大傾角煤層長壁開采頂板應力傳遞路徑傾角效應

羅生虎，王 同，田程陽，高喜才，郎 丁，王紅偉

(1.西安科技大學 理學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部實驗室，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層，廣泛賦存于我國各大礦區，其儲量為1 800億～3 600億t，產量為1.5億～3.0億t，分別占全國煤炭儲量和產量的10%～20%和5%～8%，且50%以上的大傾角煤層為優質的焦煤和無煙煤。大傾角煤層走向長壁工作面安全高效開采的關鍵是對“支架-圍巖”系統的穩定性控制，而頂板作為工作面該系統的構成元素和施載體，是保證系統穩定的基礎。

大傾角煤層成煤環境復雜，安全高效開采難度極大。近年來，眾多礦業高等院校、科研院所和煤炭企業的專家、學者和工程技術人員從不同角度對大傾角中厚煤層長壁綜采、厚煤層長壁綜放開采、煤層群聯合開采等不同開采方式下的礦壓顯現規律、圍巖應力的分布特征與空間展布形態、頂底板巖層的變形破壞運動規律與巖體結構形態、煤層開采后引起的地表沉陷、頂底板巖層交互影響下“支架-圍巖”系統的耦合作用機理與穩定性控制、支架與設備下滑傾倒機理及可能引發的圍巖災害等方面展開了研究與探索，推動了大傾角煤層開采理論與技術的不斷進步，并成功實現了該類煤層在特定條件下由非機械化開采向走向長壁綜采(綜放)技術的變革，較大地改善了大傾角煤層開采安全性差的狀況。但頂板穩定性控制難度大、支架與設備易下滑傾倒、底板破壞滑移等安全問題仍是制約該項技術廣泛應用與推廣的難題。

煤層傾角是導致大傾角煤層開采圍巖采動力學行為復雜的根源。一些學者在試件尺度上對不同傾角條件下煤巖組合體的應力-應變關系、強度準則等問題展開了研究，揭示了煤層傾角對煤巖組合體力學行為的影響。但在大傾角煤層開采中，受煤層傾角影響，圍巖應力的傳遞演化特征遠較一般傾角煤層開采復雜時，采場空間不同區域圍巖所處的應力環境與受載歷程存在顯著差異，導致采場空間不同區域圍巖的損傷變形與破壞運動等亦存在顯著差異，造成在大傾角煤層開采中對圍巖的穩定性控制異常復雜，而目前鮮見針對大傾角煤層長壁開采圍巖應力傳遞路徑時空演化特征及其傾角效應等宏觀力學行為方面的量化研究。

據此，筆者在已有研究工作基礎上，以新疆某礦25221工作面為工程背景，采用現場實測、數值計算和理論分析相結合的研究方法，在綜合厘定與分析工作面礦壓顯現一般規律及其成因的基礎之上，對大傾角煤層長壁開采頂板應力傳遞路徑的非對稱時空演化特征及其傾角效應展開系統性研究，研究結果對大傾角煤層長壁開采圍巖失穩致災機理與防控技術等領域的研究具有一定的理論參考價值。

1 工程背景

新疆某礦25221工作面位于二采區5號煤層，工作面開采標高為+2 047～+2 120 m，走向長度2 098 m，傾向長度100 m。煤層傾角36°～46°，平均45°，煤密度1.35 t/m。煤層厚度3.58～9.77 m，采高4.5 m，煤堅固性系數0.3～0.5，煤層綜合柱狀圖如圖1所示。25221工作面采用綜合機械化大采高開采工藝，采用下行割煤→上行清浮煤→移架→推移輸送機的工藝流程。根據工作面特殊的地質條件，工作面支架額定工作阻力最終確定為6 500 kN，選用了60個ZZ6500/22/48四柱液壓支撐掩護式支架和3個ZZG6500/22/48過渡支架。

圖1 煤層綜合柱狀

2 支架工作阻力分區特征

為掌握工作面回采過程中礦壓顯現一般規律，為后續工作面安全、高效生產奠定基礎，在工作面傾向上、中、下部選取47號、29號和9號支架，采用KJ377型礦壓動態檢測儀，對支架工作阻力開展了為期近4個月現場監測，如圖2所示。現場監測結果顯示：

圖2 支架工作阻力現場實測

(1)工作面傾向下部區域9號支架的平均工作阻力為3 505 kN，來壓期間的最大工作阻力為5 400 kN，標準差為767.12 kN。工作面傾向中部區域29號支架的平均工作阻力為6 422 kN，來壓期間的最大工作阻力為9 390 kN，標準差為1 358.17 kN。工作面傾向上部區域47號支架的平均工作阻力為4 985 kN，來壓期間的最大工作阻力為6 481 kN，標準差為1 088.07 kN。

(2)工作面傾向下部區域支架的后柱載荷略小于前柱，后柱與前柱的載荷比在來壓前、中、后期分別為90.9%，85.71%，90.00%，平均為88.87%。工作面傾向中部區域支架的后柱載荷略大于前柱，后柱與前柱的載荷比在來壓前、中、后期分別為105.15%，108.57%，112.50%，平均為108.74%。工作面傾向上部區域支架的后柱載荷遠小于前柱，后柱與前柱的載荷比在來壓前、中、后期分別為60.61%，45.45%，47.62%，平均為51.23%。

可以看出，在大傾角煤層開采中，受煤層傾角影響，支架的受載特征復雜，區域性特征明顯。尤其是在工作面傾向中上部區域，支架非均衡受載特征顯著，偏載現象頻發，穩定性控制難度大。究其原因，除了受采空區矸石非均勻充填、底板滑移、支承壓力非對稱分布等因素影響外，煤層傾角影響下工作面頂板的非規則破壞運動是造成該現象的關鍵因素。

頂板作為工作面“支架-圍巖”系統的構成元素和施載體，是保證系統穩定的基礎。工作面頂板在其自重和上覆巖層載荷作用下的運動是必然和主動的，而支架和底板的受載與行為響應則是被動的，當頂板的運動狀態發生改變，頂板與支架以及支架與底板間的相互作用關系亦隨之改變。受煤層傾角影響，采場空間不同區域頂板所處的應力環境與受載歷程存在顯著差異，這種差異性導致采場空間不同區域頂板的變形破壞運動特征與頂板巖體結構的力學性態與行為等亦存在顯著差異，如圖3所示(其中，為煤層傾角)，致使傾向不同區域支架受載與失穩的區域特征明顯，且這一現象會隨著煤層傾角的增大而愈發明顯。因此，明確頂板采動應力傳遞路徑的時空演化特征及其傾角效應，可為揭示該類煤層開采頂板的非對稱變形破壞演化和工作面“支架-圍巖”系統的穩定性機理等奠定基礎。

圖3 頂板與支架相互作用關系

3 采動應力傳遞路徑及其傾角效應

3.1 數值計算模型

鑒于數值計算具有可重復性，以下通過FLAC 3D有限差分數值計算軟件，構建不同煤層傾角的計算模型，如圖4所示。并利用Fish語言對數值計算模型進行二次開發，在模型中布置測點、測線和測面，提取不同煤層傾角和推進距離條件下的計算結果，并結合彈塑性理論對計算結果進行后處理，分析頂板采動應力傳遞路徑的時空演化特征及其傾角效應。

圖4 數值模型示意

模型采用四邊形網格，寬270 m(方向)、長1 000 m(方向)、高325 m(方向)，工作面長度100 m，采高4.5 m，推進步距5 m/步，推進距離500 m。模型以實際工程地質為依據，物理力學參數見表1。在模型底部施加垂直位移約束，在模型前、后、左、右面施加水平位移約束。模型頂部施加2 MPa垂直載荷，模擬地層深度80 m。采用Mohr -Coulomb本構模型、大應變變形模式。對于不同煤層傾角的數值計算模型，以模型幾何中心為基準點改變煤層傾角。除此之外，模型的采高、工作面長度、巖層厚度、巖層物理力學性質、邊界條件等均保持不變，模型信息見表2。

表1 煤巖力學參數

表2 模型信息

3.2 支承壓力演化特征

支承壓力指煤層采出后，在圍巖應力重新分布范圍內，垂直作用在煤層、巖層和矸石上的壓力，是圍巖應力傳遞演化結果的量化表征。據此，以工作面前方支承壓力峰值為特征量，分析不同煤層傾角條件下頂板應力隨工作面推進的動態演化規律。在近水平煤層開采中，支承壓力為方向的應力。但在大傾角煤層開采中，方向的應力與煤層間的夾角為π/2-。因此，在表征大傾角煤層開采中的支承壓力時，需結合彈性理論對計算結果進行后處理。

由彈性理論可得，垂直作用于煤層平面上的正應力、沿煤層傾向的切應力n和沿煤層走向的切應力n依次為

(1)

式中，，，為單元體斜截面上全應力在坐標軸方向的分量，N/m，可依次表示為

(2)

式中，，，分別為斜面的外法線方向與，，軸正方向夾角的余弦值；，，，，，為單元體的6個應力分量，N/m。

在模型傾向中部沿走向布置測線(=134.5 m，=0～1 000 m，=159 m)，提取不同煤層傾角和推進距離條件下的計算結果，由式(1)對數值計算結果進行后處理，可得不同煤層傾角條件下工作面前方支承壓力峰值隨工作面推進的演化規律如圖5所示，圖5中，為工作面推進距離，為工作面傾向長度。

圖5 不同煤層傾角條件下支承壓力峰值演化特征

由圖5可以看出，在不同煤層傾角條件下，工作面前方支承壓力峰值隨著工作面推進的演化規律基本一致，均呈現為先增大后保持穩定的演化趨勢。當推進距離介于0～300 m(/<3)時，工作面前方支承壓力峰值隨著工作面推進距離的增大而增大，但其增長幅度在逐漸減小。而當工作面推進距離大于300 m(>3)后，工作面前方支承壓力峰值基本保持不變。以煤層傾角45°為例，當工作面推進距離達到300 m時，支承壓力峰值增至11.5 MPa，集中系數為2.66，此后保持不變。

可以看出，在不同煤層傾角條件下，圍巖應力隨工作面推進的動態演化過程基本一致，先后經歷了增長期和穩定期，其對應支承壓力峰值的演化呈現為先增大后趨于穩定的特征。圍巖應力隨工作面推進的動態演化規律主要受采空區的幾何形狀控制。當<3時，隨著工作面推進距離的增大，頂板懸露面積逐步增大，覆巖空間結構的幾何尺度逐漸增大，造成采空區上覆巖層向采空區四周煤體上傳遞的載荷隨之增大，導致采動影響范圍、支承壓力等均隨著工作面推進距離的增大而增大。而>3時，覆巖空間結構成了“走向巷道”的情形，圍巖采動應力的傳遞演化特征趨于穩定，其對應工作面前方支承壓力峰值和超前采動影響范圍等均保持不變。

3.3 采動應力傾向傳遞路徑及其傾角效應

同時，由圖5可以看出，在任意回采階段，不同煤層傾角條件下的支承壓力峰值亦存在明顯差異，其反映了煤層傾角對圍巖應力傳遞路徑的影響。以下基于不同煤層傾角條件下的數值計算結果，結合彈塑性理論，以主應力為特征量，在圍巖應力演化的穩定區分析頂板采動應力的傳遞演化特征及其傾角效應。

由彈性理論可知，煤巖體內任意一點的應力狀態特征方程為

-+-=0

(3)

式中，為主應力，N/m，=1，2，3；，和為應力函數，可表示為

(4)

聯立式(3),(4)可求解出的3個實根，其對應煤巖體的3個主應力，，，即

(5)

(6)

對應主應力的方向余弦，，可表示為

(7)

式中，n為應力函數，可表示為

n=(-)(-)

(8)

當工作面推進距離為400 m時，在采空區走向中部沿工作面傾向布置測面，提取不同煤層傾角條件下的計算結果，由式(5)，(7)對數值計算結果進行后處理，可得不同煤層傾角條件下采空區中部傾向剖面內頂板采動應力的傳遞演化特征如圖6所示。由圖6可以看出：

圖6 不同煤層傾角條件下傾向剖面頂板應力傳遞演化特征

(1)受煤層傾角影響，頂板應力的傳遞路徑存在較明顯的非對稱偏轉特征，如圖6(a)～(e)所示。應力偏轉界線(指主應力方向未發生偏轉的臨界位置曲線)左側的上覆巖層載荷向工作面傾向下側煤體傳遞，右側的上覆巖層載荷向工作面傾向上側煤體傳遞。沿頂板自上而下，應力偏轉位置由工作面傾向中軸線(=134.5 m)左側逐漸向其右側遷移。以煤層傾角45°為例，在頂板高位巖層中(= 325 m)，應力偏轉位置在中軸線左側，與中軸線的距離為15 m；在頂板低位巖層中(=200 m)，應力偏轉位置在中軸線右側，與中軸線的距離為8 m，如圖6(c)所示。

(2)隨著煤層傾角的增大，圍巖應力傳遞的非對稱特性增強，應力偏轉界線向工作面傾向中軸線左側的偏移量逐漸增大；當煤層傾角為35°，40°，45°，50°，55°時，模型頂部巖層的應力偏轉位置在工作面傾向中軸線左側，且2者間的距離依次為11，14，15，17，19 m。應力偏轉界線與工作面傾向中軸線交點的高度(方向坐標)呈現為增—減—增的演化趨勢；當煤層傾角為35°，40°，45°，50°，55°時，交點位置處方向的坐標值分別為227，234，227，225，229 m，如圖6(f)所示。

(3) 受煤層傾角影響，頂板巖層的傾向剖面內形成了較明顯的非對稱拱形應力傳遞包絡特征。應力拱的拱腳在工作面傾向上、下側煤體中，拱頂位置可近似通過應力偏轉界線與工作面傾向中軸線的交點位置確定。在應力拱外部，頂板應力的傳遞呈現為上覆巖層載荷向工作面傾向上、下側煤體上的轉遞，主應力值明顯增大，方向向應力偏轉界線兩側旋轉。在應力拱內部，形成較明顯的應力釋放區，主應力值明顯減小，方向亦發生明顯變化。尤其是在工作面傾向中上部區域的低位頂板巖層中，頂板的受力狀態由雙向受壓演變為單向受拉，部分區域甚至演變為雙向受拉，如圖6(a)～(e)中區域A所示。

(4)隨著煤層傾角的增大，頂板傾向應力拱的非對稱特性愈發明顯。頂板非對稱拱形應力釋放區范圍明顯減小，拱頂位置向工作面傾向上側遷移，拱高呈現先增大后減小的演化趨勢。當煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時，拱頂在垂直煤層方向的投影位置與工作面傾向上側煤體的距離分別為12.7，3.7，4.0，1.7和-4.8 m(負值表示拱頂投影位置位于工作面傾向上側煤體上)，拱高分別為53.2，55.1，45.9，40.5和38.4 m，如圖6(a)～(e)所示。

頂板采動應力沿工作面傾向的非對稱傳遞演化特性，決定了傾向上、下側煤體的受載特征。在采空區走向中部沿工作面傾向布置測線，可得不同煤層傾角條件下采空區中部工作面傾向上、下側支承壓力演化特征如圖7所示。由圖7可以看出：

圖7 不同煤層傾角條件下工作面傾向上、下側支承壓力演化特征

(1) 受煤層傾角影響，工作面傾向下側煤體的埋深大于上側，導致傾向下側煤體的支承壓力亦大于上側。且隨著煤層傾角的增大，圍巖自重的傾向分量增大、垂向分量減小，造成工作面傾向上、下側支承壓力均隨著煤層傾角的增大而減小。當煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時，傾向上側支承壓力峰值分別為8.79，8.09，7.27，6.31，5.49 MPa，傾向下側支承壓力峰值分別為10.07，9.44，8.85，7.57，6.53 MPa。

(2) 受頂板采動應力沿工作面傾向的非對稱傳遞演化特征影響(應力拱外側的應力偏轉界線位于工作面傾向中軸線左側)，傾向上側支承壓力集中系數大于下側；且隨著煤層傾角的增大，傾向上側支承壓力集中系數呈現出增—減—增的演化趨勢(與應力拱拱頂方向坐標分量的演化規律一致)，而傾向下側支承壓力集中系數則呈現出減—增—減的演化趨勢。當煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時，傾向上側支承壓力集中系數分別為2.09，2.12，2.11，2.05，2.07，而傾向下側支承壓力集中系數分別為1.860，1.856，1.870，1.740，1.680。

(3) 受工作面傾向下側支承壓力大于傾向上側的影響，傾向下側支承壓力峰值位置和采動影響范圍均大于上側；且隨著煤層傾角的增大，傾向上、下側采動影響范圍呈現出增—減—增與減—增—減的演化趨勢(與傾向上、下側支承壓力集中系數的演化規律相反)。當煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時，傾向上側支承壓力峰值位置距離煤壁分別為0.2，0.3，0.5，0.8，1.9 m，采動影響范圍分別為42，44，37，44，44 m；傾向下側支承壓力峰值位置距離煤壁分別為12，14，15，17，17 m，采動影響范圍分別為51，50，54，53，53 m。

3.4 采動應力走向傳遞路徑及其傾角效應

同理，當工作面推進距離為400 m時，在工作面傾向中部沿走向布置測面，可得不同煤層傾角條件下工作面傾向中部走向剖面內頂板采動應力的傳遞演化特征，如圖8所示。由于走向剖面內頂板應力沿采空區中部對稱，因此在圖8只顯示了由采空區中部至工作面前方50 m范圍內的計算結果。由圖8可以看出：

圖8 不同煤層傾角條件下走向剖面頂板應力傳遞演化特征

(1)不同煤層傾角條件下，頂板采動應力沿走向的傳遞演化特征基本一致，頂板巖層內形成了較明顯的扁平拱(當工作面推進距離與工作面長度之比小于3時為對稱拱)形應力傳遞包絡特征。扁平拱的前、后拱腳分別位于采空區走向兩側煤體上，拱高可由圖6中的傾向拱確定(即，隨著煤層傾角的增大，走向拱的拱高亦呈現出先增大后減小的演化趨勢，拱頂方向的坐標亦呈現為增—減—增的演化趨勢)。應力拱內部形成應力釋放區，主應力值顯著減小，方向發生明顯變化，如圖8(a)～(e)中區域A所示。

(2)在距離工作面1.5(圖8中坐標介于50～200 m)范圍的頂板應力雙向傳遞區內，上覆巖層載荷沿走向的傳遞路徑呈現出半拱形包絡特征。該區域應力拱外側的上覆巖層載荷除了向工作面前方煤體傳遞外，亦向工作面傾向上、下側煤體傳遞，且離工作面越近，其對應上覆巖層載荷向工作面前方煤體傳遞的越多，而向傾向兩側煤體傳遞的越少。即，離工作面越近，第1主應力的大小增幅和方向偏轉角度越大，如圖8(a)～(e)中區域B所示。

(3)在距離工作面1.5以外(圖8中坐標介于200～250 m的區域)深部采空區的頂板應力單向傳遞區內，應力拱外側的上覆巖層主應力方向未發生偏轉，如圖8(a)～(e)中區域C所示，未出現沿走向的應力傳遞現象。結合圖5中工作面前方支承壓力峰值隨工作面推進的演化特征，以及圖6，7關于頂板采動應力的傾向傳遞演化特征可知，該區域傾向拱的拱高保持不變，且應力拱外側的上覆巖層載荷主要向工作面傾向上、下側煤體傳遞。

頂板采動應力沿工作面走向的傳遞演化規律，決定了采空區走向兩側煤體的受載特征。在工作面傾向中部沿走向布置測線，可得不同煤層傾角條件下工作面前方支承壓力演化特征如圖9所示。由圖9可以看出：

圖9 不同煤層傾角條件下工作面走向支承壓力演化特征

(1) 在原巖應力狀態下，隨著煤層傾角的增大，圍巖自重的垂向分量減小，支承壓力亦逐漸減小。但在工作面回采過程中，受頂板應力傳遞的非對稱演化特征影響，隨著煤層傾角的增大，支承壓力峰值和集中系數均呈現為增—減—增的演化趨勢(與拱頂方向坐標的演化規律一致)，而支承壓力峰值位置和超前采動影響范圍的變化不明顯。

(2) 當煤層傾角分別為35°，40°，45°，50°，55°時，工作面前方支承壓力峰值分別為14.5，15.7,11.5，10.6，11.9 MPa，支承壓力集中系數分別為2.84，3.34，2.66，2.69，3.44，峰值位置位于煤壁前方2.5，2，3，3，3 m，采動影響范圍41，42，43，44，42 m。

綜合上述分析可以看出，在大傾角煤層開采中，圍巖應力的傳遞演化特征遠較一般傾角煤層開采時復雜。受煤層傾角影響，圍巖應力的三維傳遞演化特征沿走向對稱、沿傾向非對稱，其隨工作面推進的演化特征與覆巖空間結構的演化規律一致。當工作面推進距離與工作面長度之比<3時，圍巖應力處于增長階段，采空區周圍煤體上的支承壓力隨著工作面推進距離的增大而增大，但其增長幅度逐漸減小；而當>3時，圍巖應力演化趨于穩定，支承壓力保持不變。在工作面傾向剖面內，圍巖應力的傳遞路徑呈非對稱拱形形態，采空區上覆巖層載荷以應力偏轉界線為界分別向傾向上、下側煤體中傳遞。在工作面走向剖面內，圍巖應力的傳遞路徑呈扁平拱(當<3時為對稱拱)形態，扁平拱兩側半拱形區域上覆巖層載荷分別向工作面走向兩側煤體以及傾向上、下側煤體傳遞，而扁平拱中間直線段區域上覆巖層載荷則向傾向上、下側煤體傳遞。同時，需要說明的是，本文僅是對一般條件下大傾角煤層單一工作面開采時的頂板應力傳遞演化特征及其傾角效應進行了研究，未考慮諸如開采方式、工作面布置、關鍵層、斷層、褶曲等因素對圍巖采動應力演化的影響，這需要在后續研究中結合具體工程背景分析。

4 結 論

(1) 圍巖采動應力的非對稱時空演化特征造成工作面不同區域頂板所處的應力環境與受載歷程等存在差異，這種差異性使得頂板的破壞運動與結構研究等存在較明顯的區域特征，導致工作面傾向不同區域支架的受載與失穩特征存在顯著差異，且這一現象會隨著煤層傾角的增大而愈發嚴重。

(2) 圍巖應力的傳遞演化特征與覆巖空間結構的演化規律一致。當工作面推進距離與工作面長度之比<3時，圍巖應力處于增長期，采動影響范圍、支承壓力等均隨著工作面推進距離的增大而增大；而當>3時，圍巖應力演化處于穩定期，支承壓力等均保持不變。

(3) 在工作面傾向方向，圍巖應力的傳遞路徑呈非對稱拱形形態，沿頂板自上而下，應力偏轉位置由工作面傾向中軸線左側逐漸向其右側遷移。上覆巖層載荷以應力偏轉界線為界分別向傾向上、下側煤體傳遞，導致工作面傾向上側支承壓力集中系數大于下側。

(4) 在工作面走向方向，頂板應力的傳遞路徑呈扁平拱形態，扁平拱直線段區域上覆巖層載荷向工作面傾向上、下側煤體傳遞，而扁平拱兩側半拱形區域上覆巖層載荷除了向工作面走向兩側煤體傳遞外，亦向工作面傾向上、下側煤體傳遞。

(5) 隨著煤層傾角的增大，頂板應力傳遞演化的非對稱特性愈發明顯，應力偏轉界線與工作面傾向中軸線間的距離逐步增大。受此影響，工作面走向和傾向上側支承壓力峰值系數隨煤層傾角增大呈現出增—減—增的演化趨勢，而傾向下側支承壓力峰值系數則呈現為減—增—減的演化趨勢。