急傾斜特厚煤層頂板非對稱平頂型拱結構對比分析

摘 要：急傾斜特厚煤層（傾角大于45°）水平分段綜放開采與緩傾斜煤層綜放開采后的懸空頂板在賦存狀態和受力環境上均存在明顯差異，導致2種情況下頂板失穩垮落后所形成的頂板結構區別較大。以烏魯木齊礦區急傾斜特厚煤層頂板結構演化規律為研究目標，采用理論分析、數值計算和現場監測等綜合方法，揭示急傾斜特厚煤層非對稱平頂型拱結構隨煤巖層賦存角度變化的演化規律。結果表明：急傾斜特厚煤層頂板垮落后能夠形成平頂型拱結構，并且隨煤層傾角增大，非對稱平頂型拱結構的拱高、高跨比和半拱跨度比均減小，拱頂位置向地表淺部方向移動，頂板垮落范圍和垮落巖體的體積減小，支架承受載荷降低。關鍵詞：急傾斜特厚煤層（群）；非對稱平頂型拱結構；數值計算；支架載荷中圖分類號：TD 322

文獻標志碼： A

Contrastive analysis of the asymmetrical flat-topped

arch structure in steeply inclined thick coal seams

YANG Yi-ran1，LAI Xing-ping1，2，3，SHAN Peng-fei1，2，3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China；

3.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Ground Controlling，Xi’an 710054，China）

Abstract：Great differences have existed between both the occurrence and force condition of roof structure in steeply inclined and extra thick coal seam and gently inclined coal seam after their excavation，which result in various structures being formed when the roof losing stabilization under the two circumstances.This paper employs comprehensive methods such as theoretical analysis，numerical simulation and field data comparison，et al，aiming at the stability of supports employed in steeply inclined and extra thick coal seams of Urumqi mine region，revealing the dynamical evolution of the asymmetrical flat-topped arch structure in the roof of steeply inclined and extra thick coal seam.The research results show that

flat-topped arch structure could be formed after collapse of the roof of steeply inclined thick coal seams，and

parameters such as arch height，length and crown keep declining with the increase of coal seam angle.The

position of arch crown moves towards the shallow surface，roof falling range and caving rock mass decrease，and bearing load of the support reduces.

Key words：steeply inclined and extra thick coal seams（group）；asymmetrical flat-topped arch structure；numerical calculation；support load

0 引 言

由于賦存條件和煤巖體性質存在較大差異，急傾斜特厚煤層與緩傾斜、近水平煤層的開采方法迥異，導致煤層開采后其采動空間內頂板受力環境和力學行為產生較大差異[1-4]。現場礦壓觀測表明，急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采過程中，支架的工作阻力并沒有隨著采深的增加而大幅遞增，這說明在水平分段綜放開采條件下，支架會受到其上方臨時結構的保護作用，并且由于這種結構的存在使支架只承受結構內垮落煤巖體的重力作用，因此支架載荷不會隨著采深的增大而大幅增加，從而很大程度上提高了頂板與支架的穩定性。采動空間中煤巖體非一致變形是頂板拱結構形成的主要因素之一，這種非一致變形改變了煤巖體的應力狀態，引起應力重新分布，導致作用于拱結構的壓力向拱腳處穩定煤巖體中轉移，形成急傾斜特厚煤層平頂型拱結構。針對特厚煤層頂板結構演化和安全開采科學問題研究，石平五等[5]構建了急傾斜特厚煤層“跨層拱”結構力學模型，并且對“跨層拱”結構的滑落失穩、結構失穩及對工作面壓力的影響進行了深入分析，認為在急傾斜煤層短工作面條件下可大幅度提高水平分段高度；伍永平等[6]采用數值計算方法研究了預裂弱化前后頂板應力變化特征和運移規律，為艾維爾溝礦區開采工藝的優化提供了技術措施；王金安等[7]采用分形幾何學對急傾斜煤層開采覆巖裂隙進行了深入研究，認為隨著煤層開采深度的增加，由淺部擾動覆巖堆積形成承載結構，覆巖內部裂隙出現閉合；

X.Li[8]等采用物理相似模擬和數值分析方法針對急傾斜煤層頂板結構穩定性問題展開研究，認為在急傾斜煤層頂板中極易形成三鉸拱結構；鞠文君等[9]構建了急傾斜煤層頂板傾向懸臂梁斷裂力學模型，得到頂板巖層懸臂梁能量表達式，提出了爆破斷頂礦壓防治措施；

A.J.Das等[10]應用數值計算方法，采用遍布節理模型評價了煤巖層角度變化對煤層和頂板穩定性的影響；

邵小平等[11]采用彈性薄板理論對急傾斜煤層頂板進行分析，認為頂板巖層內部存在“卸載拱”結構，拱結構反復“平衡-失穩”動態擴展是工作面礦壓顯現的原因；

X.Meng等[12]采用彈性薄板理論建立了急傾斜煤層頂板破斷力學模型，得到應力分布計算公式，計算結果同實測相一致。

針對急傾斜特厚煤層頂板平頂型拱結構賦存狀態和受力情況，結合工程力學和數值計算方法，確定頂板平頂型拱結構包括斜長、拱高等參數的變化規律。這對急傾斜特厚煤層開采中頂板與支架的穩定性分析提供了參考，對實現煤礦的安全開采具有重要意義。

1 急傾斜特厚煤層頂板結構分析緩傾斜煤層所具有的賦存狀態決定了其開采后在綜合應力作用下頂板傾向于形成近乎對稱的平衡拱結構，并且緩傾斜煤層頂板拱結構的2個拱腳分別位于工作面前后的未采動煤體和采空區垮落煤巖體中，上覆煤巖體產生的垂向壓應力均由此拱結構向下傳遞至2個拱腳位置，拱腳位置處所承受的應力實質上是一個相對于頂板煤巖接觸面的法向分力近乎等于拱腳處所承受的全部應力的壓應力。由于煤巖體具有抗壓不抗拉的力學性質，所以由受力狀態來看，緩傾斜煤層頂板拱結構的拱腳位置處于較為理想的受壓狀態，其所能夠承擔的來自上覆煤巖體壓力能力也就較大，采動空間的安全性得到了一定程度提高。與緩傾斜煤層相比，急傾斜特厚煤層開采后頂板受力環境發生了重大變化。首先，由于傾角的增加，原來占據壓應力較小比例的切向分力逐漸增大，法向方向上的分力相應減小。其次，頂板在上覆壓應力作用下所形成的拱結構的形態也發生了變化，具體為，隨著煤層角度的增大，頂板處拱結構的兩拱腳位置由原來的基本水平分布在同一條直線轉化為在豎直方向上存在一定高度差的傾斜分布狀態。對急傾斜特厚煤層頂板拱結構兩拱腳存在較大高度差的情況進行受力分析發現，下拱腳處煤巖體由于受到其下部堆積煤巖體的支撐作用，承受來自上覆層壓應力的能力相對較高，處于相對穩定的受壓狀態。上拱腳由于其下部垮落空區的存在使得拱腳偏下部位置處于臨空狀態，在上覆層壓應力的切向分力作用下，其所在位置處的煤巖體極易出現拉伸破壞，使拱腳位置處煤巖體失穩，導致頂板拱結構不穩定發育，嚴重威脅了煤層的安全開采。烏魯木齊礦區具有急傾斜特厚煤層特殊的地質構造，其頂板巖層群組中直接頂和基本頂巖性相差較大，總體特征為直接頂厚度較小，質松軟，易垮落，基本頂厚度大，質堅硬，難垮落。煤層開采后，直接頂在綜合應力作用下逐層垮落，基本頂由于其較好的巖性在向頂部深層垮落過程中傾斜方向上的懸空長度不斷減小，直至達到平衡狀態。但是，由于煤層頂板為較規則的層狀結構且各層之間的性質差別較大，所以在急傾斜特厚煤層頂板垮落過程中頂板的垮落形態并不會出現完美的拱形結構，頂板垮落過程中當遇到關鍵層時會停止垮落，達到平衡狀態，從而形成非對稱平頂型拱結構，如圖1所示。

2 頂板平頂型拱結構受力分析

急傾斜特厚煤層非對稱平頂型拱結構力學模型如圖2所示，拱結構中下拱腳位置處于下部較穩定的煤巖層之中，

力學模型中可以將其簡化為固定支座，而上拱腳處于受拉應力作用下易破壞失穩的上覆煤巖體之中，力學模型中可以將其簡化為滑動支座。

3 頂板平頂型拱結構演化規律數值計算影響煤巖體強度的因素主要包括煤巖體內部節理裂隙的數量、分布狀態和各項物理力學參數，基于離散元方法的三維數值計算程序能夠充分考慮到巖層中節理裂隙的法向剛度、切向剛度、內聚力以及內摩擦角等節理面參數，較基于有限元方法的數值計算程序更加貼近于工程實際。文中使用基于離散元方法的三維數值計算程序（3DEC）對急傾斜特厚煤層頂板非對稱平頂型拱結構的運動演化規律進行分析，依托工程實際分別選取傾角為45°和73°的急傾斜特厚煤層構建模型并計算分析。模型的長度、寬度和高度分別為250.0，50.0和180.0 m，其中模擬煤層厚度為40.0 m，走向推進距離為50.0 m，模擬工作面采深為135.0 m.頂底板力學參數見表1，節理面力學參數見表2.

圖3描述了45°，73°急傾斜特厚煤層頂板垂向位移分布演化規律。急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采頂板冒落形成非對稱平頂型拱結構，并且隨著煤層傾角的變化拱結構的各項參數隨之改變。

具體為：在相同地質和開采深度條件下，隨煤層傾角的增大，急傾斜特厚煤層頂板非對稱平頂型拱結構的拱頂的位置在豎直方向和水平方向上均產生變化。豎直方向上，隨著煤層傾角的增大，拱頂位置向地表淺部方向移動；水平方向上，隨著煤層傾角的增大，拱頂位置向頂板淺部方向移動。

以上拱頂位置不同方向的演化分別導致了半拱跨度比K和高跨比λ減小，因為模型模擬了煤層開采后情況，所以頂板傾向跨度為定值，因此上述演化規律可以描述為隨著急傾斜特厚煤層傾角的增大，頂板平頂型拱結構的拱高和上半拱的跨度均逐漸減小。

為進一步研究頂板平頂型拱結構隨角度的變化規律，以5°為等差梯度在45°至87°范圍內分10種情況進行建模計算（部分模型變化梯度為3°），記錄計算后各模型的拱高h及拱頂至上拱腳距離L2等參數，經計算得到高跨比λ，半拱跨度比K.分別以急傾斜特厚煤層賦存角度α，高跨比λ和半拱跨度比K為變量繪制圖像（圖4），相應參量見表3.

由圖4可知，隨急傾斜特厚煤層角度的增大，高跨比λ、半拱跨度比K均減小，并且高跨比λ的減小速度總體趨于緩慢，當傾角位于80°至90°之間時，高跨比λ達到極限值。半拱跨度比K隨著煤層傾角的增大近似于線性減小，并且當傾角趨于與90°時K值接近于0，表明此時拱頂位置接近于上拱腳，表現為極度非對稱狀態。采用3DEC程序內置測量工具對各模型中頂板非對稱平頂型拱結構的體積進行測量估算，獲取不同賦存條件下拱結構冒落所產生的破碎煤巖體質量，經進一步的計算可以得到破碎煤巖體對工作面支架的壓力值。分別以各模型煤層賦存角度和工作面支架壓力值為自變量和因變量繪制圖像（圖5），各模型相應工作面支架載荷見表4.

由圖5可知，隨急傾斜特厚煤層賦存角度的增加，工作面支架載荷整體呈降低趨勢，并且支架載荷降低速度逐漸趨于緩慢，這說明了隨著煤層賦存角度的增大，頂板平頂型拱結構拱高減小，導致垮落巖體數量減少，對工作面支架的載荷隨之減小，支架荷載值始終小于8 000 kN/架，這與堿溝煤礦+495 m水平工作面實測數據相吻合，充分證明了頂板平頂型拱結構隨角度變化的演化規律，為急傾斜特厚煤層工作面支架穩定性設計和支架承載力合理利用及選型提供了參考依據。

4 頂板結構探測和工作面支架配置優化

為揭示烏魯木齊礦區急斜特厚煤層頂板平頂型拱結構演化規律，采用SIR-20高速專業型地質雷達在回采巷道中分別對礦區內傾斜角度分別為45°和73°兩煤層空區頂板結構進行探測，結果如圖6所示。圖（a）和（b）分別為在測深12～40 m和7～20 m范圍探測結果，此范圍內顏色分布較淺部頂板發生明顯變化，巖層相對介電常數由大向小穿透，這是由于急傾斜煤層頂板在綜合應力作用下垮落后，垮落松散煤巖體堆積于空區下部位置，分別形成0～12 m和0～7 m厚度的堆積覆層，而上部位置為頂板垮落后的遺留空區，因此，頂板淺部與深部層位的探測圖像顯示具有明顯的不連續性。并且通過描繪2種賦存角度煤層頂板垮落后的結構跡線可以看出隨角度增大，拱頂位置在水平和豎直方向分別向地表淺部方向和頂板淺部方向移動，半拱跨度比和高跨比均減小，垮落煤巖體數量減少，這與理論和數值計算結果相一致。

通過對急傾斜煤層頂板平頂型拱結構的研究，合理選擇和布置工作面綜放支架，提高工作面科學機械化配置水平，降低工人勞動量，為工作面安全開采提供保障。綜合考慮實際生產條件、上分層垮落煤巖載荷、支架承受橫向載荷和其它因素，保留足夠富余系數，堿溝煤礦+495 m水平采用ZF-10000-20-40型號綜采放頂煤液壓支架，該類型支架具有結構合理、支撐穩定和抗側向應力強等優點，在保障工作面安全作業前提下降低了工人勞動量，提高了開采效率，實現了急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采工作面安全開采。

5 結 論

1）急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采工作面頂板在綜合應力作用下失穩垮落，并且由于關鍵層的存在，頂板最終形成平頂型拱結構；

2）理論推導和數值計算結果表明，隨急傾斜特厚煤層傾角的增大，頂板平頂型拱結構的高跨比、半拱跨度比均減小；

3）數值計算表明，隨著急傾斜特厚煤層賦存傾角的增大，頂板平頂型拱結構的拱高減小，拱頂位置向地表淺部方向移動，頂板垮落煤巖體的數量減少，支架承受載荷降低，計算結果顯示支架最大承受載荷小于8 000 kN，與現場實測數據相吻合，這對支架穩定性設計和支架承載力合理利用及支架選型具有重要指導意義。參考文獻

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