué)行為方面的量化研究。

據(jù)此，筆者在已有研究工作基礎(chǔ)上，以新疆某礦25221工作面為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和理論分析相結(jié)合的研究方法，在綜合厘定與分析工作面礦壓顯現(xiàn)一般規(guī)律及其成因的基礎(chǔ)之上，對(duì)大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采頂板應(yīng)力傳遞路徑的非對(duì)稱(chēng)時(shí)空演化特征及其傾角效應(yīng)展開(kāi)系統(tǒng)性研究，研究結(jié)果對(duì)大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采圍巖失穩(wěn)致災(zāi)機(jī)理與防控技術(shù)等領(lǐng)域的研究具有一定的理論參考價(jià)值。

1 工程背景

新疆某礦25221工作面位于二采區(qū)5號(hào)煤層，工作面開(kāi)采標(biāo)高為+2 047～+2 120 m，走向長(zhǎng)度2 098 m，傾向長(zhǎng)度100 m。煤層傾角36°～46°，平均45°，煤密度1.35 t/m。煤層厚度3.58～9.77 m，采高4.5 m，煤堅(jiān)固性系數(shù)0.3～0.5，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。25221工作面采用綜合機(jī)械化大采高開(kāi)采工藝，采用下行割煤→上行清浮煤→移架→推移輸送機(jī)的工藝流程。根據(jù)工作面特殊的地質(zhì)條件，工作面支架額定工作阻力最終確定為6 500 kN，選用了60個(gè)ZZ6500/22/48四柱液壓支撐掩護(hù)式支架和3個(gè)ZZG6500/22/48過(guò)渡支架。

圖1 煤層綜合柱狀

2 支架工作阻力分區(qū)特征

為掌握工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)一般規(guī)律，為后續(xù)工作面安全、高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，在工作面傾向上、中、下部選取47號(hào)、29號(hào)和9號(hào)支架，采用KJ377型礦壓動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀，對(duì)支架工作阻力開(kāi)展了為期近4個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：

圖2 支架工作阻力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

(1)工作面傾向下部區(qū)域9號(hào)支架的平均工作阻力為3 505 kN，來(lái)壓期間的最大工作阻力為5 400 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為767.12 kN。工作面傾向中部區(qū)域29號(hào)支架的平均工作阻力為6 422 kN，來(lái)壓期間的最大工作阻力為9 390 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為1 358.17 kN。工作面傾向上部區(qū)域47號(hào)支架的平均工作阻力為4 985 kN，來(lái)壓期間的最大工作阻力為6 481 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為1 088.07 kN。

(2)工作面傾向下部區(qū)域支架的后柱載荷略小于前柱，后柱與前柱的載荷比在來(lái)壓前、中、后期分別為90.9%，85.71%，90.00%，平均為88.87%。工作面傾向中部區(qū)域支架的后柱載荷略大于前柱，后柱與前柱的載荷比在來(lái)壓前、中、后期分別為105.15%，108.57%，112.50%，平均為108.74%。工作面傾向上部區(qū)域支架的后柱載荷遠(yuǎn)小于前柱，后柱與前柱的載荷比在來(lái)壓前、中、后期分別為60.61%，45.45%，47.62%，平均為51.23%。

可以看出，在大傾角煤層開(kāi)采中，受煤層傾角影響，支架的受載特征復(fù)雜，區(qū)域性特征明顯。尤其是在工作面傾向中上部區(qū)域，支架非均衡受載特征顯著，偏載現(xiàn)象頻發(fā)，穩(wěn)定性控制難度大。究其原因，除了受采空區(qū)矸石非均勻充填、底板滑移、支承壓力非對(duì)稱(chēng)分布等因素影響外，煤層傾角影響下工作面頂板的非規(guī)則破壞運(yùn)動(dòng)是造成該現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。

頂板作為工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)的構(gòu)成元素和施載體，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。工作面頂板在其自重和上覆巖層載荷作用下的運(yùn)動(dòng)是必然和主動(dòng)的，而支架和底板的受載與行為響應(yīng)則是被動(dòng)的，當(dāng)頂板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，頂板與支架以及支架與底板間的相互作用關(guān)系亦隨之改變。受煤層傾角影響，采場(chǎng)空間不同區(qū)域頂板所處的應(yīng)力環(huán)境與受載歷程存在顯著差異，這種差異性導(dǎo)致采場(chǎng)空間不同區(qū)域頂板的變形破壞運(yùn)動(dòng)特征與頂板巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)與行為等亦存在顯著差異，如圖3所示(其中，為煤層傾角)，致使傾向不同區(qū)域支架受載與失穩(wěn)的區(qū)域特征明顯，且這一現(xiàn)象會(huì)隨著煤層傾角的增大而愈發(fā)明顯。因此，明確頂板采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑的時(shí)空演化特征及其傾角效應(yīng)，可為揭示該類(lèi)煤層開(kāi)采頂板的非對(duì)稱(chēng)變形破壞演化和工作面“支架-圍巖”系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)理等奠定基礎(chǔ)。

圖3 頂板與支架相互作用關(guān)系

3 采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑及其傾角效應(yīng)

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

鑒于數(shù)值計(jì)算具有可重復(fù)性，以下通過(guò)FLAC 3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件，構(gòu)建不同煤層傾角的計(jì)算模型，如圖4所示。并利用Fish語(yǔ)言對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在模型中布置測(cè)點(diǎn)、測(cè)線和測(cè)面，提取不同煤層傾角和推進(jìn)距離條件下的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合彈塑性理論對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，分析頂板采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑的時(shí)空演化特征及其傾角效應(yīng)。

圖4 數(shù)值模型示意

模型采用四邊形網(wǎng)格，寬270 m(方向)、長(zhǎng)1 000 m(方向)、高325 m(方向)，工作面長(zhǎng)度100 m，采高4.5 m，推進(jìn)步距5 m/步，推進(jìn)距離500 m。模型以實(shí)際工程地質(zhì)為依據(jù)，物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。在模型底部施加垂直位移約束，在模型前、后、左、右面施加水平位移約束。模型頂部施加2 MPa垂直載荷，模擬地層深度80 m。采用Mohr -Coulomb本構(gòu)模型、大應(yīng)變變形模式。對(duì)于不同煤層傾角的數(shù)值計(jì)算模型，以模型幾何中心為基準(zhǔn)點(diǎn)改變煤層傾角。除此之外，模型的采高、工作面長(zhǎng)度、巖層厚度、巖層物理力學(xué)性質(zhì)、邊界條件等均保持不變，模型信息見(jiàn)表2。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

表2 模型信息

3.2 支承壓力演化特征

支承壓力指煤層采出后，在圍巖應(yīng)力重新分布范圍內(nèi)，垂直作用在煤層、巖層和矸石上的壓力，是圍巖應(yīng)力傳遞演化結(jié)果的量化表征。據(jù)此，以工作面前方支承壓力峰值為特征量，分析不同煤層傾角條件下頂板應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。在近水平煤層開(kāi)采中，支承壓力為方向的應(yīng)力。但在大傾角煤層開(kāi)采中，方向的應(yīng)力與煤層間的夾角為π/2-。因此，在表征大傾角煤層開(kāi)采中的支承壓力時(shí)，需結(jié)合彈性理論對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。

由彈性理論可得，垂直作用于煤層平面上的正應(yīng)力、沿煤層傾向的切應(yīng)力n和沿煤層走向的切應(yīng)力n依次為

(1)

式中，，，為單元體斜截面上全應(yīng)力在坐標(biāo)軸方向的分量，N/m，可依次表示為

(2)

式中，，，分別為斜面的外法線方向與，，軸正方向夾角的余弦值；，，，，，為單元體的6個(gè)應(yīng)力分量，N/m。

在模型傾向中部沿走向布置測(cè)線(=134.5 m，=0～1 000 m，=159 m)，提取不同煤層傾角和推進(jìn)距離條件下的計(jì)算結(jié)果，由式(1)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，可得不同煤層傾角條件下工作面前方支承壓力峰值隨工作面推進(jìn)的演化規(guī)律如圖5所示，圖5中，為工作面推進(jìn)距離，為工作面傾向長(zhǎng)度。

圖5 不同煤層傾角條件下支承壓力峰值演化特征

由圖5可以看出，在不同煤層傾角條件下，工作面前方支承壓力峰值隨著工作面推進(jìn)的演化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)為先增大后保持穩(wěn)定的演化趨勢(shì)。當(dāng)推進(jìn)距離介于0～300 m(/<3)時(shí)，工作面前方支承壓力峰值隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大，但其增長(zhǎng)幅度在逐漸減小。而當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于300 m(>3)后，工作面前方支承壓力峰值基本保持不變。以煤層傾角45°為例，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到300 m時(shí)，支承壓力峰值增至11.5 MPa，集中系數(shù)為2.66，此后保持不變。

可以看出，在不同煤層傾角條件下，圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程基本一致，先后經(jīng)歷了增長(zhǎng)期和穩(wěn)定期，其對(duì)應(yīng)支承壓力峰值的演化呈現(xiàn)為先增大后趨于穩(wěn)定的特征。圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律主要受采空區(qū)的幾何形狀控制。當(dāng)<3時(shí)，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，頂板懸露面積逐步增大，覆巖空間結(jié)構(gòu)的幾何尺度逐漸增大，造成采空區(qū)上覆巖層向采空區(qū)四周煤體上傳遞的載荷隨之增大，導(dǎo)致采動(dòng)影響范圍、支承壓力等均隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大。而>3時(shí)，覆巖空間結(jié)構(gòu)成了“走向巷道”的情形，圍巖采動(dòng)應(yīng)力的傳遞演化特征趨于穩(wěn)定，其對(duì)應(yīng)工作面前方支承壓力峰值和超前采動(dòng)影響范圍等均保持不變。

3.3 采動(dòng)應(yīng)力傾向傳遞路徑及其傾角效應(yīng)

同時(shí)，由圖5可以看出，在任意回采階段，不同煤層傾角條件下的支承壓力峰值亦存在明顯差異，其反映了煤層傾角對(duì)圍巖應(yīng)力傳遞路徑的影響。以下基于不同煤層傾角條件下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，結(jié)合彈塑性理論，以主應(yīng)力為特征量，在圍巖應(yīng)力演化的穩(wěn)定區(qū)分析頂板采動(dòng)應(yīng)力的傳遞演化特征及其傾角效應(yīng)。

由彈性理論可知，煤巖體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)特征方程為

-+-=0

(3)

式中，為主應(yīng)力，N/m，=1，2，3；，和為應(yīng)力函數(shù)，可表示為

(4)

聯(lián)立式(3),(4)可求解出的3個(gè)實(shí)根，其對(duì)應(yīng)煤巖體的3個(gè)主應(yīng)力，，，即

(5)

(6)

對(duì)應(yīng)主應(yīng)力的方向余弦，，可表示為

(7)

式中，n為應(yīng)力函數(shù)，可表示為

n=(-)(-)

(8)

當(dāng)工作面推進(jìn)距離為400 m時(shí)，在采空區(qū)走向中部沿工作面傾向布置測(cè)面，提取不同煤層傾角條件下的計(jì)算結(jié)果，由式(5)，(7)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，可得不同煤層傾角條件下采空區(qū)中部?jī)A向剖面內(nèi)頂板采動(dòng)應(yīng)力的傳遞演化特征如圖6所示。由圖6可以看出：

圖6 不同煤層傾角條件下傾向剖面頂板應(yīng)力傳遞演化特征

(1)受煤層傾角影響，頂板應(yīng)力的傳遞路徑存在較明顯的非對(duì)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)特征，如圖6(a)～(e)所示。應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線(指主應(yīng)力方向未發(fā)生偏轉(zhuǎn)的臨界位置曲線)左側(cè)的上覆巖層載荷向工作面傾向下側(cè)煤體傳遞，右側(cè)的上覆巖層載荷向工作面傾向上側(cè)煤體傳遞。沿頂板自上而下，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)位置由工作面傾向中軸線(=134.5 m)左側(cè)逐漸向其右側(cè)遷移。以煤層傾角45°為例，在頂板高位巖層中(= 325 m)，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)位置在中軸線左側(cè)，與中軸線的距離為15 m；在頂板低位巖層中(=200 m)，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)位置在中軸線右側(cè)，與中軸線的距離為8 m，如圖6(c)所示。

(2)隨著煤層傾角的增大，圍巖應(yīng)力傳遞的非對(duì)稱(chēng)特性增強(qiáng)，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線向工作面傾向中軸線左側(cè)的偏移量逐漸增大；當(dāng)煤層傾角為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，模型頂部巖層的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)位置在工作面傾向中軸線左側(cè)，且2者間的距離依次為11，14，15，17，19 m。應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線與工作面傾向中軸線交點(diǎn)的高度(方向坐標(biāo))呈現(xiàn)為增—減—增的演化趨勢(shì)；當(dāng)煤層傾角為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，交點(diǎn)位置處方向的坐標(biāo)值分別為227，234，227，225，229 m，如圖6(f)所示。

(3) 受煤層傾角影響，頂板巖層的傾向剖面內(nèi)形成了較明顯的非對(duì)稱(chēng)拱形應(yīng)力傳遞包絡(luò)特征。應(yīng)力拱的拱腳在工作面傾向上、下側(cè)煤體中，拱頂位置可近似通過(guò)應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線與工作面傾向中軸線的交點(diǎn)位置確定。在應(yīng)力拱外部，頂板應(yīng)力的傳遞呈現(xiàn)為上覆巖層載荷向工作面傾向上、下側(cè)煤體上的轉(zhuǎn)遞，主應(yīng)力值明顯增大，方向向應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線兩側(cè)旋轉(zhuǎn)。在應(yīng)力拱內(nèi)部，形成較明顯的應(yīng)力釋放區(qū)，主應(yīng)力值明顯減小，方向亦發(fā)生明顯變化。尤其是在工作面傾向中上部區(qū)域的低位頂板巖層中，頂板的受力狀態(tài)由雙向受壓演變?yōu)閱蜗蚴芾?，部分區(qū)域甚至演變?yōu)殡p向受拉，如圖6(a)～(e)中區(qū)域A所示。

(4)隨著煤層傾角的增大，頂板傾向應(yīng)力拱的非對(duì)稱(chēng)特性愈發(fā)明顯。頂板非對(duì)稱(chēng)拱形應(yīng)力釋放區(qū)范圍明顯減小，拱頂位置向工作面傾向上側(cè)遷移，拱高呈現(xiàn)先增大后減小的演化趨勢(shì)。當(dāng)煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，拱頂在垂直煤層方向的投影位置與工作面傾向上側(cè)煤體的距離分別為12.7，3.7，4.0，1.7和-4.8 m(負(fù)值表示拱頂投影位置位于工作面傾向上側(cè)煤體上)，拱高分別為53.2，55.1，45.9，40.5和38.4 m，如圖6(a)～(e)所示。

頂板采動(dòng)應(yīng)力沿工作面傾向的非對(duì)稱(chēng)傳遞演化特性，決定了傾向上、下側(cè)煤體的受載特征。在采空區(qū)走向中部沿工作面傾向布置測(cè)線，可得不同煤層傾角條件下采空區(qū)中部工作面傾向上、下側(cè)支承壓力演化特征如圖7所示。由圖7可以看出：

圖7 不同煤層傾角條件下工作面傾向上、下側(cè)支承壓力演化特征

(1) 受煤層傾角影響，工作面傾向下側(cè)煤體的埋深大于上側(cè)，導(dǎo)致傾向下側(cè)煤體的支承壓力亦大于上側(cè)。且隨著煤層傾角的增大，圍巖自重的傾向分量增大、垂向分量減小，造成工作面傾向上、下側(cè)支承壓力均隨著煤層傾角的增大而減小。當(dāng)煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，傾向上側(cè)支承壓力峰值分別為8.79，8.09，7.27，6.31，5.49 MPa，傾向下側(cè)支承壓力峰值分別為10.07，9.44，8.85，7.57，6.53 MPa。

(2) 受頂板采動(dòng)應(yīng)力沿工作面傾向的非對(duì)稱(chēng)傳遞演化特征影響(應(yīng)力拱外側(cè)的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線位于工作面傾向中軸線左側(cè))，傾向上側(cè)支承壓力集中系數(shù)大于下側(cè)；且隨著煤層傾角的增大，傾向上側(cè)支承壓力集中系數(shù)呈現(xiàn)出增—減—增的演化趨勢(shì)(與應(yīng)力拱拱頂方向坐標(biāo)分量的演化規(guī)律一致)，而傾向下側(cè)支承壓力集中系數(shù)則呈現(xiàn)出減—增—減的演化趨勢(shì)。當(dāng)煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，傾向上側(cè)支承壓力集中系數(shù)分別為2.09，2.12，2.11，2.05，2.07，而傾向下側(cè)支承壓力集中系數(shù)分別為1.860，1.856，1.870，1.740，1.680。

(3) 受工作面傾向下側(cè)支承壓力大于傾向上側(cè)的影響，傾向下側(cè)支承壓力峰值位置和采動(dòng)影響范圍均大于上側(cè)；且隨著煤層傾角的增大，傾向上、下側(cè)采動(dòng)影響范圍呈現(xiàn)出增—減—增與減—增—減的演化趨勢(shì)(與傾向上、下側(cè)支承壓力集中系數(shù)的演化規(guī)律相反)。當(dāng)煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，傾向上側(cè)支承壓力峰值位置距離煤壁分別為0.2，0.3，0.5，0.8，1.9 m，采動(dòng)影響范圍分別為42，44，37，44，44 m；傾向下側(cè)支承壓力峰值位置距離煤壁分別為12，14，15，17，17 m，采動(dòng)影響范圍分別為51，50，54，53，53 m。

3.4 采動(dòng)應(yīng)力走向傳遞路徑及其傾角效應(yīng)

同理，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為400 m時(shí)，在工作面傾向中部沿走向布置測(cè)面，可得不同煤層傾角條件下工作面傾向中部走向剖面內(nèi)頂板采動(dòng)應(yīng)力的傳遞演化特征，如圖8所示。由于走向剖面內(nèi)頂板應(yīng)力沿采空區(qū)中部對(duì)稱(chēng)，因此在圖8只顯示了由采空區(qū)中部至工作面前方50 m范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。由圖8可以看出：

圖8 不同煤層傾角條件下走向剖面頂板應(yīng)力傳遞演化特征

(1)不同煤層傾角條件下，頂板采動(dòng)應(yīng)力沿走向的傳遞演化特征基本一致，頂板巖層內(nèi)形成了較明顯的扁平拱(當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長(zhǎng)度之比小于3時(shí)為對(duì)稱(chēng)拱)形應(yīng)力傳遞包絡(luò)特征。扁平拱的前、后拱腳分別位于采空區(qū)走向兩側(cè)煤體上，拱高可由圖6中的傾向拱確定(即，隨著煤層傾角的增大，走向拱的拱高亦呈現(xiàn)出先增大后減小的演化趨勢(shì)，拱頂方向的坐標(biāo)亦呈現(xiàn)為增—減—增的演化趨勢(shì))。應(yīng)力拱內(nèi)部形成應(yīng)力釋放區(qū)，主應(yīng)力值顯著減小，方向發(fā)生明顯變化，如圖8(a)～(e)中區(qū)域A所示。

(2)在距離工作面1.5(圖8中坐標(biāo)介于50～200 m)范圍的頂板應(yīng)力雙向傳遞區(qū)內(nèi)，上覆巖層載荷沿走向的傳遞路徑呈現(xiàn)出半拱形包絡(luò)特征。該區(qū)域應(yīng)力拱外側(cè)的上覆巖層載荷除了向工作面前方煤體傳遞外，亦向工作面傾向上、下側(cè)煤體傳遞，且離工作面越近，其對(duì)應(yīng)上覆巖層載荷向工作面前方煤體傳遞的越多，而向傾向兩側(cè)煤體傳遞的越少。即，離工作面越近，第1主應(yīng)力的大小增幅和方向偏轉(zhuǎn)角度越大，如圖8(a)～(e)中區(qū)域B所示。

(3)在距離工作面1.5以外(圖8中坐標(biāo)介于200～250 m的區(qū)域)深部采空區(qū)的頂板應(yīng)力單向傳遞區(qū)內(nèi)，應(yīng)力拱外側(cè)的上覆巖層主應(yīng)力方向未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖8(a)～(e)中區(qū)域C所示，未出現(xiàn)沿走向的應(yīng)力傳遞現(xiàn)象。結(jié)合圖5中工作面前方支承壓力峰值隨工作面推進(jìn)的演化特征，以及圖6，7關(guān)于頂板采動(dòng)應(yīng)力的傾向傳遞演化特征可知，該區(qū)域傾向拱的拱高保持不變，且應(yīng)力拱外側(cè)的上覆巖層載荷主要向工作面傾向上、下側(cè)煤體傳遞。

頂板采動(dòng)應(yīng)力沿工作面走向的傳遞演化規(guī)律，決定了采空區(qū)走向兩側(cè)煤體的受載特征。在工作面傾向中部沿走向布置測(cè)線，可得不同煤層傾角條件下工作面前方支承壓力演化特征如圖9所示。由圖9可以看出：

圖9 不同煤層傾角條件下工作面走向支承壓力演化特征

(1) 在原巖應(yīng)力狀態(tài)下，隨著煤層傾角的增大，圍巖自重的垂向分量減小，支承壓力亦逐漸減小。但在工作面回采過(guò)程中，受頂板應(yīng)力傳遞的非對(duì)稱(chēng)演化特征影響，隨著煤層傾角的增大，支承壓力峰值和集中系數(shù)均呈現(xiàn)為增—減—增的演化趨勢(shì)(與拱頂方向坐標(biāo)的演化規(guī)律一致)，而支承壓力峰值位置和超前采動(dòng)影響范圍的變化不明顯。

(2) 當(dāng)煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時(shí)，工作面前方支承壓力峰值分別為14.5，15.7,11.5，10.6，11.9 MPa，支承壓力集中系數(shù)分別為2.84，3.34，2.66，2.69，3.44，峰值位置位于煤壁前方2.5，2，3，3，3 m，采動(dòng)影響范圍41，42，43，44，42 m。

綜合上述分析可以看出，在大傾角煤層開(kāi)采中，圍巖應(yīng)力的傳遞演化特征遠(yuǎn)較一般傾角煤層開(kāi)采時(shí)復(fù)雜。受煤層傾角影響，圍巖應(yīng)力的三維傳遞演化特征沿走向?qū)ΨQ(chēng)、沿傾向非對(duì)稱(chēng)，其隨工作面推進(jìn)的演化特征與覆巖空間結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律一致。當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長(zhǎng)度之比<3時(shí)，圍巖應(yīng)力處于增長(zhǎng)階段，采空區(qū)周?chē)后w上的支承壓力隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大，但其增長(zhǎng)幅度逐漸減?。欢?dāng)>3時(shí)，圍巖應(yīng)力演化趨于穩(wěn)定，支承壓力保持不變。在工作面傾向剖面內(nèi)，圍巖應(yīng)力的傳遞路徑呈非對(duì)稱(chēng)拱形形態(tài)，采空區(qū)上覆巖層載荷以應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線為界分別向傾向上、下側(cè)煤體中傳遞。在工作面走向剖面內(nèi)，圍巖應(yīng)力的傳遞路徑呈扁平拱(當(dāng)<3時(shí)為對(duì)稱(chēng)拱)形態(tài)，扁平拱兩側(cè)半拱形區(qū)域上覆巖層載荷分別向工作面走向兩側(cè)煤體以及傾向上、下側(cè)煤體傳遞，而扁平拱中間直線段區(qū)域上覆巖層載荷則向傾向上、下側(cè)煤體傳遞。同時(shí)，需要說(shuō)明的是，本文僅是對(duì)一般條件下大傾角煤層單一工作面開(kāi)采時(shí)的頂板應(yīng)力傳遞演化特征及其傾角效應(yīng)進(jìn)行了研究，未考慮諸如開(kāi)采方式、工作面布置、關(guān)鍵層、斷層、褶曲等因素對(duì)圍巖采動(dòng)應(yīng)力演化的影響，這需要在后續(xù)研究中結(jié)合具體工程背景分析。

4 結(jié) 論

(1) 圍巖采動(dòng)應(yīng)力的非對(duì)稱(chēng)時(shí)空演化特征造成工作面不同區(qū)域頂板所處的應(yīng)力環(huán)境與受載歷程等存在差異，這種差異性使得頂板的破壞運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)研究等存在較明顯的區(qū)域特征，導(dǎo)致工作面傾向不同區(qū)域支架的受載與失穩(wěn)特征存在顯著差異，且這一現(xiàn)象會(huì)隨著煤層傾角的增大而愈發(fā)嚴(yán)重。

(2) 圍巖應(yīng)力的傳遞演化特征與覆巖空間結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律一致。當(dāng)工作面推進(jìn)距離與工作面長(zhǎng)度之比<3時(shí)，圍巖應(yīng)力處于增長(zhǎng)期，采動(dòng)影響范圍、支承壓力等均隨著工作面推進(jìn)距離的增大而增大；而當(dāng)>3時(shí)，圍巖應(yīng)力演化處于穩(wěn)定期，支承壓力等均保持不變。

(3) 在工作面傾向方向，圍巖應(yīng)力的傳遞路徑呈非對(duì)稱(chēng)拱形形態(tài)，沿頂板自上而下，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)位置由工作面傾向中軸線左側(cè)逐漸向其右側(cè)遷移。上覆巖層載荷以應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線為界分別向傾向上、下側(cè)煤體傳遞，導(dǎo)致工作面傾向上側(cè)支承壓力集中系數(shù)大于下側(cè)。

(4) 在工作面走向方向，頂板應(yīng)力的傳遞路徑呈扁平拱形態(tài)，扁平拱直線段區(qū)域上覆巖層載荷向工作面傾向上、下側(cè)煤體傳遞，而扁平拱兩側(cè)半拱形區(qū)域上覆巖層載荷除了向工作面走向兩側(cè)煤體傳遞外，亦向工作面傾向上、下側(cè)煤體傳遞。

(5) 隨著煤層傾角的增大，頂板應(yīng)力傳遞演化的非對(duì)稱(chēng)特性愈發(fā)明顯，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)界線與工作面傾向中軸線間的距離逐步增大。受此影響，工作面走向和傾向上側(cè)支承壓力峰值系數(shù)隨煤層傾角增大呈現(xiàn)出增—減—增的演化趨勢(shì)，而傾向下側(cè)支承壓力峰值系數(shù)則呈現(xiàn)為減—增—減的演化趨勢(shì)。