急傾斜中厚煤層綜采工作面礦壓分布及其演變規律*

張曉波，張 浩，解盤石，郎 丁

(1.重慶能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400061；2.西安科技大學 能源學院，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

急傾斜煤層在我國西部礦井廣泛賦存，厚煤層開采經過多年技術攻關，現已逐步實現了大采高機械化開采，而薄及中厚煤層由于具有煤層厚度小、角度大、支架-圍巖系統難控制等技術性難題，開采難度相對較大，部分開采有該類煤層的礦井進行了綜合機械化開采實踐，雖取得了一定的成效，但技術理論性研究仍略顯不足。

要從根本上解決急傾斜薄及中厚煤層開采問題，形成比較完整的薄及中厚煤層長壁綜合機械化開采技術體系，必須從基礎的礦山壓力顯現規律著手。為此，學者們從不同角度進行了研究分析，伍永平[1-2]構建了“R-S-F”承載系統模型，并求取了保持系統穩定的支架阻力特解，曹樹剛[3]分析了急傾斜煤層采場圍巖力學結構形式及應力分布，尹光志等[4-5]分別基于薄板理論、彈性薄板小撓度理論構建了急傾斜工作面覆巖力學模型，趙遠放等[6]研究了大傾角工作面礦山壓力顯現特征，劉慶林[7]認為大傾角綜采工作面“大結構”中“關鍵塊”破壞形式會決定來壓特征，趙洪亮等[8-9]研究了大傾角厚煤層綜放工作面礦壓規律，王文杰等[10]采用工程監測法研究了大傾角厚煤層下分層工作面周期來壓特征，鄧海鵬[11]分析了急傾斜厚煤層綜放工作面兩側支承壓力分布規律。現有研究在覆巖力學分析模型、支架阻力分布等做了諸多研究，雖取得了一定成效，但也存在局限性，對于急傾斜煤層礦壓規律方面的研究主要集中于角度相對較小的急傾斜厚煤層綜放或分層開采工作面，急傾斜薄及中厚煤層綜采工作面礦壓規律等方面的研究相對較少。文中以逢春煤礦急傾斜中厚煤層綜采工作面為工程背景，采用相似材料實驗及理論分析法，研究急傾斜綜采工作面支架阻力演變及支承壓力分布動態變化規律，為類似條件煤層開采提供理論性參考。

1 生產技術條件

逢春煤礦N2821工作面主采M8煤層，其為黑色半亮型煤，呈顆粒狀，內生裂隙發育。工作面走向長623.5～716.8 m，平均670.2 m，傾斜長62.2 m，煤層厚度1.8～3.4 m，平均2.57 m，傾角50.7°～52.5°，平均傾角為51.6°。工作面水文地質條件簡單，煤層原始瓦斯含量為25.87 m3/t，最大殘余瓦斯含量為5.17 m3/t，煤塵無爆炸危險，屬自燃煤層。基本頂以細砂巖為主，質地較硬，呈塊狀；直接頂為砂質泥巖，灰色，層理清晰；直接底為砂質泥巖，灰色；基本底為泥灰巖，灰色，質硬，呈塊狀。

2 支架阻力演變規律

急傾斜工作面模擬回采過程中，具體循環工序為“降架—撤架—工作面前移—升架”直至工作面整體前移(圖1)。實驗結果(表1)表明：回采過程中，工作面上、中、下部各區域支架平均阻力分別為3 005 kN、3 142 kN、2 757 kN，故支架阻力傾向上分布呈現為中部>上部>下部。工作面支架在降架和移架后重新支撐過程中，各區域相鄰支架工作阻力均會發生不同程度的變化，具體表現為降架時鄰近支架工作阻力均會增加，重新支撐時鄰近支架工作阻力均會降低，而不同區域內支架在不同工況時阻力演變幅度呈區域性異化。

圖1 推移支架Fig.1 Pulling support

表1 支架阻力演變狀況Table 1 Evolution of support resistance

實驗數據(表1)表明，工作面上部區域，25#支架降架前，相鄰26#、24#支架工作阻力分別為3 320 kN、3 620 kN；25#支架降架后，26#、24#支架工作阻力分別為3 940 kN、4 860 kN，分別增加了18.67%、34.25%，平均增加了26.46%；25#支架重新支撐后，26#、24#支架的工作阻力分別為2 780 kN、3 960 kN，降幅分別為29.4%、18.52%，平均降幅為23.96%。工作面中部，15#支架降架前，相鄰16#、14#支架阻力分別為3 200 kN、3 560 kN；15#支架降架后，16#、14#支架工作阻力分別為3 880 kN、3 980 kN，分別增加了21.25%、11.8%，平均增加了16.53%；15#支架重新支撐后，16#、14#支架工作阻力分別為3 260 kN、3 800 kN，降幅分別為16%、4.5%，平均降幅為10.25%。工作面下部，5#支架降架前，相鄰6#支架、4#支架工作阻力分別為3 820 kN、4 820 kN；5#支架降架后，6#、4#支架工作阻力分別為4 120 kN、4 920 kN，分別增加了7.85%、2.07%，平均增加了4.96%；5#支架重新支撐后，6#、4#支架工作阻力分別為3 600 kN、4 300 kN，降幅分別為12.62%、12.6%，平均降幅為12.61%。由此可見，降架時，支架阻力增加幅度為工作面上部>工作面中部>工作面下部，重新支撐后，支架阻力降低幅度工作面上部>工作面下部>工作面中部。

3 支承壓力演變規律

圖2表明，急傾斜煤層開采后，原巖應力平衡狀態遭到破壞，頂壓經巖梁傳遞后遷移，并在煤柱內近工作面區域發生力學集中，使得工作面上下邊界煤柱形成側向支承壓力影響區，工作面上部煤柱內支承壓力峰值小于下端煤壁支承壓力峰值。

圖2 煤巖內壓力演變規律Fig.2 Evolution law of pressure in coal and rock

工作面前移1 cm，工作面上部煤柱內支承壓力基本沒有變化，工作面下部煤柱支承壓力1.56 MPa，增載系數為1.09。前移2 cm，工作面上部煤壁支承壓力峰值變為0.56 MPa，增載系數1.07，下部支承壓力峰值1.67 MPa，增載系數1.17。前移3 cm，工作面上側煤柱支承壓力峰值為0.65 MPa，增載系數1.25，下部煤柱支承壓力基本無變化。前移4 cm，工作面上部煤柱支承壓力基本沒有變化，工作面下部煤柱支承壓力值減小，峰值減小為1.57 MPa，增載系數1.09。前移5 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.56 MPa，增載系數1.09，下部壓力峰值為1.61 MPa，增載系數1.13。

工作面前移5 cm后，將支架偽仰斜布置，并進行推進，如圖3所示。工作面偽仰斜布置后，上部煤柱支承壓力峰值為0.65 MPa，增載系數1.26，下部煤柱壓力峰值為1.69 MPa，增載系數1.18。推進1 cm時，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.73 MPa，增載系數1.40，下部煤柱壓力峰值為1.8 MPa，增載系數1.26。推進2 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.55 MPa，增載系數1.07，下部煤柱壓力峰值為1.57 MPa，增載系數1.1。推進3 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.76 MPa，增載系數1.47，下部煤柱壓力峰值為1.86 MPa，增載系數1.30。推進4 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.99 MPa，增載系數1.92，下部煤柱壓力峰值為2.19 MPa，增載系數1.53。推進5 cm完成后，工作面上部煤柱支承壓力峰值為1.07 MPa，增載系數2.06，下部煤柱壓力峰值為2.34 MPa，增載系數1.64。綜上，工作面回采過程中，上、下端平均側向支承壓力集中系數為1.39、1.25，說明工作面上端應力集中程度較下部大。

圖3 支架偽仰斜布置Fig.3 False-inclined layout of supports

撤架時煤巖中的壓力分布規律，如圖4所示。圖4可表明，頂板第一次垮落時，即撤移22#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.13 MPa、2.24 MPa，增載系數分別為2.18、1.56；頂板第二次垮落時，即撤移19#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.17 MPa、2.27 MPa，增載系數分別為2.25、1.58；頂板第三次垮落時，即撤移17#支架時，工作面上側煤柱支承壓力峰值為1.2 MPa，增載系數為2.33；工作面下側煤柱支承壓力由于實驗過程中傳感器影響，側煤柱支承壓力為零，但從整體區域趨勢上可以看出值是增大的；頂板第四次垮落時，即撤移12#支架時，工作面上側煤柱支承壓力峰值為1.38 MPa，增載系數為2.67，工作面下側煤柱支承壓力同撤移17#支架時一樣；頂板第五次垮落時，即撤移8#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.49 MPa、2.39 MPa，增載系數分別為2.89、1.67；頂板第六次垮落時，即支架全部撤移，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為2.07 MPa、3.11 MPa，增載系數分別為4.0、2.17；頂板第7次垮落時，即最終垮落，工作面上下端煤柱支承壓力峰值分別為2.22 MPa、2.42 MPa，增載系數分別為4.3、1.69。頂板垮落時，工作面上、下煤柱側向支承壓力集中系數平均為2.95、1.73。

急傾斜中厚煤層模擬工作面回采完成撤架后，工作面下方底板內壓力作用程度大幅降低(圖4)，且壓載值強度均在0.5～0.6 MPa以下，中、下部區域底板壓力值>上部，分析可知，急傾斜工作面頂板垮落后形成的矸石由于傾角效應會向下滑移，從而會形成非均勻性矸石充填區，中、下部采空區矸石充填度高，導致頂壓經矸石向底板遷移，故底板壓力呈現出中、下部>上部的分布特征。

圖4 撤架時煤巖中壓力分布規律Fig.4 Pressure distribution law of coal and rock strata during support withdrawal

4 結論

(1)急傾斜中厚綜采工作面支架阻力分區式分布特征明顯，中部>上部>下部。支架在升降架時，鄰架阻力演變呈區域性異化，降架時，支架阻力增加幅度上部>中部>下部，重新支撐后，支架阻力降幅上部>下部>中部。

(2)急傾斜中厚綜采工作面底板壓力分布特征為中、下部>上部。工作面兩端會形成側向支承壓力區，回采時上、下端平均側向支承壓力集中系數為1.39、1.25，頂板垮落時分別為2.95、1.73，表明上部支承壓力集中程度大于下部。