大傾角大采高采場(chǎng)塑性區(qū)分布及主控因素分析

張 浩 ，伍永平 ，解盤石

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院, 陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054）

0 引 言

大傾角煤層在西部礦井賦存廣泛，受煤層傾角等多元因素影響，此類工作面機(jī)械化產(chǎn)效普遍較低，圍巖控制難度大，因此，大傾角厚煤層多采用綜放開采方式，但此種開采方式多會(huì)因放煤量不充分造成資源浪費(fèi)，而該類煤層多為稀缺性優(yōu)質(zhì)煤種，采用大采高綜采可克服上述缺陷[1]，對(duì)此，諸如2130 礦、花山礦等有該類煤層的礦井進(jìn)行了大采高技術(shù)實(shí)踐，產(chǎn)效雖明顯提升，但仍存在煤壁片幫頻繁等技術(shù)缺陷，2130 礦大傾角大采高工作面觀測(cè)期間煤壁片幫幾乎每班次均會(huì)發(fā)生，且片幫范圍廣，嚴(yán)重制約了大傾角煤層大采高工作面高效化生產(chǎn)。

大傾角大采高工作面圍巖穩(wěn)定是其安全、高效化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而這其中的關(guān)鍵是要保證“R-S-F”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定[2]，此類條件承壓系統(tǒng)又是以不同形式多維化存在，且彼此之間聯(lián)動(dòng)制約，煤壁作為承載結(jié)構(gòu)成分，其一旦失穩(wěn)，又會(huì)誘發(fā)支架失穩(wěn)等動(dòng)力災(zāi)害，可見，煤壁穩(wěn)定性狀態(tài)對(duì)促進(jìn)大傾角煤層大采高開采十分關(guān)鍵。為解決此類煤層開采難題，諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[3]提出了大傾角工作面支架-圍巖承載系統(tǒng)控制模式，文獻(xiàn)[4]得出大傾角大采高工作面圍巖運(yùn)移規(guī)律及與支架協(xié)同性作用關(guān)系，文獻(xiàn)[5-7]分別用邊坡穩(wěn)定性理論（結(jié)合概率分析法）、壓桿理論、Mises 準(zhǔn)則理論分析得出大采高工作面煤壁片幫影響因素、形式等，文獻(xiàn)[8-9]采用數(shù)值計(jì)算、理論分析法明確了大采高工作面塑性區(qū)分布、應(yīng)力演化等規(guī)律，文獻(xiàn)[10-11]基于實(shí)測(cè)結(jié)果建立煤壁片幫力學(xué)模型，并提出失穩(wěn)判斷模式，文獻(xiàn)[12]揭示了夾矸層與大采高工作面煤壁失穩(wěn)關(guān)系，文獻(xiàn)[13]建立了極軟煤層煤壁力學(xué)模型，文獻(xiàn)[14]揭示了大傾角近距煤層群低位大采高工作面煤壁片幫機(jī)理，文獻(xiàn)[15-17]確定了大傾角大采高工作面煤壁承載、運(yùn)移特征，片幫形成機(jī)理及致災(zāi)機(jī)制，文獻(xiàn)[18]采用相似材料實(shí)驗(yàn)得出大采高復(fù)合煤壁片幫形成機(jī)制，文獻(xiàn)[19-20]得出多層開采、大傾角等條件下大采高軟煤災(zāi)變機(jī)理及控制措施，王紅偉等[21]揭示出傾角效應(yīng)下大傾角大采高工作面煤壁承壓力學(xué)行為演變規(guī)律，文獻(xiàn)[22]利用壓桿理論分析出大傾角大采高煤壁片幫機(jī)理，文獻(xiàn)[23]基于層次分析法、云理論構(gòu)建出大傾角煤壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)云模型。文獻(xiàn)表明，大傾角大采高工作面支架與圍巖關(guān)系研究多聚焦于支架與頂板結(jié)構(gòu)互相作用，對(duì)于煤壁失穩(wěn)災(zāi)變方面的研究雖建立了各種煤壁片幫力學(xué)模型，但大都基于特定開采條件，適用局限性仍較大，且多是針對(duì)開采傾角較小的煤層，大傾角大采高條件下煤壁研究主要集中于片幫機(jī)理、控制技術(shù)方面，文獻(xiàn)量較少，故大傾角大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制仍需進(jìn)一步研究。綜合采用理論分析、數(shù)值計(jì)算方法，研究大傾角大采高工作面塑性區(qū)分布規(guī)律，確定煤壁穩(wěn)定性主控影響因素類型及其作用效能，從而為此類煤層開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景及模型構(gòu)建

1.1 工作面生產(chǎn)技術(shù)條件

25221 工作面開采標(biāo)高為+2 047～+2 120 m，煤層平均厚度5.77 m，普氏系數(shù)f＝0.3～0.5，煤層傾角36°～46°，平均44°。工作面直接頂為灰白色含礫粗砂巖，厚度2.32 m，基本頂由含礫中砂巖等組成，厚度16.59 m，抗壓強(qiáng)度62.56 MPa，直接底為炭質(zhì)泥巖，厚度2.46 m，抗壓強(qiáng)度11.02 MPa，基本底為粉砂巖、粗砂巖，厚度17.06 m，抗壓強(qiáng)度79.04 MPa。工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法，機(jī)采高度3.5～4.8 m，頂板采用全部垮落法管理，屬于典型的大傾角大采高工作面。煤層綜合柱狀如圖1 所示。

圖1 煤層柱狀Fig.1 Coal seam histogram

1.2 數(shù)值模型及參數(shù)

基于開采條件建立大傾角大采高工作面數(shù)值計(jì)算模型（圖2），采用Brick 單元構(gòu)建煤巖體，采用大變形應(yīng)變模式及Mohr-Coulomb 本構(gòu)模擬計(jì)算。模型底部、前后及側(cè)部分別進(jìn)行固定，模型側(cè)部留設(shè)47 m 邊界，前后側(cè)留設(shè)20 m 邊界。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

2 大傾角大采高工作面塑性區(qū)分布

2.1 塑性區(qū)應(yīng)力分布

大傾角煤層大采高工作面煤層開采形成大范圍采空區(qū)，圍巖所處原始三維應(yīng)力平衡態(tài)遭到破壞，覆巖進(jìn)而向采空區(qū)內(nèi)運(yùn)移，頂壓在此過程中隨之遷移，硬頂具有強(qiáng)傳載性，使得頂壓經(jīng)巖梁向工作面前方煤體轉(zhuǎn)移形成超前支承壓力，而支承壓力傳播過程中最先會(huì)在煤壁鄰域內(nèi)集聚，促使煤體變形塑性化，并在煤壁前方一定范圍形成塑性變形區(qū)，且塑性區(qū)分布廣度會(huì)隨工作面推移不同程度擴(kuò)展（圖3）。由于塑性變形具有不可恢復(fù)性，煤體形變量會(huì)持續(xù)累積，因而塑性區(qū)影響下煤壁鄰域內(nèi)煤體將會(huì)始終處于預(yù)裂態(tài)，承壓性能轉(zhuǎn)變，超前支承壓力疊加性作用，極易誘使近煤壁煤體破斷而結(jié)構(gòu)離散后致災(zāi)。

圖3 大傾角大采高工作面走向塑性區(qū)演變Fig.3 Evolution of strike plastic zone of large mining height face in steeply dipping coal seam

大傾角大采高工作面前方煤體塑性區(qū)內(nèi)承壓仍為三維態(tài)，因此，可沿工作面傾向某處取微元體構(gòu)建煤壁三維力學(xué)模型（圖4），長(zhǎng)為1，厚為dx（走向），高為M（采高），三維承壓分別為σx、σy、σz，x方向由于煤體不同程度破壞，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力不規(guī)則分布，故厚度dx影響不容忽視，距煤壁dx處應(yīng)力為σx+dσx，上下、左右兩側(cè)應(yīng)力變化量忽略，傾角效應(yīng)下，豎直應(yīng)力σz，圍巖應(yīng)力σy會(huì)分解成σ'z、σ'y，從而對(duì)煤體形成壓縮作用，小塊體與頂?shù)装?、煤體的摩擦力分別為τ'z、τ'y，煤層傾角為α，將小塊體旋轉(zhuǎn)α角，并力學(xué)分解簡(jiǎn)化（圖4b）。

圖4 煤體應(yīng)力分析模型Fig.4 Coal stress analysis model

應(yīng)力計(jì)算式如下：

式中：c、c'分別為煤體與頂?shù)装?、煤體接觸面的黏聚力；f、f '分別為煤體與頂?shù)装?、煤體接觸面的摩擦力系數(shù)；φ、φ'分別為煤體與頂?shù)装?、煤體接觸面的內(nèi)摩擦角；σ'z、σ'y分別為σz、σy垂直所在面分力。

基于x方向應(yīng)力平衡可得：

煤體采出后煤壁臨空側(cè)水平應(yīng)力σx釋放，導(dǎo)致（頂板）垂直應(yīng)力σ'z遠(yuǎn)大于σx，因此可得：

為便于計(jì)算中間主應(yīng)力σ2（σ2= –σ'y），將煤體傾向（σ'y作用方向）形變假定為0，根據(jù)平面應(yīng)變公式得：

結(jié)合D-P-Y 準(zhǔn)則[24]，并依據(jù)邊界條件，化簡(jiǎn)可得煤壁前方支承壓力σz[25]：

大傾角大采高工作面走向上頂板巖層會(huì)形成梯次曲拱卸壓區(qū)（圖5），應(yīng)力僅維持在較低水平，強(qiáng)度約為0.1～0.5 MPa，這是由覆巖大幅運(yùn)移后應(yīng)力充分釋放所造成的，而覆巖運(yùn)移又會(huì)形成頂板壓力，并超前煤壁形成支承壓力σz擾動(dòng)區(qū)，頂板運(yùn)移卸壓量與頂壓強(qiáng)度正向相關(guān)，即頂板大尺度運(yùn)移時(shí)，巖層內(nèi)集中壓載可獲充分釋放，覆巖受擾動(dòng)范圍擴(kuò)展，且該范圍內(nèi)巖層大幅離散化，致使頂壓強(qiáng)度顯著提升，而頂壓又與σz密切相關(guān)，則σz作用強(qiáng)度隨之增加，此類工作面亦具有周期性來壓現(xiàn)象，進(jìn)而σz會(huì)在來壓期間急劇增加，迫使煤壁鄰域內(nèi)煤體處于嚴(yán)重性臨界失穩(wěn)態(tài)。

由式（5）可知，超前支承壓力在塑性區(qū)內(nèi)分布形式呈指數(shù)曲線式遞增，煤壁處（x=0）壓力強(qiáng)度低，鄰域煤體受殘余支承壓力作用，超前煤壁x處達(dá)到峰值，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果（圖5）亦表明，支承壓力沿工作面走向在煤體內(nèi)區(qū)段式分布，煤壁鄰域內(nèi)煤體大幅卸壓，壓力僅為0.5～1 MPa，卸壓區(qū)形態(tài)呈非對(duì)稱拱狀，拱頂偏向于垂向煤壁中上部，壓力強(qiáng)度由外向內(nèi)梯次性增加，并于煤壁前方5～8 m 處壓力集中，壓力強(qiáng)度增至峰值達(dá)6.5 MPa 以上。分析可知，支承壓力在煤壁前方散播是以煤體移動(dòng)形變消耗進(jìn)而作用強(qiáng)度、位置、影響范圍動(dòng)態(tài)變換來實(shí)現(xiàn)，煤壁附近煤體首先會(huì)遭受支承壓力集中作用，進(jìn)而形變大幅塑性化發(fā)展，并隨著煤體塑性態(tài)深化，其內(nèi)部會(huì)逐步衍生出次生裂隙，并與原生裂隙等弱結(jié)構(gòu)耦合發(fā)育破壞煤體結(jié)構(gòu)，支承壓力進(jìn)而向煤體深部轉(zhuǎn)移，且由于煤體沿走向不同程度破壞，使得應(yīng)力釋放量異化，故分布表現(xiàn)出梯度分區(qū)特征。

大傾角大采高工作面超前支承壓力按照強(qiáng)度可分為低值卸壓、高強(qiáng)增壓、穩(wěn)壓區(qū)，且煤壁鄰域煤體主要處于支承壓力增壓、卸壓影響區(qū)，即便是卸壓區(qū)內(nèi)煤體承壓也并未完全消耗，仍受低強(qiáng)支承壓力作用，工作面前移后，揭露新煤壁前方又會(huì)重新形成支承壓力擾動(dòng)區(qū)，并與煤體內(nèi)殘存支承壓力作用疊加，使得煤壁鄰域內(nèi)煤體極易受重復(fù)性壓載作用，且隨著工作面煤壁位置動(dòng)態(tài)變化，煤壁力學(xué)響應(yīng)塑性化演變程度會(huì)逐步加劇，表現(xiàn)出塑性變形量增加、分布范圍擴(kuò)展，當(dāng)至塑性極值時(shí)，煤體承壓響應(yīng)模式將隨之轉(zhuǎn)變，由位移形變等量值演變過渡為煤體質(zhì)態(tài)劣化，結(jié)構(gòu)破斷后形成游離煤塊，塑性區(qū)亦隨之分區(qū)化分布，由煤壁向內(nèi)依次為碎裂區(qū)、塑性形變區(qū)，碎裂區(qū)游離態(tài)塊體經(jīng)持續(xù)性支承壓力及塊體自重效應(yīng)誘導(dǎo)，從而發(fā)生片幫等災(zāi)變，與此同時(shí)，煤體承壓又將充分性釋放。

大傾角大采高工作面煤壁前方煤體承壓具有重復(fù)性，而煤壁承壓動(dòng)態(tài)演變又受制于頂板力學(xué)性狀。工作面礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表2）表明，25221 工作面頂板屬堅(jiān)硬巖層，回采期間，支架最大、平均工作阻力及周期來壓步距均較頂板弱化后開采時(shí)大，頂板經(jīng)預(yù)爆破弱化后，47、33、9 號(hào)架最大及平均工作阻力都會(huì)不同幅度下降，最大工作阻力降幅分別為6%、8%、10%，平均工作阻力降幅分別為11%、9%、12 %，周期來壓步距均減小55%，可見，頂板強(qiáng)度與頂壓擾動(dòng)效能正向相關(guān)，即頂板強(qiáng)度升高，支架阻力、周期來壓步距亦會(huì)隨之增加。工作面內(nèi)煤壁會(huì)與支架、矸石等介體承壓作用耦合形成控頂結(jié)構(gòu)，故硬頂工作面回采，煤壁及前方煤體承壓強(qiáng)度高，形變等破壞程度加劇，頂壓作用經(jīng)巖梁超前煤壁遷移距離增加，支承壓力擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，同時(shí)，周期來壓步距大，巖梁不能及時(shí)斷裂卸壓，導(dǎo)致煤壁鄰域煤體承壓時(shí)間延長(zhǎng)，從而隨著煤壁位置變化，支承壓力與殘存壓力耦合作用增強(qiáng)，煤體承壓循環(huán)疊加程度升高，使其處于近似疲勞損傷態(tài)，因此，頂板強(qiáng)度與煤體承壓成正比，而與其穩(wěn)定性狀態(tài)負(fù)向相關(guān)。

綜上分析可知，煤壁鄰域內(nèi)煤體支承壓力循環(huán)性與塑性區(qū)分布密切相關(guān)，煤壁鄰域內(nèi)煤體失穩(wěn)前，由于塑性變形會(huì)弱化其承壓性，支承壓力超前煤壁擾動(dòng)范圍會(huì)一定擴(kuò)展，煤體承壓重復(fù)性次數(shù)及強(qiáng)度升高，且塑性區(qū)分布范圍越廣，重復(fù)循環(huán)作用程度會(huì)越高，隨著煤壁失穩(wěn)卸壓，工作面前方煤體承壓重復(fù)性次數(shù)及強(qiáng)度會(huì)有所降低。

2.2 塑性區(qū)范圍

大傾角大采高工作面煤壁前方支承壓力強(qiáng)度數(shù)倍于原巖應(yīng)力，迫使煤體塑性變形，減弱近煤壁煤體承壓能力，進(jìn)而高強(qiáng)壓載作用位置遷移，形成一定范圍塑性區(qū)，支承壓力峰值位置到煤壁區(qū)域內(nèi)煤體處于極限平衡態(tài)，域外煤體處于彈性變形態(tài)，故煤壁到支承壓力峰值區(qū)間x為塑性區(qū)范圍。設(shè)支承壓力峰值為k'γH，結(jié)合式（5）可得塑性區(qū)寬度：

式（6）表明，大傾角大采高工作面煤壁前方塑性區(qū)分布廣度與支承壓力強(qiáng)度間具有正相關(guān)性。傾角效應(yīng)下圍巖運(yùn)移力學(xué)環(huán)境異化，工作面傾向覆巖內(nèi)應(yīng)力非均勻性分布，且分布輪廓呈非對(duì)稱曲拱狀，拱頂偏向于工作面中上部，中上部區(qū)域覆巖內(nèi)應(yīng)力卸荷較下部明顯，具體表現(xiàn)為-0.5～0.1 MPa 低應(yīng)力區(qū)分布范圍廣，應(yīng)力卸荷擾動(dòng)層位高（圖6），而應(yīng)力卸荷主要發(fā)生途徑為覆巖運(yùn)移破壞消耗，且覆巖運(yùn)移狀況與頂壓作用密切聯(lián)系，說明頂壓作用亦會(huì)區(qū)域異化，工作面中上部頂壓大于下部。超前支承壓力是頂壓作用超前煤壁遷移的結(jié)果，其作用強(qiáng)度與頂壓正向相關(guān)，故工作面中上部煤體承壓強(qiáng)度較下部高，即中上部煤體承壓增壓系數(shù)k'大于下部，由式（6）可知，工作面中上部塑性區(qū)廣度大于下部。

大傾角大采高工作面數(shù)值計(jì)算結(jié)果（圖7）表明，傾角效應(yīng)下工作面內(nèi)塑性區(qū)超前煤壁距離隨工作面傾向位置變化而區(qū)域非對(duì)稱性分布，輪廓形態(tài)呈梯級(jí)拱狀，塑性區(qū)分布范圍表現(xiàn)為上部大于中部大于下部，而這與式（6）分析結(jié)果充分契合，更加說明大傾角大采高工作面塑性區(qū)分布區(qū)域異化性。大傾角大采高工作面煤壁前方塑性區(qū)分布范圍隨推進(jìn)距增加會(huì)分區(qū)差異性擴(kuò)展，且工作面中上部塑性區(qū)增幅大于下部。

圖7 大傾角大采高工作面傾向煤壁前方塑性區(qū)演變Fig.7 Tendency evolution of plastic zone in front of coal wall of large mining height face in steeply dipping coal seam

大傾角大采高工作面軟煤壁塑性化變形是其結(jié)構(gòu)斷裂進(jìn)而游離災(zāi)變的前提，塑性變形量累積超過其變形閾值后，煤體狀態(tài)將由行為量變轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)質(zhì)變，因此，煤壁失穩(wěn)深度與塑性區(qū)寬度聯(lián)系緊密，即煤壁失穩(wěn)程度會(huì)受塑性區(qū)分布廣度影響，且塑性區(qū)范圍廣域時(shí)，持續(xù)性支承壓力σz作用下煤體失穩(wěn)范圍及程度亦隨之增加。而大傾角開采條件由于角度影響，工作面前方塑性區(qū)分區(qū)異化式分布，故煤壁失穩(wěn)亦會(huì)區(qū)域性異化，塑性區(qū)越大，臨界失穩(wěn)態(tài)煤體破壞加劇，失穩(wěn)幾率升高，加之煤體自重作用不可忽略，游離態(tài)煤塊脫離母體煤壁后容易滑幫致災(zāi)。

2.3 煤壁穩(wěn)定性影響因素類型

大傾角大采高工作面超前支承壓力是誘發(fā)煤壁失穩(wěn)的主要力源，而支承壓力在煤壁前方散播過程同時(shí)伴隨著煤體的變形消耗，煤壁鄰域內(nèi)煤體由于臨空側(cè)卸壓及高強(qiáng)支承壓力作用將處于類“卸側(cè)壓-加軸壓”承壓環(huán)境下，迫使煤體塑性變形形成塑性區(qū)，且隨著煤壁位置動(dòng)態(tài)變化，塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力作用強(qiáng)度及范圍均會(huì)隨之動(dòng)態(tài)變化，且支承壓力越大，塑性區(qū)范圍越廣，新揭露煤壁承壓強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性狀況惡化，此外，塑性區(qū)范圍又會(huì)影響煤壁失穩(wěn)深度，同時(shí)影響煤體承壓疊加狀態(tài)，可見煤壁穩(wěn)定性與塑性區(qū)應(yīng)力及范圍具有負(fù)相關(guān)性，因此，塑性區(qū)分布影響因素亦會(huì)影響煤壁穩(wěn)定性。

式（5）、式（6）表明，大傾角大采高工作面煤壁前方塑性區(qū)應(yīng)力及分布范圍影響因素具有多元性，包含煤層賦存地質(zhì)及開采技術(shù)2 方面，其中地質(zhì)方面影響因素包括煤體抗拉強(qiáng)度、煤體摩擦角、黏聚力、煤巖內(nèi)摩擦力、埋深等，開采技術(shù)制約性因素包括傾角、支架支護(hù)阻力、采高等。對(duì)于特定地質(zhì)條件下大傾角大采高開采，地質(zhì)條件為定值，而開采技術(shù)影響因素則可以通過技術(shù)參數(shù)優(yōu)化加以調(diào)整，使工作面開采良性化發(fā)展，因此，從可控性角度而言，開采技術(shù)條件是煤壁穩(wěn)定性控制關(guān)鍵，同時(shí)，鑒于該類工作面傾角、采高均較大的典型化開采特點(diǎn)，可將傾角、采高視為煤壁狀態(tài)主控因素，故本文主要分析主控因素與煤壁穩(wěn)定性聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

大傾角大采高工作面煤壁穩(wěn)定性狀態(tài)、程度主要受支承壓力及塑性區(qū)分布范圍影響，進(jìn)而根據(jù)工作面開采條件，選取參數(shù)c、c'分別為1.2、1.6 MPa，φ、φ'分別為25.5°、28°，抗拉強(qiáng)度σt為2 MPa，P為千斤頂最大推力386 kN，對(duì)式（5）、式（6）計(jì)算，確定出不同工況下支承壓力強(qiáng)度、塑性區(qū)寬度（圖8）。

圖8 不同工況下支承壓力及塑性區(qū)變化曲線Fig.8 Variation curves of abutment pressure and plastic zone under different mining conditions

3 大傾角大采高工作面煤壁穩(wěn)定性主控因素效能

3.1 采高影響效能

大傾角大采高工作面采高與圍巖運(yùn)移狀況密切相關(guān)，采高增加，煤體承壓強(qiáng)度雖會(huì)整體性增加，但承壓狀態(tài)隨距煤壁距離變化具有差異性，其中，煤壁鄰域內(nèi)煤體承壓采高3.5 m>4.5 m，域外則為4.5 m>3.5 m（圖9a），而式（5）結(jié)果（圖8b）亦表明，采高與煤壁鄰域煤體承壓反向相關(guān)，即近煤壁煤體承壓隨采高增加降低。分析可知，變采高條件下，大傾角大采高工作面空域尺度會(huì)隨采高增加而擴(kuò)大，同位置處覆巖受擾動(dòng)層位升高，頂壓作用強(qiáng)度升高，進(jìn)而煤體承壓強(qiáng)度亦會(huì)升高，支承壓力傳遞過程中首先迫使煤壁鄰域煤體形變破壞，采高增加，導(dǎo)致煤體運(yùn)移空間大，且低約束高度大，極易沿工作面傾向以“薄板”狀結(jié)構(gòu)承壓，造成煤壁穩(wěn)定性狀態(tài)惡化，煤壁越高，近煤壁煤體塑性變形量大幅增加，支承壓力釋放卸壓越充分，因此，煤壁鄰域煤體承壓隨采高增加降低，支承壓力在近煤壁煤體破壞后位置轉(zhuǎn)移并重新集聚，從而域外支承壓力與采高成正比。

圖9 不同采高煤體應(yīng)力及位移曲線Fig.9 Stress and displacement curves of coal with different mining heights

大傾角大采高工作面煤壁運(yùn)移與采高變化亦具有正相關(guān)性（圖9b），采高4.5 m 煤壁鄰域內(nèi)煤體運(yùn)移整體位移較3.5 m 大，且最大位移均集中于煤壁前方0.94 m 范圍內(nèi)，位移最大值分別為2.24、1.70 cm，由此分析可知，煤體位移與采高正向相關(guān)，煤體運(yùn)移幅度越大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度升高，承壓能力降低。采高變大時(shí)，煤壁前方支承壓力強(qiáng)度升高，加之煤壁鄰域煤體低承壓性，導(dǎo)致支承壓力峰值超前煤壁距離加大，塑性區(qū)范圍大幅擴(kuò)展，塑性區(qū)分布與采高表現(xiàn)出正比性演變關(guān)系（圖8a）。塑性區(qū)內(nèi)煤體承壓雖會(huì)在其形變破壞過程中消耗但仍會(huì)殘存，并與煤壁位置變化后支承壓力疊加，且隨著塑性區(qū)擴(kuò)大，殘余支承壓力分布范圍擴(kuò)展，煤體承壓循環(huán)疊加作用強(qiáng)度及范圍均會(huì)升高，近煤壁煤體會(huì)疲勞破壞，隨著煤壁側(cè)向卸壓，支承壓力作用增強(qiáng)，煤壁失穩(wěn)幾率及廣度升高。

綜上可知，采高對(duì)于煤壁穩(wěn)定性影響效能（圖10）主要表現(xiàn)為3 方面：運(yùn)移空間廣、煤壁高度大、承壓強(qiáng)度高。采高增加時(shí)，工作面后方會(huì)形成大尺度空域，煤壁高度大，傾角效應(yīng)下煤體自重作用增強(qiáng)，自穩(wěn)性差，支承壓力作用增強(qiáng)，煤體進(jìn)而大幅向空區(qū)內(nèi)運(yùn)移，塑性化程度加深，而塑性區(qū)范圍擴(kuò)展，一定程度上又會(huì)促使煤體支承壓力疊加強(qiáng)度、重復(fù)次數(shù)、范圍升高，致使煤壁鄰域內(nèi)煤體易疲勞屈服，并隨采高增加大幅劣化。

圖10 采高對(duì)煤壁穩(wěn)定性影響效能Fig.10 Effectiveness of mining height on coal wall stability

3.2 傾角影響效能

大傾角大采高工作面數(shù)值計(jì)算結(jié)果（圖11a）表明，煤壁承壓具有區(qū)域性、異化性，上部、下部區(qū)域應(yīng)力波動(dòng)幅度及頻次均較中部大，且端頭附近波動(dòng)幅度最大，下部應(yīng)力為0.45～1.89 MPa，平均0.78 MPa，中部應(yīng)力0.76～0.60 MPa，平均0.66 MPa，上部應(yīng)力為0.49～0.10 MPa，平均0.72 MPa，煤壁內(nèi)應(yīng)力由大到小為下部、上部、中部，工作面端部附近更易應(yīng)力集中，應(yīng)力值較其余位置大，其中，下端煤壁應(yīng)力為工作面全域最大。

圖11 大傾角大采高工作面煤壁力學(xué)行為分布規(guī)律Fig.11 Distribution law of rib mechanical behavior of large mining height face in steeply dipping coal seam

大傾角大采高工作面煤壁各向運(yùn)移均會(huì)分區(qū)非對(duì)稱性分布（圖11b），工作面傾向由下至上各區(qū)域煤壁垂直運(yùn)移分別集中于0.41～1.73 cm、1.69～1.82 cm、1.39～1.72 cm，平均垂直位移依次為1.56、1.75、1.58 cm，最大位移量位置處于工作面中下部，距下端口48.9 m，水平位移集中區(qū)間分別為0.46～0.59、0.59～0.91、0.08～0.95 cm，平均位移分別為0.52、0.80、0.56 cm，位移極值位置處于工作面中上部界值鄰域，距工作面下端口72.3～74.4 m，可見，煤壁位移由大到小依次為工作面中部、上部、下部。結(jié)合煤壁應(yīng)力分布結(jié)果可知，傾角效應(yīng)下，煤壁承壓環(huán)境異化，工作面中部、上部煤壁運(yùn)移量大，能夠使其內(nèi)部應(yīng)力釋放卸荷程度升高，進(jìn)而應(yīng)力值降低，傾向分布表現(xiàn)出中部、上部應(yīng)力小于下部。

大傾角大采高工作面俯偽斜布置，偽斜角作用下工作面傾角將直接影響工作面回采，而工作面傾角β與煤層傾角α、偽斜角θ滿足以下關(guān)系：

因而工作面傾角會(huì)隨偽斜角變化而波動(dòng)，由式（7）可知，偽斜角增加時(shí)，工作面傾角會(huì)隨之減小，反之，則會(huì)增加，進(jìn)而傾角效應(yīng)會(huì)主導(dǎo)承壓作用沿工作面傾向及垂向不同程度分解，使得煤壁不同模式失穩(wěn)，結(jié)合式（5）、式（6）結(jié)果（圖8c、圖8d）分析可得：偽斜角增大時(shí)，支承壓力垂向分力作用增強(qiáng)，鄰迫使煤體壓縮變形幅度加大，進(jìn)而塑性化程度加深，壓力值超前煤壁擾動(dòng)范圍擴(kuò)展，塑性區(qū)范圍隨之增加，且煤壁鄰域內(nèi)煤體破壞程度高，壓力經(jīng)充分釋放后降低，煤壁失穩(wěn)模式主要為高強(qiáng)壓力下結(jié)構(gòu)破斷后外凸式失穩(wěn)。偽斜角減小時(shí)，垂向壓縮作用弱化后煤體塑性化程度降低，塑性區(qū)范圍減小，煤壁鄰域內(nèi)煤體破壞程度降低，使得域內(nèi)承壓會(huì)升高，支承壓力傾向分力作用強(qiáng)度增加，并與煤壁鄰域內(nèi)煤體自重作用耦合，導(dǎo)致傾向力學(xué)作用主導(dǎo)煤壁失穩(wěn)，當(dāng)傾向分力超過煤體與頂（底）板、煤體內(nèi)部摩擦等反力時(shí)，會(huì)誘發(fā)煤體滑移式失穩(wěn)。

大傾角大采高工作面煤壁失穩(wěn)實(shí)測(cè)結(jié)果（圖12）表明，煤壁失穩(wěn)時(shí)工作面?zhèn)涡苯嵌染^6°，最大角度可達(dá)8.2°，煤壁失穩(wěn)范圍與偽斜角密切聯(lián)動(dòng)，偽斜角大，煤壁失穩(wěn)范圍較廣，且大都幾乎分布于工作面中部、上部全域，隨著偽斜角減小，煤壁失穩(wěn)范圍則會(huì)明顯減小?？梢姡瑐涡苯桥c煤壁穩(wěn)定性關(guān)系緊密，且彼此間一定程度上成反比關(guān)系，即偽斜角增大，工作面傾角減小，垂向壓縮作用增強(qiáng)，近煤壁煤體承壓后向空區(qū)內(nèi)側(cè)向變形等破壞程度升高，片幫幾率大，廣域性失穩(wěn)，反之，傾向分力作用會(huì)增強(qiáng)，且傾角效應(yīng)下工作面各域非對(duì)稱性力學(xué)力學(xué)作用，促使近煤壁煤體沿傾向非均勻性破壞，造成煤體滑幫幾率升高。

4 結(jié) 論

1）大傾角大采高工作面塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力分區(qū)梯度式分布，呈指數(shù)曲線狀遞增，煤壁鄰域存在非對(duì)稱拱狀殘余應(yīng)力影響區(qū)，拱頂偏于垂向煤壁中上部；塑性區(qū)廣度區(qū)域性異化，表現(xiàn)為上部大于中部大于下部，分布形態(tài)呈梯級(jí)拱狀，塑性區(qū)內(nèi)煤體承壓具有重復(fù)疊加性，并會(huì)隨塑性區(qū)擴(kuò)展疊加作用增強(qiáng)。

2）大傾角大采高工作面煤壁穩(wěn)定性與采高具有負(fù)相關(guān)性，隨采高增加，煤壁鄰域殘余支承壓力強(qiáng)度降低，位移量增加，支承壓力作用強(qiáng)度升高，擾動(dòng)范圍擴(kuò)展。

3）大傾角大采高工作面煤壁承壓力學(xué)行為區(qū)域差異化分布，煤壁應(yīng)力下部大于上部大于中部，位移量則表現(xiàn)為中部大于上部大于下部，煤壁失穩(wěn)模式與偽斜角密切相關(guān)，偽斜角大，主要發(fā)生外凸式片幫，偽斜角小，則為側(cè)壓誘導(dǎo)下滑移失穩(wěn)。