大傾角大采高工作面覆巖破壞與圍巖應力分布規律研究

曲秋揚

（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

大傾角大采高工作面覆巖破壞與圍巖應力分布規律研究

曲秋揚

（天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013）

探討了大傾角大采高工作面覆巖破壞與圍巖應力的分布規律，研究結果表明采空區中上部易形成大動載，需要增大初撐力弱化頂板離層；直接頂的破斷下滑嚴重，需要保證初撐力及合理拉移支架、推溜，避免支架滑移、倒架；超前支承壓力影響范圍在工作面推進過程中呈動態變化，支護重點由上端頭向下端頭轉移。經過現場實測，證實同試驗結果較為相符。

大傾角大采高工作面 覆巖破壞 圍巖應力 相似模擬 數值模擬

大傾角大采高工作面由于同時具有傾角大、采高大的特點，使得該類工作面的開采條件、頂板垮落方式和支護方式較近水平大采高工作面更獨特、更復雜。近年來，我國學者對該類煤層進行了諸多研究，研究多集中于開采后的圍巖結構形式與現場實測，圍巖破壞過程研究較少。基于已有研究成果，考慮煤層賦存區域性的特點，本文利用相似模擬和數值模擬對攀煤礦區花山煤礦大傾角大采高工作面的覆巖破壞與圍巖應力分布規律進行研究，用以指導工作面的正常生產、合理支護和工作面巷道超前支護，并為近一半四川礦區的大傾角煤層開采提供借鑒。

1　工作面基本概況

花山煤礦4238工作面為川煤集團攀枝花分公司首個大傾角大采高工作面。該工作面回采23#煤層，埋深為500～560 m，走向長為638～655 m，傾斜長為117～123 m，平均傾角為40°，煤層賦存情況為四層煤三層矸，平均煤厚4.2 m，煤層賦存較為穩定。工作面上覆巖層巖性及力學參數見表1。

表1　上覆巖層賦存及物理力學參數

2　覆巖破壞與圍巖應力的試驗研究

2.1 相似模擬試驗

2.1.1 模型的建立

用河砂、石英砂和云母做骨料，以碳酸鈣、石膏做膠結物，對照原型的地層資料進行鋪裝，根據各煤巖層抗壓強度要求對碳酸鈣、石膏、河砂進行配比。模型按傾向剖面進行模擬布置，模型煤層傾角為40°，傾斜長度為1782 mm，厚度為50.60 mm。采用尺寸為100 mm×50 mm×120 mm配重鐵塊模擬其余上覆巖層對煤層的垂直應力。依據相似定律確定試驗模型幾何相似常數100，容重相似常數為1.61，時間相似常數為10，應力及強度相似常數為161。

2.1.2 覆巖的破斷規律

根據模型鋪設的不同層位，安設測點，見圖1（a）中白色方形點，傾向上測點間距為100 mm，縱向上由直接頂向地表由密變疏。模型開挖完畢后，使用PENTAXR-322NX全站儀觀測模型垮落后的頂板巖層運移規律。

工作面開挖完畢后，覆巖垮落如圖1（a）所示，并對其進行描繪，見圖1（b）。分析圖1可知，在工作面下部，第一層直接頂呈破碎不規則垮落，采空區充實完全；上方直接頂巖層整體發生彎曲下沉-拉伸破壞-垮落規則垮落狀；工作面中部和上部直接頂發生破碎不規則垮落，更上方直接頂分區段發生彎曲下沉-拉伸破壞-垮落巖塊交錯狀不規則垮落，采空區未充實或懸頂，致使采空區頂板回轉、運移空間大，垮落巖塊發生彼此交錯，空隙較大。

根據頂板垮落特征，工作面下部采空區易充實，支架承受動載荷較小，保證支架初撐力的情況下工作面安全狀況較好。由于工作面中上部采空區未充實，因此頂板來壓時容易形成大動載，瞬間造成高壓力值，容易造成安全閥開啟或支架壓死現象。根據相關研究，增大初撐力可減小頂板離層，弱化來壓強度，因此需要注意工作面中上部支架初撐力。

圖1　上覆巖層垮落狀態圖

2.1.3 覆巖的運移規律

分析模型中各個巖層的測點下沉量可知，當工作面開采完畢，第一、二層直接頂的下沉量最為明顯，最大值分別達到0.23 m（實際23 m）、0.12 m（實際12 m）。此兩層直接頂的下沉量包含冒落高度和冒落后矸石下滑產生的下沉量。第三層測點為第一層基本頂布置線，其最大下沉量為0.04 m （4 m），更上層基本頂下沉量更小，在3 m以內。而且，根據坐標點對比可知，基本頂巖層以發生下沉為主，無明顯下滑跡象。

根據覆巖運移規律可知，直接頂破斷下沉后下滑較為嚴重，基本頂以垂直工作面下沉為主，因此在大傾角工作面支架的穩定性主要受直接頂垮落下滑的影響，致使工作面中上部支架容易發生下滑和傾倒。解決該問題的主要措施：一是保證工作面支架的初撐力；二是保證拉架、推溜合理，使支架與刮板輸送機盡量呈正傾斜布置；三是具有合理的調正機構或措施，發生問題可及時做到不影響生產。

2.2 數值模擬

2.2.1 模型的建立

模型中煤層及其頂底板巖層均按鉆孔柱狀圖顯示的平均厚度確定。模型尺寸為160 m×320 m× 160 m（長×寬×高）；煤層傾角40°，煤層厚度4.2 m，工作面正傾斜布置，斜長120 m。工作面沿走向和傾向各留設30 m邊界。

煤巖層物理力學參數按實驗室測定數據給定，見表2。模型四個邊界均是固定法向位移，底端邊界固定垂直位移。模型共劃分單元172800，結點182655。

表2　煤層及圍巖力學性質測試結果

2.2.2 圍巖應力分布規律

根據相似模擬試驗結果并結合現場實際情況，將工作面下端頭進行填充后分析工作面推進過程中的圍巖應力分布特征。當工作面推進8 m時，工作面下部上覆巖層直接頂泥質粉砂巖發生剪切破壞，破壞高度1.5 m；中上部直接頂泥質粉砂巖和粉砂巖與泥質粉砂巖互層發生剪切和拉伸破壞，破壞高度7.5 m，拉伸破壞集中在中部及上部第一層直接頂，工作面下端頭發生應力集中，強度為11.5 MPa；當工作面推進44 m時，工作面中上部上覆巖層破壞最高的巖層仍為第二層細砂巖，破壞高度增大至25.57 m，拉伸破壞高度增加，范圍增大；工作面下部破壞范圍保持穩定，未發生太大變化，上、下端頭發生應力集中，強度分別為11.5 MPa和12.1 MPa；隨著工作面繼續推進，上覆巖層的破壞形式逐漸由剪切破壞發展為剪切、拉伸破壞，且破壞高度逐漸向上發展，上下端頭應力集中愈來愈明顯。至推進至近見方時（104 m），頂板破壞范圍趨于穩定，且上下端頭應力集中強度趨于穩定，分別為12.5 MPa和13.4 MPa。

2.2.3 超前支承壓力分布規律

大傾角工作面沿傾向頂板破壞范圍及破壞程度不一致，因此超前支承壓力的分布存在差異。不同推進度情況下，沿工作面不同位置的超前支承壓力變化情況如圖2所示。其中，橫坐標為支架號，工作面由下端頭至上端頭布置1#～120#支架，縱坐標分別為超前支承壓力影響范圍與超前支承壓力峰值。

分析圖2（a）和圖2（b）可知，開采初期，工作面下端頭超前支承壓力影響范圍為11 m，小于上端頭的影響范圍20 m，且工作面超前支承壓力峰值的最大值為11 MPa，在工作面下端頭；隨著工作面的推進，超前支承壓力影響范圍逐漸增大，且下端頭超前支承壓力影響范圍的增速大于上端頭，在工作面近見方時，兩端頭的影響范圍近乎一致為60 m；與此同時，超前支承壓力峰值隨著工作面的推進不斷增大，峰值最大值的位置逐漸由下端頭轉移至工作面中部。隨著工作面的進一步推進，工作面下端頭超前支承壓力的影響范圍為75 m，逐漸大于上端頭的影響范圍68 m，并趨于穩定，同時超前支承壓力峰值的最大值為15 MPa，穩定于工作面中部。因此，在推采初期，由于應力峰值集中于工作面下端頭，故需要加強該處煤壁片幫的防護，隨著工作面的推進，應力峰值最大值向工作面中部轉移，煤壁片幫的防護重點相應轉移。另一方面，在推采初期，由于工作面上端頭超前支承壓力影響范圍較大，需要注意上工作面巷道的超前支護，在正常開采期間，下端頭超前支承壓力影響范圍增大，則需加強對下工作面巷道的超前支護。

3　現場實測

自2014年8月1日-8月18日，對工作面的片幫情況進行跟班統計。發生片幫的范圍集中在工作面中部位置，在16#～57#支架之間。

工作面開采初期，礦壓顯現不明顯，隨著工作面逐漸推進，礦壓開始顯現。

當推進到50 m時，煤壁片幫加劇，從片幫程度來看，片幫長度集中在2～3 m，片幫高度在1 m左右，深度集中在0.3 m以下，片幫程度一般；從片幫位置來看，65%發生在工作面中下部，20%發生在中上部，15%發生在工作面中部，主要集中在工作面中部及中下部。因此，實際情況同試驗結果較為相符。

圖2　不同推進度各測線超前支承壓力影響范圍及峰值變化規律

4　結論

（1）根據相似模擬試驗結果，工作面采空區充填具有明顯的分區特征，下端頭充填完整，中部充填較虛，上部呈懸臂梁結構。

（2）根據其空間破斷規律，正常開采時需要保證中上部支架的初撐力，避免較空的中上部頂板形成大動載。

（3）根據其頂板的運移特征，需要正確拉移支架，盡量避免支架倒滑或咬架，并合理設置調整機構，保證情況發生后得到及時處理，縮短生產影響時間。

（4）對數值模擬的圍巖應力分析可知，在工作面推進至見方時，頂板破壞范圍及兩端頭應力集中強度均趨于穩定。

［1］ 曲秋揚，毛德兵.大傾角大采高綜采工作面支架工作阻力分布特征研究［J］.中國煤炭，2014（3）

［2］ 解盤石，伍永平，王紅偉.大傾角煤層長壁采場傾斜氣體結構域支架穩定性分析［J］.煤炭學報，2012（8）

［3］ 黃建功.大傾角煤層采場頂板運動結構分析［J］.中國礦業大學學報，2002（5）

［4］ 武景云，黃萬朋，馬鵬鵬.大傾角煤層采場頂板運動與礦壓顯現規律研究［J］.煤礦安全，2010（6）［5］ 陶連金，王泳嘉.大傾角煤層采場上覆巖層的運動與破壞［J］.煤炭學報，1996（6）

［6］ 呂兆海，李立波.大傾角條件下大采高工作面開采工藝研究［J］.煤，2010（8）

（責任編輯 張毅玲）

Research on distribution law of overburden failure and surrounding rock stress in working face with large dip angle and large mining height

Qu Qiuyang
（Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The distribution law of overburden failure and surrounding rock stress in working face with large dip angle and large height was discussed，the results showed that dynamic loads easily occurred in the upper goaf，so setting load should be increased to prevent the roof separation.The immediate roof fractured and fell seriously，so it was important to ensure the setting load and pull and move the supports reasonably，which could avoid the supports sliding and falling.The range of abutment pressure changed dynamically in the advancing process of working face，and the key point of supporting working shifted from the upper end to the lower end.It was verified that the field measurement results were agree with the experimental results.

working face with large dip angle and large mining height，overburden failure，surrounding rock stress，analog simulation，numerical simulation

TD323

A

曲秋揚（1988-），男，山東聊城人，從事大傾角大采高安全高效開采的研究及現場管理工作。