大傾角綜放工作面礦壓顯現規律研究

許紅杰

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013)

0 引 言

在我國，大傾角煤層儲量占總儲量的比例達到15%左右，每年產量占總產量的8%～10%[1]。多年來，國內外學者利用相關理論、數值計算、相似試驗和現場測試等分析方法，研究了大傾角煤層工作面的頂板破斷運移規律及礦壓顯現特征，取得了豐碩的成果[2]。大傾角煤層走向長壁綜放工作面，因煤層傾角大于頂煤頂板破碎煤矸石的自然安息角[3]，在工作面回采過程中，頂煤頂板冒落的煤矸石會沿著底板向工作面下端頭滑移，不同程度地充填采空區，工作面后方采空區的充填程度差異明顯，呈現出工作面下部區域充填壓實程度高，中部充填程度比較完全，上部區域充填不充分的特征[4-7]。直接頂冒落后采空區充填不均勻，造成對上覆巖石約束的非均衡性，基本頂初次破斷和周期破斷期間，工作面礦壓顯現呈現出“時-空-強”非對稱特征[8]，沿傾斜方向工作面中部偏上部位支架受力最大，上部次之，下部較小。大傾角綜放工作面基本頂初次垮落后，隨著工作面的持續推進，會出現“懸露-斷裂-轉動-下沉觸矸”的周期性破斷現象[9]，工作面不同位置在不同時期的礦壓顯現特征變化明顯，與緩傾斜煤層工作面礦壓顯現特征出現較大差異[10-11]，巖層控制難度比緩傾斜煤層大。受放煤影響，大傾角綜放工作面支架承載過程處于動態變化中，支架容易發生失穩，回采過程中工作面容易發生片幫和端面冒頂，影響綜采設備的穩定性和工作面安全管理[12-13]。

充分分析大傾角煤層工作面的礦壓顯現規律，掌握上覆巖層運移特征，可為大傾角綜放工作面安全持續開采提供保障[14-16]。本文以汾源煤業5-101綜放工作面為研究對象，該煤層屬于典型的“三軟”地質條件大傾角特厚煤層，采用物理相似材料模擬試驗及現場實測相結合的手段，對沿工作面傾向不同范圍的頂板巖層破壞特征、支架受載穩定性狀態和支架工作阻力等方面進行分析，為大傾角煤層長壁開采下頂板穩定性控制提供必要的基礎。

1 工作面概況

汾源煤業位于寧武煤田，地表覆蓋第三系、第四系，溝谷區域可見基巖，從東南向西依次出露中奧陶系、石炭系和二疊系。 主要可采煤層為5號煤層，煤層厚度為1.85～20.06 m，平均厚10.29 m，含0～4層夾矸，一般含矸1～2層，結構復雜，屬全井田可采的穩定煤層，煤層平均傾角在35°以上，屬典型的大傾角煤層。煤層單軸抗壓強度在10 MPa左右，屬軟弱煤層，頂板主要是泥巖或砂質泥巖，底板巖性為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，煤層綜合柱狀如圖1所示。由圖1可知，該煤層頂板、底板松軟，因此5號煤層為松軟大傾角煤層。5-101綜放工作面為5號煤層的首采工作面，走向長465 m，傾向長85 m，在實際開采過程中，根據工作面起伏狀態，選用合適的上行割煤和下行割煤方式。

圖1 5號煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.5 coal seam

2 大傾角綜放工作面礦壓顯現相似模擬分析

大傾角松軟特厚煤層一次采全高工作面上覆巖層的破壞規律可以從走向和傾向兩個角度進行考慮。 根據已有研究[17-20]，在走向上，工作面上覆巖層的破斷規律同近水平煤層和緩傾斜煤層一致，均具有初次來壓和周期來壓特征，老頂均可形成砌體梁結構；在傾向上，由于上覆巖層沿工作面重力分力作用的影響下，使其形成“傾向砌體”結構，進而導致與近水平工作面和緩傾斜工作面的特征形成差異。綜合考慮利用物理相似模擬鋪設傾向模型，分析割煤開挖后覆巖的破斷冒落特征。 依據實驗室物理力學參數測試結果，按照相似理論選擇材料配比，具體參數見表1。

表1 相似材料配比參數Table 1 Similar material ratio parameters

綜合考慮原巖層理、節理、裂隙和軟弱面等影響因素，鋪設相似材料物理模型，骨料為河砂、石英砂和云母，膠結物由碳酸鈣和石膏組成，依照設計進行攪拌、鋪設，仿照工程實際情況的模型思路，盡量消除和減少模型與原型在力學性態上的差異，使其受力強度保持一致。模型鋪設時分層材料使用云母粉，最終模型如圖2所示。該模型的幾何相似比為1∶200，容重相似比為1.8∶2.5，時間相似比為1∶(200)0.5，應力及強度相似比為1.8∶500.0，實驗選用長×寬×高=3.20 m×0.25 m×1.30 m的平面應力模型架。

圖2 相似材料模擬模型Fig.2 Similar material simulation model

2.1 覆巖破斷運移過程

1) 上行割煤。模型采用上行和下行兩種割煤方式，兩側各留20 cm(對應實際量40 m)作為左右側邊界，工作面的有效長度為195 cm(對應實際量390 m)，從模型中5號煤層的中心開始，先上行割煤95 cm(對應實際量190 m)，再下行割煤100 cm(對應實際量200 m)。循環進度為5 cm(對應實際量10 m)，開挖間隔為20 min，在此過程中通過觀察頂板的破斷運移特征，分析大傾角綜放工作面礦壓顯現規律。

由上行割煤過程可知，上行割煤15～40 m，直接頂離層隨上行推進而持續加大，并出現較大撓度，有垮落的趨勢；上行割煤40～50 m，推進至42 m處，直接頂破斷冒落，冒落煤矸石沿下山方向滑移；上行割煤60～70 m，推進過程中直接頂隨采隨垮，采空區上方懸露的基本頂出現離層，并隨著推進彎曲撓度持續增大。工作面推進至68 m處時，直接頂垮落后，基本頂發生初次斷裂，步距為68 m。基本頂斷裂后整體向后滑動，斷裂的基本頂在上山方向無法形成鉸接結構，上山方向回轉后失穩，沿裂縫切落，礦壓顯現較強；斷裂基本頂在下山方向形成穩定的鉸接巖梁結構，礦壓顯現較弱。

割煤過程中直接頂垮落矸石下滑至下部區域(圖3和圖4)呈破碎狀不均勻的充填在采空區(C區)；中部區域(B區)受下部區域空間矸石影響，垮落巖塊較為完整，充填不完整，上部呈懸頂狀態(A區)，基本頂中上部區域巖層出現離層破壞現象，離層量較小。

上行割煤在70～80 m過程時，直接頂隨推進垮落，并向下山方向滑動；上山方向懸臂結構的老頂巖層彎曲明顯，采空區上方懸露的基本頂出現較大離層。上行割煤80～130 m，大范圍基本頂整體下沉，并向下山方向滑動，最大離層發育到采空區底板法線上方52 m處(圖4)。上山方向基本頂斷裂處未形成鉸接結構，覆巖整體切落，附近巖體裂縫發育，間隙較大，礦壓顯現劇烈；下山方向形成穩定的鉸接結構，巖體裂隙受擠壓閉合，礦壓顯現較弱。

圖3 上行割煤70 m頂板垮落形態Fig.3 Roof caving form of 70 m upward coal cutting

圖4 上行割煤130 m頂板垮落形態Fig.4 Roof caving form of 130 m upward coal cutting

上行割煤在130～160 m過程時，直接頂隨采隨冒，當上行割煤推進到160 m處時，高位基本頂懸臂結構巖梁發生斷裂，呈逆時針回轉下沉(圖5)，在斷裂處會形成鉸接結構，礦壓顯現較弱。上行割煤160～170 m，推進過程中直接頂隨采隨冒，并向下山方向滑動；上行割煤推進到170 m處，懸臂基本頂再次斷裂，基本頂和上覆巖層繼續逆時針回轉下沉，斷裂處形成鉸接結構。 上行割煤170～190 m，推進過程中直接頂隨采隨冒，并向下山方向滑動；工作面推進至176 m處，基本頂在煤壁處發生斷裂，發生順時針回轉失穩破壞，未在斷裂處形成鉸接結構，附近巖體裂縫發育，間隙較大，礦壓顯現強烈，上覆巖層斷裂發育到模型頂部。

圖5 上行割煤160 m頂板垮落形態Fig.5 Roof caving form of 160 m upward coal cutting

上行割煤過程中，上位基本頂呈規則垮落狀態，下山方向采空區充填不均勻性，工作面上部(A區)為懸頂區，幾乎無充填矸石；中部(B區)由下向上煤矸石充填量逐漸減少，冒落后的煤矸石呈梯形狀(圖4)；下部矸石在采空區進行充填，在重力作用下采空區直接頂逐步壓實，穩定后呈矩形狀分布。由于采空區矸石充填程度的差異，致使下端頭基本頂形成“傾向砌體”結構，而上端頭基本頂則作為規則冒落帶隨割煤推進發生冒落。

2)下行割煤。下行割煤10～20 m，直接頂隨開采局部垮落，基本頂出現離層并有增大趨勢。下行割煤20～30 m，直接頂隨采隨垮，并向下山方向滑動；懸臂狀基本頂發生斷裂，呈順時針回轉(圖6)，在斷裂處形成穩定的鉸接巖梁結構。

圖6 下行割煤30 m頂板垮落形態Fig.6 Roof caving form of 30 m downward coal cutting

下行割煤30～50 m，懸臂狀基本頂再次發生斷裂、順時針回轉，在斷裂處形成穩定的鉸接結構，周圍巖體裂隙發育不明顯。下行割煤50～100 m，懸臂狀基本頂多次斷裂、順時針回轉，如圖7所示，同樣會在斷裂處形成穩定的鉸接結構，周圍巖體裂隙發育不明顯。上覆巖層發生大范圍斷裂下沉，下山方向覆巖斷裂處裂縫縫隙小，大部分為未貫穿裂隙，最大離層發育到采空區底板上方180 m左右。

圖7 下行割煤100 m頂板垮落形態Fig.7 Roof caving form of 100 m downward coal cutting

下行割煤過程中，直接頂隨采隨垮，并向下山方向滑動；基本頂呈懸臂狀態，周期性地發生斷裂垮落，斷裂處呈鉸接狀態。滑動的垮落直接頂堆積在下山方向的基本頂下方，限制了基本頂的順時針回轉幅度，礦壓顯現較弱。上覆巖層會隨基本頂的回轉下沉而發生較大范圍下沉，斷裂處存在不貫通的細小裂隙，隨著時間的推移，最大離層向上發育至采空區上方250 m左右(圖8)。

大傾角工作面上覆巖層的鉸接結構呈現下部多、上部少的特點，基本頂離層向垂直工作面正上方發展，發育程度高達250 m，離層最大量位于工作面中下部的正上方，這是上覆巖層最大的擾動區域，破斷形狀呈波浪狀(圖8)。

圖8 下行割煤200 m頂板垮落形態Fig.8 Roof caving form of 200 m downward coal cutting

根據割煤過程直接頂和基本頂的垮落狀態可知，大傾角工作面受到煤層傾角影響，采場頂板呈非均勻受載狀態，采空區矸石充填不均勻，工作面傾向下部區域頂板巖層得到垮落后，下部充填較為密實，從而在傾斜中上部區域形成非均勻下沉，采場中部區域和上部區域采空區充填程度一般，垮落巖石未對上方頂板結構提供有效支撐作用，頂板呈現懸頂狀態。

2.2 覆巖運移規律分析

本次實驗沿5號煤層頂板傾斜方向和法線方向每間隔5 cm布置一個位移測點，共28層，658個測點。每次開挖后用全站儀測量位移的橫坐標、縱坐標，繪制巖層顯著移動的測點與原始位置的對比圖(圖9和圖10)。

圖9 上行割煤覆巖運移Fig.9 Strata migration of upstream coal mining

圖10 覆巖運移位置點陣分布Fig.10 Lattice distribution of strata migration position

由圖9和圖10可知，頂板導水裂隙帶呈非對稱性，為了分析工作面推進過程中上覆巖層“三帶”發展過程，提取不同開挖狀態下，“三帶”測點數據，繪制不同層位頂板下沉位移如圖11所示。由圖11可知，隨著割煤長度的增加，上覆巖層冒落最大量值在增加，發生垮落的最大量位置向上部區域偏移；工作面中上部垮落高度最大，受到覆巖層大范圍破壞及破斷高度的增加，而且冒落煤矸石容易下滑，很難充滿采空區，因此支架在中上部的穩定性較差。

圖11 上行割煤不同層位頂板下沉位移Fig.11 Roof subsidence displacement at differentlayers of upstream coal mining

3 大傾角綜放工作面實測

選取汾源煤業5-101綜放工作面正常回采期間工作面礦壓數據進行穩定性分析，包括得到工作面支架工作阻力分布、周期來壓情況、支承壓力分布和巷道圍巖變形情況。

3.1 支架工作阻力分析

在工作面礦壓作用下，液壓支架的工作阻力分布區間能夠較好地反映出支架的工作狀態。通過分析液壓支架工作阻力分布區間是否在合理范圍內來判斷工作面液壓支架的適應性。近似為正態分布的液壓支架工作阻力分布區間是較為合理的，區間占比峰值位于額定工作阻力的50%～80%值處附近較為合理。具體劃分方法按照額定工作阻力的百分比劃分為5個區間，然后統計支架工作阻力在各區間段所占的百分比。各階段液壓支架工作阻力區間分布如圖12所示。

圖12 液壓支架工作阻力區間分布Fig.12 Distribution of support working resistance

由圖12可知，大傾角綜放工作面整體礦山壓力較小，正常回采期間，液壓支架工作阻力很少出現超過3 000 kN的現象。在工作面周期來壓期間，液壓支架工作阻力會超過4 000 kN，其他周期內液壓支架工作阻力呈較低狀態。大傾角綜放工作面有20%的液壓支架工作阻力處于0～500 kN之間，而且每個液壓支架有20%的時間處于不承壓狀態。由于5-101工作面為急傾斜工作面，支架處于低阻力狀態不利于支架防倒、防滑。支架存在不承壓的主要原因是頂煤較軟，放煤較為充分，液壓支架后立柱存在空頂現象，從而導致整個液壓支架不能有效承載。

5-101工作面傾角大，先放上段頂煤可保證下段頂煤的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能夠有效承載，可以有效遏制上部支架向下滑動和傾倒。此外，控制單個液壓支架的頂煤放出量，利用液壓支架壓力數據，尤其是前柱壓力數據，調整并控制放煤時間。當壓力數值降低時，可適當減小放煤時間，防止出現前柱不接頂現象。因此，為減少液壓支架不能有效支撐頂板情況，可采用下行移架方式。

3.2 工作面周期來壓分析

根據礦壓監測系統采集的數據分析知，2020年1月—5月，工作面發生了16次周期來壓，液壓支架壓力變化能夠捕捉到頂板來壓顯現特征。大傾角綜放工作面上端頭和下端頭的來壓頻次小于工作面中部，頂板周期來壓頻次較多的位置位于10#支架～20#支架，工作面周期來壓顯現強烈的區域位于工作面傾角變化大的轉折區域。工作面下端頭周期來壓強度較低，來壓步距在10.0～14.8 m左右，各支架來壓次序及來壓步距如圖13所示。

圖13 周期來壓步距Fig.13 Periodic step compression

由實測數據得到大傾角綜放工作面周期來壓顯現存在如下幾個特點：①大傾角綜放工作面不同區域頂板來壓頻次和顯現強度差異較大，兩端的頻次和強度都要低于中間區域；②工作面上部區域頂板來壓發生時間較早，可以以此判斷工作面來壓的時機；③工作面周期來壓步距為10.0～14.8 m，每周會發生以此周期來壓，來壓持續時間約為2 d。由此可見，大傾角煤層長壁綜放開采基本頂在周期破斷期間工作面礦壓顯現的“時-空-強”非對稱特征較為明顯。

4 結 論

1) 大傾角綜放工作面上行割煤基本頂斷裂后整體向下山方向滑動，斷裂的基本頂在上山方向無法形成鉸接結構，在上山方向回轉后失穩容易沿裂縫切落，導致礦壓顯現較強，斷裂基本頂在下山方向形成穩定鉸接結構，整體礦壓顯現較弱。

2) 大傾角綜放工作面下行割煤基本頂斷裂會發生順時針(轉向上山方向)回轉，并在斷裂處形成鉸接結構，整體礦壓顯現較弱，上覆巖層會隨基本頂的回轉下沉而發生較大范圍下沉，斷裂處細小尺寸裂隙較多，貫通形式相對較少。

3) 大傾角“三軟”煤層綜放工作面支架在荷載的長期作用下，顯示處于低工作阻力運行狀態，5-101工作面放煤期間易出現支架后柱空頂，近20%的支護時間內支架不受壓，先放上段頂煤層可保證下段頂煤層的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能夠有效承載，有效遏制上部支架向下滑動和傾倒。

4) 大傾角綜放工作面不同區域頂板來壓頻次和顯現強度差異較大，兩端的頻次和強度都要低于中間區域，工作面礦壓顯現呈現出明顯的“時-空-強”非對稱特征狀態。