大傾角煤層長壁開采圍巖應力傳遞路徑時空演化特征

羅生虎，王 同，伍永平，田程陽，郎 丁，趙華濤

(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；4.山東礦機集團股份有限公司，山東 濰坊 261000)

國家“十四五”能源規劃以推動高質量發展為主題，能源保障是高質量發展的基礎。而缺油少氣的資源稟賦特點，決定了煤炭在未來比較長的時間內仍將是中國的戰略性主體能源。中國西部煤炭產量約占全國2/3，這其中，賦存保護性稀缺煤種、煤炭質量較優、廣泛分布且對區域經濟起支撐作用的大傾角煤層的安全高效開采仍是亟待解決的重大工程問題。

大傾角煤層開采中，受煤層傾角影響，采動應力在頂板巖層內和巖層間的傳遞方式及傳遞路徑的空間展布形態等較(近)水平煤層開采時復雜，頂板巖層除了在垂直巖層層面方向運動(與水平煤層開采相似)外，在平行巖層層面方向也產生運動，導致頂板的變形破壞過程中呈現出“時序性”與“非對稱性”。已有的研究工作基本確定了大傾角煤層長壁綜采頂板的非對稱變形破壞運動一般規律，一定程度上掌握了頂板失穩誘發的煤壁片幫、支架下滑傾倒和底板滑移等工作面圍巖災害形成機制，并針對性地提出了防控措施，大幅改善了大傾角煤層開采安全性差的狀況。在非對稱多維交互加-卸載作用下，大傾角煤層在頂板巖層內形成了非規則的破壞包絡面，而非規則破壞包絡面的產生和非對稱巖體結構的形成是因為頂板巖層中存在非對稱展布的應力包絡拱殼。應力包絡拱殼是真實存在卻無法直接觀察得到的，應力包絡拱殼是巖體為抵抗不均勻變形而進行自我調節的一種現象，是圍巖內應力發生集中、傳遞路線發生的偏轉而形成的，確定圍巖采動應力的傳遞路徑對理解和揭示圍巖變形破壞、支承壓力演化內在力學機理等均具有重要意義。

筆者以某礦25221工作面為工程背景，在采用相似模擬實驗對大傾角煤層圍巖結構演化規律研究的基礎上，采用數值模擬、理論分析相結合的研究手段，分析了工作面推進過程中圍巖應力包絡拱殼的演化過程，量化了煤層采動應力傳遞路徑，對豐富大傾角煤層巖層控制理論、實現該類煤層安全高效開采等具有重要的理論指導意義。

1 工程背景

新疆某礦 25221 工作面位于二采區 5號煤層，該工作面位于 15號溝以西，16線以東 153 m，地表為高山溝壑，呈東西狹長分布，西高東低，25221 工作面開采標高為+2 047～+2 120 m，工作面設計走向長2 098 m，工作面傾向長100 m，采高4.5 m。工作面煤煤層傾角36°～46°，平均45°，煤密度1.35 t/m，煤層賦存穩定。工作面直接頂厚度2.32 m，其上為厚度16.59 m的基本頂，巖石單向抗壓強度為79.9～100.2 MPa。工作面直接底為粗砂巖，厚度為17.06 m。煤層綜合柱狀如圖 1所示。

圖1 煤層綜合柱狀Fig.1 Geological column of coal seam

2 大傾角煤層圍巖結構演化特征

相似模擬實驗是以相似理論為基礎的模型實驗技術，是利用事物或現象間存在的相似特征來研究自然規律的一種方法。為了解掌握煤層開采過程中圍巖結構的演化規律，選用西安科技大學自主設計研制的1 500 mm×600 mm×1 500 mm的平立組合式模型架。該模型是一種“假”三維實驗，可沿水平、垂直2個方向施加載荷約束；可在一定程度上反映圍巖的三維變形破壞運移特征。

依據煤層柱狀圖，將現場工程研究對象按照幾何相似比1∶20縮制成實驗模型。依據現場取心測得的煤巖體物理力學參數，相似材料用0.106～0.212 mm(70～140目)石英砂、粉煤灰、石膏、碳酸鈣(大白)按配比混合，加水攪拌均勻后裝入模型架，并用重物將材料夯實到所需密度，分層材料用0.85～2.36 mm(8～20目)的云母粉。根據相似定律，求得模型應力及強度相似常數為32，時間相似常數為20，容重相似常數1.6，載荷相似常數12 800。該實驗主要的測試手段采用專門制作的支架，該支架支柱、頂梁、掩護梁、底座分別安裝高精度傳感器對支柱和側向載荷進行監測，數據收集采用108路壓力計算機數據采集系統。實驗使用模型及設備如圖2所示。

由模型實驗結果可以看出：

圖2 實驗模型及設備Fig.2 Experimental model and equipment

(1) 當工作面處于初采階段，直接頂隨著工作面向前推進而垮落，頂板垮落矸石沿著底板向下滾滑，在支架后方形成矩形+三角形的充填形態，如圖3(a)，(b)所示。直接頂垮落后，在傾向中上部的基本頂范圍內，產生了離層裂隙，裂隙產生的巖層內部不具備承載能力。因此，形成了一個拱頂在工作面傾向中上部，上拱腳在回風巷側，下拱腳在運輸巷側的承載拱。

圖3 圍巖結構演化特征Fig.3 Evolution characteristics of rock structure

(2) 當工作面繼續向前推進，基本頂產生破斷，在破壞包絡線內部，受矸石非均勻充填效應的影響，頂板破斷巖塊的運移-堆砌-鉸接特征復雜，錯層、跨層堆砌現象明顯。沿工作面傾向自下而上，塊體結構形成層位逐漸增高，而其穩定性和對上覆未破壞巖層的支撐效應逐漸減弱，尤其是在工作面傾向中上部區域，塊體結構與上覆未破壞巖層間易形成空洞。在破壞包絡線外部，受破壞包絡面內頂板的破壞運移卸荷效應影響破壞包絡面外頂板巖層的應力傳遞路徑發生改變，形成了非對稱拱殼巖體結構，同時，受矸石非均勻充填和破壞包絡面內塊體結構的非均衡支撐效應影響，沿工作面傾向自下而上，破壞包絡面外頂板拱殼結構形成層位亦逐漸增高，穩定性亦逐漸減弱。頂板承載拱拱頂向高層位演化，兩側拱腳向回風巷、運輸巷兩側進一步偏移，如圖3(c)所示。

(3) 當工作面推進距離較大，頂板垮落高度趨于穩定，如圖3(d)所示。頂板承載拱高度趨于穩定，拱頂位置位于工作面傾向中上部，拱腳位于工作面回風、運輸巷道兩側。

結合上述實驗結果，可以看出，隨著工作面的推進，在工作面傾向形成的承載拱結構的演化趨勢是增大—穩定的，且在傾向上、下端頭位置處，承載拱的拱腳位置隨著推進距離的增大而向深處煤柱內偏移后趨于穩定。但是大傾角煤層圍巖變形破壞的本質是開采擾動下圍巖應力的二次分布所造成的。因此發現并揭示開采過程中大傾角煤層應力傳遞路徑的演化過程與特征尤其重要。

3 大傾角煤層應力拱殼演化特征

為探究大傾角煤層采動過程中圍巖應力拱殼與應力傳遞路徑的演化過程，采用FLAC 3D有限差分數值模擬軟件建立如圖4所示的數值模型。

圖4 大傾角煤層長壁開采數值模型Fig.4 Numerical model of longwall mining in steeply dipping coal seam

采用四邊形網格，模型寬270 m(方向)、長1 000 m(方向)、高325 m(方向)，工作面長度100 m。以實際工程地質為參考依據，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。煤層傾角45°，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。模型生成的單元數2 947 500和節點數3 050 481。開采過程中，利用Fish語言對結果文件進行二次開發，在模型內部布置測點、測線、測面、測體，提取圍巖支承壓力、空間主應力包絡面、三向應力狀態、第一主應力傳遞路徑等數據對圍巖宏觀應力拱殼、應力傳遞路徑進行系統研究。

結合礦區地質賦存條件與煤巖體物理力學參數，數值計算采用的煤巖力學參數見表1。

3.1 支承壓力演化規律

通常意義上，支承壓力是指煤層采出后，在圍巖應力重新分布的范圍內，垂直作用在煤層、巖層和矸石上的壓力。由于煤層傾角的影響，大傾角煤層與水平煤層的支承壓力分布呈現較大差異。在(近)水平煤層中，豎直應力即是支承壓力，但在大傾角煤層中，煤層賦存傾角與水平方向之間具有一定夾角，豎直應力或者豎直應力沿垂直于煤層方向上的分力與支承壓力之間的數據表征具有較大差異。因此，需對計算所得應力數據進行后處理。

表1 煤巖力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock

由彈性力學理論可知，物體內任意一點的應力狀態中，采用正應力表征垂直于斜面上力的大小，表征斜面上切應力的大小。假設工作面推進方向沿軸方向，煤層傾角在平面內變化，則切應力又可分解成沿煤層走向的n與沿煤層傾向的n，且正應力可表征為

(1)

式中,，，為斜面上全應力在坐標軸方向的分量，可表示為

(2)

式中,，，分別為斜面的外法線分量與，，軸之間的方向余弦;，，，，，，，，為單元體9個應力分量。

根據式(1),(2)可得，在初始應力狀態下，大傾角煤層的切向應力、垂向應力與近水平煤層的應力狀態存在顯著差異，這種差異主要來源于煤層傾角影響下水平應力與垂直應力的比值。

圖5為圍巖支承壓力與其峰值的漸變演化過程，圖中橫坐標表示推進距離與工作面長度之間比值。由圖5可以看出：

(1) 當推進距離在50～300 m過程中，支承壓力峰值由4.72 MPa增至5.5 MPa，峰值位置距離煤壁前方6 m，應力集中系數由1.21增加至1.41，增幅16.52%，此區域內稱為支承壓力峰值增長區。自300 m向后，支承壓力峰值、峰值位置、應力集中系數基本保持不變，此區域稱為支承壓力峰值穩定區。

(2) 工作面推進距離小于傾向長度1/3，采場空間可看作是寬度為推進距離、長度為傾向距離的“傾向巷道”。工作面推進距離大于工作面長度的1/3，且小于工作面長度3倍時，覆巖宏觀支撐結構的巷道特征完全消失。該階段內，周期性破斷頂板的長度呈現出增大—破斷—長度再增大—再破斷的特征。此時采空區上方的懸露頂板是一個四周固支、長邊初始為工作面傾向長度，后為工作面推進距離的雙向板結構，因此該階段內，圍巖支承壓力峰值不斷增大。當工作面推進長度大于傾向長度3倍，采場空間可看作是寬度為傾向距離、長度為推進距離的“走向巷道”。圍巖的穩定性主要是由沿傾向結構控制。在該回采階段內，頂板垮落高度不會向上進一步蔓延。頂板的周期性破斷長度與高度保持不變，工作面周期來壓強度保持穩定。

圖5 支承壓力及其峰值漸變演化特征Fig.5 Evolution characteristics of abutment pressure and peak

3.2 采動應力拱殼形態演化特征

煤層采出后，應力包絡拱殼是巖體為抵抗不均勻變形而進行自我調節的一種現象，是圍巖內應力發生集中、傳遞路線發生的偏轉而形成的一種拱形應力分布區。

圖6為推進過程中圍巖主應力包絡拱殼的演化過程。大傾角煤層開采后形成的頂板主應力包絡拱殼在形態上是典型的非對稱特征，殼頂在工作面傾向中上部。且隨著工作面不斷向前推進，應力包絡拱殼高度呈現先增加后保持穩定的演化趨勢，殼頂位置向傾向中上部遷移至一定位置(約工作面長度2/3)后趨于穩定。

圖6 推進過程中圍巖主應力包絡拱殼演化Fig.6 Evolution characteristics of principal stress enveloped arch

當工作面推進距離為50 m時，頂板主應力包絡拱殼高度不斷向上發育，殼頂曲率較大，包絡拱殼的殼基分別位于工作面煤壁前方2 m、后方煤壁1 m，殼頂位于采空區中部，距離煤層上方81 m，包絡拱殼內部的載荷向走向前后方拱腳處傳遞，在前后拱腳位置處壓力升高，這也是走向方向上支承壓力形成的主要原因。當工作面推進距離為100 m時，頂板應力包絡拱殼較50 m時拱高度進一步向上演化至距離煤層上方105 m，包絡拱拱腳分別位于工作面煤壁前方3 m、后方煤壁4 m，包絡拱殼內部的載荷進一步向走向前后方拱腳處傳遞，致使拱腳處壓力進一步增大，這也是推進過程中圍巖支承壓力不斷增大的原因。當工作面推進至300 m及以后，包絡拱殼高度增至距離煤層上方118 m，拱腳位于工作面煤壁前方6 m、后方煤壁7 m，此時包絡拱殼高度趨于穩定，包絡拱殼為“梁+拱”形態，扁平拱頂部的“梁”結構承載的壓力向傾向轉移。距離前、后拱腳64 m范圍內部的壓力拱內部的載荷向走向轉移，這是走向支承壓力周期性穩定演化的主要原因。

大傾角煤層中主應力包絡拱殼是內在控制覆巖垮落的宏觀結構。主應力包絡拱殼內部，巖層離層彎曲現象大量產生致使巖層處在受拉狀態，該區域內巖層處于應力釋放區域，主應力包絡拱殼內部巖層易發生失穩破壞，此為支承壓力周期性演化的內在力學機理。而在主應力包絡拱殼外部，圍巖應力傳遞路徑的演化則是影響巖層變形破壞的核心所在，下文將就此展開詳細論述。

4 采場應力傳遞路徑演化特征

4.1 采場三向應力狀態演化規律

應力路徑又稱“最大斜角平面上的應力歷史”，“矢量曲線”，是土力學中的常見概念。它是指在外力作用下土中某一點的應力途徑和應力歷史在應力主平面或應力空間中的軌跡。應力傳遞路徑反映了其受力狀態的演化過程，因此，量化應力傳遞路徑對揭示圍巖變形破壞、支承壓力演化的內在力學機理具有重要意義。

圖7為煤壁前方三向應力狀態演化特征，圖中黑色矢量為第一主應力，紅色矢量為第二主應力，藍色矢量為第三主應力，箭頭長度表征應力數值的大小，箭頭方向表征應力方向的偏轉。圖8為第一、第三主應力差值的演化特征。由圖7和圖8可以看出：

圖7 采場三向應力演化特征Fig.7 Three-dimensional stress evolution characteristics of stope

圖8 第一、第三主應力差值演化特征Fig.8 Evolution characteristics of the difference between the maximum and minimum principal stresses

(1) 采動過程中，圍巖三向應力的狀態發生了較大的改變。在數值上，較未受擾動區域大幅度增加；在方向上，較未受擾動區域發生了較大的偏轉。沿工作面走向，煤壁前方圍巖三向應力狀態可分為強擾動、弱擾動、原巖應力3個區域。

(2) 分析采動過程中圍巖第一、第三主應力差值演化特征，兩者之間最大差值為9.5 MPa，峰值位置位于煤壁前方6 m位置處。自煤壁至前方16 m，該區域內第一、第三主應力差值較原巖應力區域內增幅超過30%，稱為強擾動區域；自煤壁前方16～70 m區域內增幅位于30%～5%，稱為弱擾動區域；自70 m向后，增幅位于0～5%稱為原巖應力區域。

(3) 主應力呈現先增大后減小的趨勢，其中第一主應力變化的幅度最大，第三主應力變化幅度其次。在強擾動區域內，在數值上，第一主應力先增大，后減小，第二主應力持續減小，第三主應力稍有增大。第二、第三主應力所在平面隨著與煤壁距離的增大與水平面之間的夾角呈現出減小的趨勢。在弱擾動區域至原巖應力區域，第一主應力與第二、第三主應力兩兩垂直。

開采狀態下，煤壁前方圍巖三向應力狀態呈現出各異的演化趨勢，下文中就變化幅度最大的第一主應力展開詳細分析，第二、第三主應力可采取同樣方法進行論述。

4.2 主應力大小漸變演化規律

由彈性力學，任意一點的應力狀態特征方程為

(3)

即

-+-=0

(4)

其中，為主應力(=1,2,3)；，，可表示為

(5)

聯立式(4)，(5)可以解出的3個實根，即，，，這3個主應力相互垂直。求解應力狀態方程可得

(6)

式(6)中可表示為

(7)

將式(7)代入式(6)得主應力后，根據其大小排列，，，對應的每一個主應力的方向余弦分別為

(8)

式中，，，分別為第一主應力與，，軸之間的方向余弦。

(9)

由此可以得出各主應力沿，，軸的分量為

(10)

在模型中部(=134 m，=0～1 000 m，=161 m)布置了1條走向測線，監測煤層上表面走向第一主應力隨推進過程的演化特征。圖9，10中表征的是主應力在，，軸的分量及其演化過程。

(1)大傾角煤層原巖應力狀態下，第一主應力在軸方向分量為0，軸的分量遠大于軸分量。隨著推進距離的不斷增大，第一主應力擾動區域越大，反映在圖中為原巖應力區域點數減少，采空區點數增多。觀察，平面的投影可以得出第一主應力沿原巖應力點與采空區中點的連線呈對稱性分布。開采帶來的擾動，使得第一主應力開始向軸偏轉，第一主應力在軸方向的分量增加。應力增高區域內，第一主應力沿，，軸分量均增大。應力降低區域內，第一主應力在，軸的分量呈遞減趨勢，但軸分量卻呈現處先增大后減小的趨勢，直至到達采空區中心點位置處3個方向的分量均降至0。

圖9 第一主應力大小演化特征Fig.9 Evolution characteristics of the magnitude of the first principal stress

圖10 第一主應力X，Y，Z軸分量演化特征Fig.10 Evolution characteristics of the X, Y and Z axis components of the first principal stress

(2) 原巖應力狀態下，煤層第一主應力在軸分量為5.62 MPa，軸分量為1.02 MPa。當推進距離處于0～300 m內，未擾動區域內煤層第一主應力分布與原巖應力狀態相一致。進入應力增高區后，第一主應力軸分量峰值由10.94 MPa增至12.34 MPa，增大幅度12.8%，峰值位置由煤壁前方3 m遷移至煤壁前方6 m；軸分量峰值由3.08 MPa增至3.49 MPa，增大幅度13%；軸分量峰值由3.56 MPa增至3.84 MPa，增大幅度7.8%，峰值位置由煤壁前方2 m前移至3 m位置處。300～500 m內，軸分量由12.34 MPa增至12.39 MPa，增大幅度0.4%；軸分量由3.49 MPa增至3.51 MPa，增大幅度0.5%；軸分量由3.84 MPa增至3.93 MPa，增大幅度2.3%。進入應力降低區后至采空區中點，第一主應力沿、軸分量不斷減小，直至減小至0；但軸分量由1.53 MPa先增大至3.56 MPa后減至0(50 m推進狀態)，峰值位置位于煤壁前方2 m位置處。自采空區中點—應力降低區域—應力增高區域—原巖應力區域，該范圍內第一主應力分布特征與前一半測線分布特征相對稱(，軸分量軸對稱，軸分量點對稱)，即，，軸分量呈現先增大后減小至原巖應力狀態。

4.3 主應力方向旋轉演化特征

圖11，12為第一主應力方向演化特征，由圖11，12中可以看出：

(1)采動過程中，第一主應力方向發生較大改變。原巖應力狀態下，受煤層賦存傾角的影響，第一主應力方向并不是豎直的，第一主應力與軸之間(水平方向)夾角為100°，與軸之間(垂向)夾角為10°，與軸之間(走向)夾角為0°，表明第一主應力分布在垂直于走向(軸)的平面內，并與豎直方向(軸)稍有偏差。采動后，第一主應力方向與水平方向(軸)之間的夾角沿走向(軸)關于采空區中點呈對稱分布，由原巖應力區域至采空區中點區域內呈現先增大后減小的趨勢。 第一主應力與走向(軸)之間的夾角在采空區中點兩側呈點對稱分布，即在采空區中點前側采空區，第一主應力方向與走向(軸)之間夾角由90°開始呈現先增大后減小的趨勢，在后側采空區，夾角由90°開始呈現先減小后增大的趨勢，兩者變化趨勢絕對值相同。隨著推進距離的不斷增大，第一主應力與垂向、水平方向、走向之間夾角的最大值呈現出先增大，后趨于穩定的演化趨勢。

圖11 第一主應力方向演化特征Fig.11 Evolution characteristics of the first principal stress direction

圖12 第一主應力X，Y，Z軸角度演化特征Fig.12 X,Y,Z axis angle evolution characteristics of the first principal stress

(2) 當工作面推進距離處于50～300 m內，第一主應力與軸之間夾角由煤壁前方75 m增至115 m處開始增大，其夾角峰值由105°增至107°，峰值位置保持在煤壁前方7 m。由此位置至采空區中心位置處夾角開始減小，其角度由74°先減至71°后不斷增大至79°；第一主應力與軸之間夾角在距離煤壁前方18 m增至26 m位置處由90°開始減小，其最小值由57°減至51°，最小值位于采空區側煤壁12 m增至26 m，至此位置采空區中心位置增至90°；第一主應力與軸之間夾角由距離煤壁前方75 m增至115 m處開始增大，其角度峰值由32°增至39°，其峰值位置位于采空區內部12 m增至26 m，由此位置至采空區中心，角度不斷減小，角度最小值由16°降至9°。當推進距離處于300 m及其之后，第一主應力與，，軸之間角度、峰值位置、演化趨勢基本保持穩定。

由上述分析可以看出，在大傾角煤層開采中，受煤層傾角影響，開采后形成的頂板應力包絡拱殼在形態上呈現出典型的非對稱特征，殼頂在工作面傾向中上部，殼基在四周煤體中；且隨著工作面推進，應力包絡拱殼高度呈現先增加后保持穩定的演化趨勢。當工作面推進距離小于3倍工作面長度時，主應力包絡面的高度、殼體沿走向和傾向跨度、煤壁支承壓力等均不斷增大，包絡面上部圍巖自重應力向殼基處的傳遞是造成殼體四周圍巖主應力大小增大、方向偏轉的主要原因。當工作面推進距離大于3倍工作面長度，主應力包絡面呈現周期性演化特征，其表現為殼體走向跨度增大，但其傾向跨度和煤壁支承壓力保持不變，圍巖主應力大小、方向趨于穩定。需要說明的是，不同覆巖的巖層結構及破斷特征亦會對圍巖應力場的演化特征造成影響，本文僅是在一般情況下，研究了大傾角煤層開采中圍巖采動應力隨工作面推進的演化特征，未考慮諸如關鍵層、斷層、埋深、開采方式等因素對采動應力的影響，這需要在以后的研究中加以補充。

5 結 論

(1) 大傾角煤層開采過程中，在非對稱載荷作用下，頂板變形破壞呈現非對稱特征。隨著工作面的推進，圍巖形成的承載拱結構高度呈現出增大—穩定的演化趨勢，且在傾向上、下端頭位置處，承載拱的拱腳位置隨著推進距離的增大而向深處煤柱內偏移后趨于穩定。

(2) 大傾角煤層開采后形成的頂板應力包絡拱殼在形態上是典型的非對稱結構，殼頂在工作面傾向中上部。且隨著工作面不斷向前推進，應力包絡拱殼高度呈現增加后保持穩定的演化趨勢，殼頂位置向傾向中上部遷移至工作面長度2/3位置后趨于穩定。

(3) 采動過程中，主應力的狀態發生了較大的改變。沿工作面走向，煤壁前方圍巖三向應力狀態的分布可分為強擾動、弱擾動、原巖應力3個區域。主應力呈現先增大后減小的趨勢，其中第一主應力變化的幅度最大，第三主應力變化幅度其次。

(4) 大傾角煤層原巖應力狀態下，第一主應力在軸方向分量值為0，軸的分量遠大于軸分量。開采帶來的擾動，使得第一主應力開始向軸偏轉，第一主應力在軸方向的分量增加。隨著推進距離的不斷增大，第一主應力與垂向、水平方向、走向之間夾角的最大值呈現出先增大，后趨于穩定的演化特征。