大傾角煤層群長壁采場低位梯階關鍵層*

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質焦煤和無煙煤，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、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缺乏系統性研究，國內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規律，初步揭示了圍巖應力場的形成特征，提出“R -S-F”系統動態穩定性控制方法。自采用走向長壁開采技術以來，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、層位關系及構造情況不同，導致其存在著多種多樣的運動特點，而頂板(R)的結構形式決定了頂板的運動特征，也是決定頂板控制方式和方法的關鍵因素。因此，頂板(R)的穩定性是大傾角煤層開采過程中“R -S-F”系統控制的最終目標，對大傾角煤層頂板結構及其穩定性進行研究有重要的理論和現實意義。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，多煤層連續開采所形成的頂板結構具有其特殊性，由于缺乏對多煤層、多區段開采覆(圍)巖結構破壞及其施載特征的系統研究，導致工藝參數確定缺乏理論依據和關鍵技術支撐，嚴重制約了該類煤層安全高效開采，實現大傾角近距離煤層群安全高效開采關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段開采覆(圍)巖結構破壞規律及其穩定控制等問題，可為指導該類煤層安全開采提供重要的理論依據，對于豐富復雜煤層開采理論、拓展巖層控制研究領域，提升行業技術水平和促進礦業經濟的科學發展均具有重要意義。

1 大傾角煤層群采場覆巖梯階關鍵層

1.1 梯階巖體結構的形成

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構，其采場上方巖層易形成非對稱“梯階結構”，該結構邊緣與工作面煤壁邊緣相交，在工作面傾斜中上部，結構距工作面垂直距離達到最大值，隨著沿傾斜向下，結構體高度逐漸降低，在運輸巷附近達到最小值。

大傾角煤層梯階巖體結構是其采場特有的結構，如圖1 所示。根據頂板巖性、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域，其層位較高，影響區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，第一梯階結構來壓強度小、步距大、周期長，第一梯階結構破壞極易誘發第二梯階結構破壞，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構Fig.1 Overburden structure in steeply dipping seam mining area

1.2 低位梯階關鍵層

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)，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構，稱為低位梯階關鍵層，該結構可分為二級梯階，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定結構，二級梯階是以工作面中上部區域老頂組成的巖體結構。該結構是大傾角煤層群下層煤采場特有的關鍵巖層結構。

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

2 低位梯階關鍵層結構特征

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

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

圖4 梯階群結構與區段煤柱作用特征Fig.4 Interaction of the lower key ladder structure and coal pillar

1)該結構為近似倒梯階狀，沿工作面走向和傾向的剖面形狀不同。工作面長度方向上，不同區域構成結構的巖層不同，可為偽頂、直接頂、老頂、上覆巖層。由于頂板巖層的層狀特征，結構輪廓為梯階形狀。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構，其層位高、影響范圍大，即多級梯階巖體結構;

2)梯階結構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。空間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構，其上部邊界延伸至下層煤上區段工作面回風巷處，下部邊界延伸至下層煤下區段工作面運輸巷區域，結構的上方破斷輪廓延伸至較上層煤采空區更高層位的巖層;

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

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

3 大傾角煤層群采場低位梯階關鍵層穩定性分析

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

3.1 低位梯階關鍵層對覆巖穩定性的影響

大傾角煤層群下層煤開采時，低位梯階關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(低位梯階關鍵層)結構近似為下端固支、上端可傳遞集中力傾斜方向分力F2的可彎曲桿件，根據材料力學知識［9］，可推導出低位梯階關鍵層失穩條件

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 梯階結構的長度;EI 為抗彎剛度;［σ］為低位梯階關鍵層的極限強度，MPa.

據式1，當F1＞F2時，法方向作用力起主要作用，導致低位梯階關鍵層發生拉伸破壞失穩，引發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)元素缺失導致系統失穩概率［3］，同時，矸石下移也使上覆巖層失去約束并發生垮落，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，低位梯階關鍵層發生壓剪破壞失穩，此時，結構失穩易引發工作面上端或上區段未破壞巖層失穩，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;低位梯階關鍵層受到F1，F2共同作用時，發生先壓剪后拉伸的復合型失穩，可造成更大范圍的圍巖運動，對工作面“支架-圍巖”系統影響更大。

3.2 低位梯階關鍵層對區段煤柱穩定性的影響

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

3.3 低位梯階關鍵層對“支架-圍巖”系統穩定性的影響

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”系統失穩的概率。其次，低位梯階關鍵層破壞后可形成傾斜砌體結構［11-12］，由于頂板破壞層位低，空間小，傾斜砌體結構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 論

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

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

3)下層煤區段煤柱處于梯階結構群疊加作用下，隨著低位梯階關鍵層失穩，區段煤柱在集中應力作用下發生壓剪失穩，引發上方梯階結構群發生大范圍破壞。低位梯階關鍵層破壞后以傾斜砌體結構形式存在。

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