大傾角大采高軟弱頂?shù)装骞ぷ髅娣謪^(qū)礦壓規(guī)律研究

房萬偉，李鵬杰，李明鑫，趙 瑞，時套套，孫 強，姬長興

（1. 新礦內蒙古能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299；2. 中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3. 內蒙古福城礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299）

0 引言

我國東西部大傾角煤層分布賦存廣泛，大傾角煤層儲量約占我國煤炭總儲量的17%，其中50%以上為稀缺或優(yōu)質的煤炭資源，資源工業(yè)價值較高。但大傾角煤層一般賦存條件及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律復雜，開采難度大。因此，明確大傾角煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對實現(xiàn)大傾角煤層安全高效開采具有重要意義[1-2]。

我國諸多學者針對大傾角煤層圍巖控制技術及理論進行研究。解盤石等[3-6]采用現(xiàn)場實測、相似模擬及數(shù)值模擬等方法研究了大傾角煤層長壁開采覆巖運移規(guī)律、大傾角偽俯斜采場頂板運移破壞規(guī)律，分析了大采高大傾角開采支架動載失穩(wěn)機理；王家臣等[7]采用理論分析及數(shù)值模擬等方法研究了急傾斜厚煤層開采“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性，構建了支架傾斜力學模型，提出急傾斜厚煤層開采支架穩(wěn)定性控制方法；伍永平等[8-9]研究了大傾角煤層工作面飛矸致災機制，提出了工作面飛矸沖擊控制方法；王紅偉等[10-11]采用理論分析及數(shù)值模擬等方法，研究了不同采厚和不同傾角條件下大傾角大采高工作面煤壁穩(wěn)定性，提出了采厚變化和傾角變化對煤壁穩(wěn)定性影響機理；羅生虎等[12-16]采用理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的研究方法，揭示了頂板采動應力傳遞路徑的時空演化特征及傾角效應，研究了大傾角大采高工作面煤壁非對稱受載失穩(wěn)機理，并提出煤壁片幫防治方法，揭示了大傾角工作面底板巖體失穩(wěn)破壞及滑移特征；薛成春等[17]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法，研究了大傾角厚煤層工作面高應力區(qū)開采能量演化規(guī)律，揭示了工作面頂板能量分布特征，并提出沖擊地壓防治方案；唐龍等[18]對大傾角復合頂板工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究，提出了破碎頂板控制技術；張浩等[19]采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬及理論分析等方法，研究了多因素影響下煤壁片幫機制。但目前對大傾角大采高軟弱頂?shù)装宓榷嘁蛩貤l件下工作面分區(qū)礦壓顯現(xiàn)特征的研究較少。

本文針對內蒙古長城二礦1305S工作面大傾角大采高軟弱頂?shù)装骞ぷ髅骈_采條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實測的方法，分析了1305S工作面回采過程中工作面正常區(qū)、過渡區(qū)、卸壓區(qū)的礦壓顯現(xiàn)特征，為此類工作面的安全高效開采提供一定借鑒

1 工程地質條件

內蒙古長城二礦設計生產能力1.2 Mt/a，主采煤層為3煤層。研究區(qū)為一采區(qū)南翼的1305S工作面，工作面走向長2800 m，平均傾斜長度177.1 m，傾角19°～40°，平均傾角23°。該工作面為復合煤層工作面，3上煤層平均厚度1.72 m，3煤層平均厚度2.42 m，中部夾矸平均厚度0.51 m，采用綜合機械化一次采全高法開采，平均采厚4.65 m。直接頂、直接底以泥巖為主，直接頂單軸抗壓強度為14.63 MPa，直接底單軸抗壓強度為14.98 MPa，屬軟弱巖層，基本頂以粉砂巖為主，屬較硬巖層。

1305S工作面后半段下部67 m處為9煤層1906S工作面采空區(qū)，根據(jù)1305S工作面兩巷掘進時的頂板離層及圍巖移進量實測，工作面可劃分為正常區(qū)、過渡區(qū)、卸壓區(qū)。其中，工作面過渡區(qū)范圍約為距1906S采空區(qū)100 m范圍內。1305S工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖，如圖1所示，1305S工作面布置及區(qū)域劃分、1906S工作面采空區(qū)位置，如圖2所示。

圖1 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig. 1 Comprehensive histogram of roof and floor of coal seam

圖2 工作面布置及區(qū)域劃分Fig. 2 Layout of working face and area division

2 工作面滑移充填力學模型

傾斜煤層開采后，直接頂在煤層采動的影響下發(fā)生破壞，巖塊垮落。采空區(qū)傾斜方向上部直接頂垮落的巖塊受重力及煤層傾斜的影響，滑移至工作面采空區(qū)下部，進而形成傾斜煤層采空區(qū)巖塊垮落滑移充填區(qū)域，如圖3所示。工作面滑移充填區(qū)域可分為充填接頂區(qū)及部分充填區(qū)，其中，充填接頂區(qū)長度可由式（1）[20]計算得出。

圖3 傾斜煤層采空區(qū)滑移充填示意圖Fig. 3 Schematic diagram of slip filling in goaf of inclined coal seam

式中：L為巖塊充填接頂區(qū)長度，m；m為工作面采高，取4.65 m；h為直接頂厚度，取1.5 m；h'為部分充填區(qū)散落巖塊平均厚度，m；k為直接頂垮落巖石碎脹系數(shù)，取1.3；a為工作面傾斜長度，取177.1 m；RT為極限抗拉強度，MPa；q為直接頂承受的載荷集度，取17000 kN/m2；α為煤層傾角，取23°。由1305S工作面監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，h'部分充填區(qū)散落巖塊平均厚度取0.5 m，根據(jù)工作面煤巖體的力學特性測試得到直接頂?shù)目估瓘姸葹?.41 MPa，由此即可計算出1305S工作面采空區(qū)滑移充填接頂區(qū)長度為53 m。

3 工作面分區(qū)礦壓顯現(xiàn)數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型及方案設計

基于大傾角采空區(qū)頂板破碎巖塊滑移充填理論，結合1305S工作面大傾角、不穩(wěn)定頂?shù)装濉⒋蟛筛叩裙こ痰刭|條件，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對1305S工作面分區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析研究。

設計模型尺寸為寬×長×高為270 m×800 m×278 m，巖層傾角23°，其中，9煤層及復合煤層工作面四周預留50 m保護煤柱，在模型上表面施加10 MPa的等效地應力，模型四周及底部均施加固定約束，模型上表面自由，采用莫爾-庫倫本構模型，各巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型巖層物理力學參數(shù)Table 1 Numerical model of physical and mechanical parameters of rock

為了研究1305S工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及特征，采用以下開挖方案：模型初始平衡后，先開挖1305S工作面下方原有的1906S老采空區(qū)；下部老采空區(qū)開挖完畢后，1305S工作面即可分為正常區(qū)（0～300 m）、過渡區(qū)（300～400 m）、卸壓區(qū)（400～700 m），而后開挖1305S工作面兩巷及切眼；開挖1305S工作面時，根據(jù)工作面基本頂初次垮落及周期垮落步距，設計工作面每次推進20 m，并結合工作面見方情況，對工作面推進至100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m時礦壓顯現(xiàn)情況進行分析，數(shù)值分析模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值模型示意圖Fig. 4 Diagram of numerical model

1305S工作面及下部1906S老采空區(qū)煤體模擬開挖后，基于大傾角工作面滑移充填模型對數(shù)值模型采空區(qū)進行等效的滑移充填，根據(jù)工作面滑移充填模型理論計算，模型等效滑移充填的接頂區(qū)域長度設計為53 m，非接頂區(qū)域長度為117 m，等效充填效果如圖4所示。模擬中采空區(qū)等效充填部分的力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場取樣及實驗室測試結果確定[21]，等效充填部分力學參數(shù)見表1。

3.2 工作面正常區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

1）正常區(qū)工作面頂板應力分布。1305S工作面正常區(qū)開采過程中，頂板不同位置及頂板整體垂直應力分布，如圖5所示。

圖5 1305S工作面正常區(qū)垂直應力分布Fig. 5 Vertical stress distribution in normal area of 1305S working face

1305S工作面推進至100 m（圖5（a）），沿工作面傾斜方向，工作面采空區(qū)上中部的垂直應力較小，為0～2.5 MPa，采空區(qū)下部垂直應力較大，為12.0～16.0 MPa，同時，工作面中上部前方煤體超前垂直應力較大，為20.0～25.0 MPa，工作面下部前方煤體超前垂直應力約為15.0 MPa，由此下部超前支撐應力較為緩和。

1305S工作面推進至200 m（圖5（b）），沿工作面傾斜方向，工作面采空區(qū)上部的垂直應力較小，為1.0～2.5 MPa，采空區(qū)中部垂直應力為7.5～10.0 MPa，采空區(qū)下部垂直應力較大，為12.5～17.5 MPa，同時，工作面中上部前方煤壁超前垂直應力較大，為20.0～27.5 MPa，工作面下部超前支撐應力為16.0～18.0 MPa。

1305S工作面推進至300 m（圖5（c）），沿工作面傾斜方向，工作面采空區(qū)上部的垂直應力較小，為1.0～2.5 MPa，采空區(qū)中部垂直應力為7.5～12.5 MPa，下部垂直應力較大，為14.0～18.0 MPa，同時，工作面中上部前方煤壁超前垂直應力較大，為25.0～30.0 MPa，下部超前支撐應力較為緩和，約為18.0 MPa。

工作面正常區(qū)回采過程中，工作面煤體超前應力呈現(xiàn)出上部＞中部＞下部的特征，而工作面采空區(qū)頂板所受垂直應力呈現(xiàn)出下部＞中部＞上部。同時，隨著工作面推進，工作面逐漸接近過渡區(qū)，工作面前方超前應力逐漸增大，最大為30.0 MPa。

2）正常區(qū)工作面頂板位移分布。1305S工作面正常區(qū)開采過程中，頂板不同位置垂直位移分布如圖6所示。

圖6 1305S工作面正常區(qū)垂直位移分布Fig. 6 Vertical displacement distribution in normal area of 1305S working face

1305S工作面推進至100 m時，距工作面上部40 m下沉量最大為0.65 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，最大位移為0.1 m；1305S工作面推進至200 m時，距工作面上部40 m下沉量最大為1.65 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，下沉量約為0.10 m；1305S工作面推進至300 m時，距工作面上部40 m下沉量最大為1.65 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，下沉量約為0.20 m。1305S工作面推進過程中回風巷（距工作面上部0 m）、運輸巷（距工作面下部0 m）最大位移分別為1.20 m、0.20 m。

總體來看，由于滑移充填的影響，1305S工作面中上部頂板下沉量大，最大下沉量為1.65 m，1305S工作面下部滑移充填接頂區(qū)頂板下沉量較小，最大下沉量為0.20 m，1305S工作面超前50 m范圍內頂板受超前應力的影響，發(fā)生略微下沉。工作面兩巷頂板移進量呈現(xiàn)出回風巷＞運輸巷。

3.3 工作面過渡區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

1）過渡區(qū)工作面頂板應力分布。1305S工作面過渡區(qū)開采過程中，頂板不同位置及頂板整體垂直應力分布如圖7所示。

圖7 1305S工作面過渡區(qū)垂直應力分布Fig. 7 Vertical stress distribution in transition zone of 1305S working face

1305S工作面推進至400 m，沿工作面傾斜方向，工作面采空區(qū)上部的垂直應力較小，約為2.5 MPa，采空區(qū)中部所受垂直應力為7.5～12.5 MPa，采空區(qū)下部垂直應力較大，為14～19 MPa，同時由于前方為1906S采空區(qū)之上的卸壓區(qū)，工作面中上部前方煤壁超前垂直應力有所減小，為20.0～27.5 MPa。工作面下部前方煤壁超前垂直應力有所減小，為14.0～18.0 MPa。

1305S工作面過渡區(qū)推進完畢后，工作面前方進入工作面卸壓區(qū)，受下部1906S老采空區(qū)采動卸壓影響，1305S工作面卸壓區(qū)傾斜方向中上部頂板所受垂直應力降低，垂直應力為5.0～10.0 MPa，工作面下部所受垂直應力變化較小。

2）過渡區(qū)工作面頂板位移分布。1305S工作面過渡區(qū)開采過程中，頂板不同位置垂直位移分布如圖8所示。

圖8 1305S工作面過渡區(qū)垂直位移分布Fig. 8 Vertical displacement distribution in transition zone of 1305S working face

1305S工作面推進至400 m時，距工作面上部40 m下沉量最大為1.85 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，下沉量約為0.30 m。總體來看，由于滑移充填的影響，工作面中上部頂板下沉量大，最大下沉量為1.85 m，工作面超前50 m范圍內頂板下沉量小于0.20～0.50 m。

3.4 工作面卸壓區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

1）卸壓區(qū)工作面頂板應力分布。1305S工作面卸壓區(qū)開采過程中，頂板不同位置及頂板整體垂直應力分布如圖9所示。

圖9 1305S工作面卸壓區(qū)垂直應力分布Fig. 9 Vertical stress distribution in pressure relief area of 1305S working face

1305S工作面推進至500 m（圖9（a）），由于工作面應力釋放的原因，1305S工作面卸壓區(qū)采空區(qū)頂板所受應力明顯小于正常區(qū)和過渡區(qū)，卸壓區(qū)工作面兩側保護煤柱應力集中明顯小于正常區(qū)，為22.0～26.0 MPa，同時工作面中上部煤壁超前垂直應力為15.0～25.0 MPa，工作面下部前方煤壁超前垂直應力為14.0～18.0 MPa。

1305S工作面推進至600 m（圖9（b）），工作面后方采空區(qū)中上部頂板所受垂直應力為2.5～7.5 MPa，下部采空區(qū)頂板所受垂直應力為14.0～22.5 MPa，工作面中上部前方煤壁超前垂直應力為17.5～25.0 MPa，工作面下部前方煤壁超前垂直應力為14.0～20.0 MPa。

總體來看，由于采空區(qū)上方工作面應力釋放的原因，位于1305S工作面卸壓區(qū)頂板所受應力明顯小于正常區(qū)及過渡區(qū)，受滑移充填的影響，沿傾斜方向工作面所受垂直應力呈現(xiàn)出上部＜中部＜下部。工作面推進完畢后沿傾斜方向工作面中上部所受垂直應力呈現(xiàn)出卸壓區(qū)＜正常區(qū)＜過渡區(qū)，工作面下部呈現(xiàn)出正常區(qū)＜過渡區(qū)＜卸壓區(qū)。

2）卸壓區(qū)工作面頂板位移分布。1305S工作面卸壓區(qū)開采過程中，頂板不同位置垂直位移分布如圖10所示。

圖10 1305S工作面卸壓區(qū)垂直位移分布Fig. 10 Vertical displacement distribution in pressure relief zone of 1305S working face

1305S工作面推進至500 m（圖10（a））時，受下部1906S工作面采動影響，總下沉量大于正常段，距工作面上部40 m下沉量最大為1.80 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小。最大下沉量為0.30 m；1305S工作面推進至600 m（圖10（b））時，距工作面上部40 m下沉量最大為1.95 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，下沉量約為0.31 m；1305S工作面推進至700 m（圖10（c））時，距工作面上部40 m下沉量最大為2.25 m，其兩側位移逐漸減小，工作面下部頂板下沉量較小，下沉量約為0.31 m。

總體來看，受下部1906S工作面采空區(qū)影響，1305S工作面頂板下沉量卸壓區(qū)＞過渡區(qū)＞正常區(qū)。同時，由于滑移充填的影響，工作面中上部頂板下沉量大，最大下沉量為2.25 m，工作面下部頂板下沉量為0.31 m，傾斜方向呈現(xiàn)出工作面下沉量中部＞上部＞下部。

4 工作面礦壓實測分析

4.1 工作面礦壓實測分析

根據(jù)1305S工作面支架監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及支架工作阻力達到近期相對峰值的時間，結合對應工作面進尺推算工作面頂板運動周期來壓步距，并將1305S工作面劃分為上、中、下三個監(jiān)測區(qū)域，分析2023年4月工作面支架支撐阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取每個監(jiān)測區(qū)域內支架最大阻力平均值，繪制上中下部支架工作阻力圖，如圖11所示，工作面支架實拍圖如圖12所示。

圖11 1305S工作面支架工作阻力Fig. 11 Working resistance of 1305S working face support

圖12 1305S工作面支架實拍Fig. 12 Real shot of 1305S working face support

2023年4月期間沿傾斜方向1305S工作面上部先后經歷周期來壓4次，周期來壓步距分別為9.3 m、18.3 m、12.3 m、13.0 m，工作面上部平均來壓步距為14.8 m。來壓時支架工作面分別為33.05 MPa、32.22 MPa、31.73 MPa、30.63 MPa，平均來壓時的工作阻力為31.91 MPa。

1305S工作面中部先后經歷周期來壓4次，周期來壓步距分別為9.3 m、15.9 m、18.1 m、16.0 m，工作面上部平均來壓步距為14.8 m。來壓時支架工作面分別為31.61 MPa、32.00 MPa、30.99 MPa、29.86 MPa，平均來壓時的工作阻力為31.12 MPa。

1305S工作面上部先后經歷周期來壓4次，周期來壓步距分別為7.4 m、18.3 m、17.9 m、8.1 m，工作面上部平均來壓步距為13 m。來壓時支架工作面分別為26.75 MPa、27.92 MPa、27.76 MPa、26.81 MPa，平均來壓時的工作阻力為27.31 MPa。

綜上所述，1305S工作面2023年8月回采過程中工作面周期來壓步距介于7.4～18.1 m之間，平均周期來壓步距為13.3 m，平均來壓天數(shù)6 d。周期來壓時支架工作阻力在26.75～33.05 MPa之間，工作面沿傾斜方向支架工作阻力總體呈現(xiàn)出工作面上部＞中部＞下部的特點，與數(shù)值模擬結果相互驗證。

4.2 工作面兩巷礦壓實測分析

運用兩巷設置的圍巖變形測站對工作面回采過程中兩巷圍巖移進量進行監(jiān)測，選取兩巷相同位置測站回風測點3、回風測點30和運輸測點3、運輸測點30，對兩巷圍巖移進量進行分析。工作面兩巷圍巖實測移進量曲線如圖13所示，工作面兩巷超前區(qū)實拍如圖14所示。

圖13 工作面兩巷圍巖實測移進量Fig. 13 Measured displacement of surrounding rock in two roadways of working face

圖14 工作面兩巷超前區(qū)實拍Fig. 14 Real shooting in the advance area of two roadways in working face

隨著工作面推進，進入回風測點3和運輸測點3的監(jiān)測范圍，回風測點3超前工作面70 m時，巷道圍巖移進量開始逐步增大，工作面推進至測點位置時，回風巷頂板移進量為860.18 mm，底板移進量為580.31 mm，右?guī)鸵七M量為242.43 mm，左幫移進量為54.72 mm；運輸測點3超前工作面60 m時，巷道圍巖移進量開始逐步增大，工作面推進至測點位置時，運輸巷頂板移進量為322.40 mm，底板移進量為219.52 mm，右?guī)鸵七M量為98.25 mm，左幫移進量為207.24 mm。

隨著工作面推進，進入回風測點30和運輸測點30的監(jiān)測范圍，回風測點30超前工作面100 m時，巷道圍巖移進量開始逐步增大，工作面推進至測點位置時，回風巷頂板移進量為728.93 mm，底板移進量為471.98 mm，右?guī)鸵七M量為215.03 mm，左幫移進量為178.59 mm。運輸測點30超前工作面90 m時，巷道圍巖移進量開始逐步增大，工作面推進至測點位置時，運輸巷頂板移進量為367.84 mm，底板移進量為296.08 mm，右?guī)鸵七M量為110.52 mm，左幫移進量為149.28 mm。

綜上所述，回風巷圍巖移進量呈頂板＞底板＞右?guī)停üぷ髅婷罕趥龋咀髱偷奶攸c，運輸巷圍巖移進量呈頂板＞底板＞左幫（工作面煤壁側）＞右?guī)偷奶攸c，兩巷圍巖移進量呈回風巷＞運輸巷的特點，與數(shù)值模擬結果相互驗證。

5 結 論

1）大傾角大采高軟弱頂?shù)装骞ぷ髅娴姆謪^(qū)礦壓顯現(xiàn)有以下特征：沿傾斜方向工作面中上部所受垂直應力呈現(xiàn)出過渡區(qū)＞正常區(qū)＞卸壓區(qū)的特點，工作面下部呈現(xiàn)出卸壓區(qū)＞過渡區(qū)＞正常區(qū)的特點；工作面頂板下沉量呈現(xiàn)出卸壓區(qū)＞過渡區(qū)＞正常區(qū)的特點。

2）通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測分析，研究結果表明：1305S工作面推進過程中，平均周期來壓步距為13.3 m，周期來壓時支架工作阻力在26.75～33.05 MPa之間，沿工作面傾斜方向頂板所受垂直應力總體呈現(xiàn)出工作面上部＞中部＞下部的特點。

3）通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測分析，研究結果表明：工作面推進過程中，兩巷圍巖移進量呈回風巷＞運輸巷的特點；回風巷圍巖移進量呈頂板＞底板＞右?guī)停üぷ髅婷罕趥龋咀髱偷奶攸c，運輸巷圍巖移進量呈頂板＞底板＞左幫（工作面煤壁側）＞右?guī)偷奶攸c。