大倾角大采高工作面覆岩破坏与围岩应力分布规律研究

曲秋扬

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

大倾角大采高工作面覆岩破坏与围岩应力分布规律研究

曲秋扬

（天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013）

探讨了大倾角大采高工作面覆岩破坏与围岩应力的分布规律，研究结果表明采空区中上部易形成大动载，需要增大初撑力弱化顶板离层；直接顶的破断下滑严重，需要保证初撑力及合理拉移支架、推溜，避免支架滑移、倒架；超前支承压力影响范围在工作面推进过程中呈动态变化，支护重点由上端头向下端头转移。经过现场实测，证实同试验结果较为相符。

大倾角大采高工作面 覆岩破坏 围岩应力 相似模拟 数值模拟

大倾角大采高工作面由于同时具有倾角大、采高大的特点，使得该类工作面的开采条件、顶板垮落方式和支护方式较近水平大采高工作面更独特、更复杂。近年来，我国学者对该类煤层进行了诸多研究，研究多集中于开采后的围岩结构形式与现场实测，围岩破坏过程研究较少。基于已有研究成果，考虑煤层赋存区域性的特点，本文利用相似模拟和数值模拟对攀煤矿区花山煤矿大倾角大采高工作面的覆岩破坏与围岩应力分布规律进行研究，用以指导工作面的正常生产、合理支护和工作面巷道超前支护，并为近一半四川矿区的大倾角煤层开采提供借鉴。

1　工作面基本概况

花山煤矿4238工作面为川煤集团攀枝花分公司首个大倾角大采高工作面。该工作面回采23#煤层，埋深为500～560 m，走向长为638～655 m，倾斜长为117～123 m，平均倾角为40°，煤层赋存情况为四层煤三层矸，平均煤厚4.2 m，煤层赋存较为稳定。工作面上覆岩层岩性及力学参数见表1。

表1　上覆岩层赋存及物理力学参数

2　覆岩破坏与围岩应力的试验研究

2.1 相似模拟试验

2.1.1 模型的建立

用河砂、石英砂和云母做骨料，以碳酸钙、石膏做胶结物，对照原型的地层资料进行铺装，根据各煤岩层抗压强度要求对碳酸钙、石膏、河砂进行配比。模型按倾向剖面进行模拟布置，模型煤层倾角为40°，倾斜长度为1782 mm，厚度为50.60 mm。采用尺寸为100 mm×50 mm×120 mm配重铁块模拟其余上覆岩层对煤层的垂直应力。依据相似定律确定试验模型几何相似常数100，容重相似常数为1.61，时间相似常数为10，应力及强度相似常数为161。

2.1.2 覆岩的破断规律

根据模型铺设的不同层位，安设测点，见图1（a）中白色方形点，倾向上测点间距为100 mm，纵向上由直接顶向地表由密变疏。模型开挖完毕后，使用PENTAXR-322NX全站仪观测模型垮落后的顶板岩层运移规律。

工作面开挖完毕后，覆岩垮落如图1（a）所示，并对其进行描绘，见图1（b）。分析图1可知，在工作面下部，第一层直接顶呈破碎不规则垮落，采空区充实完全；上方直接顶岩层整体发生弯曲下沉-拉伸破坏-垮落规则垮落状；工作面中部和上部直接顶发生破碎不规则垮落，更上方直接顶分区段发生弯曲下沉-拉伸破坏-垮落岩块交错状不规则垮落，采空区未充实或悬顶，致使采空区顶板回转、运移空间大，垮落岩块发生彼此交错，空隙较大。

根据顶板垮落特征，工作面下部采空区易充实，支架承受动载荷较小，保证支架初撑力的情况下工作面安全状况较好。由于工作面中上部采空区未充实，因此顶板来压时容易形成大动载，瞬间造成高压力值，容易造成安全阀开启或支架压死现象。根据相关研究，增大初撑力可减小顶板离层，弱化来压强度，因此需要注意工作面中上部支架初撑力。

图1　上覆岩层垮落状态图

2.1.3 覆岩的运移规律

分析模型中各个岩层的测点下沉量可知，当工作面开采完毕，第一、二层直接顶的下沉量最为明显，最大值分别达到0.23 m（实际23 m）、0.12 m（实际12 m）。此两层直接顶的下沉量包含冒落高度和冒落后矸石下滑产生的下沉量。第三层测点为第一层基本顶布置线，其最大下沉量为0.04 m （4 m），更上层基本顶下沉量更小，在3 m以内。而且，根据坐标点对比可知，基本顶岩层以发生下沉为主，无明显下滑迹象。

根据覆岩运移规律可知，直接顶破断下沉后下滑较为严重，基本顶以垂直工作面下沉为主，因此在大倾角工作面支架的稳定性主要受直接顶垮落下滑的影响，致使工作面中上部支架容易发生下滑和倾倒。解决该问题的主要措施：一是保证工作面支架的初撑力；二是保证拉架、推溜合理，使支架与刮板输送机尽量呈正倾斜布置；三是具有合理的调正机构或措施，发生问题可及时做到不影响生产。

2.2 数值模拟

2.2.1 模型的建立

模型中煤层及其顶底板岩层均按钻孔柱状图显示的平均厚度确定。模型尺寸为160 m×320 m× 160 m（长×宽×高）；煤层倾角40°，煤层厚度4.2 m，工作面正倾斜布置，斜长120 m。工作面沿走向和倾向各留设30 m边界。

煤岩层物理力学参数按实验室测定数据给定，见表2。模型四个边界均是固定法向位移，底端边界固定垂直位移。模型共划分单元172800，结点182655。

表2　煤层及围岩力学性质测试结果

2.2.2 围岩应力分布规律

根据相似模拟试验结果并结合现场实际情况，将工作面下端头进行填充后分析工作面推进过程中的围岩应力分布特征。当工作面推进8 m时，工作面下部上覆岩层直接顶泥质粉砂岩发生剪切破坏，破坏高度1.5 m；中上部直接顶泥质粉砂岩和粉砂岩与泥质粉砂岩互层发生剪切和拉伸破坏，破坏高度7.5 m，拉伸破坏集中在中部及上部第一层直接顶，工作面下端头发生应力集中，强度为11.5 MPa；当工作面推进44 m时，工作面中上部上覆岩层破坏最高的岩层仍为第二层细砂岩，破坏高度增大至25.57 m，拉伸破坏高度增加，范围增大；工作面下部破坏范围保持稳定，未发生太大变化，上、下端头发生应力集中，强度分别为11.5 MPa和12.1 MPa；随着工作面继续推进，上覆岩层的破坏形式逐渐由剪切破坏发展为剪切、拉伸破坏，且破坏高度逐渐向上发展，上下端头应力集中愈来愈明显。至推进至近见方时（104 m），顶板破坏范围趋于稳定，且上下端头应力集中强度趋于稳定，分别为12.5 MPa和13.4 MPa。

2.2.3 超前支承压力分布规律

大倾角工作面沿倾向顶板破坏范围及破坏程度不一致，因此超前支承压力的分布存在差异。不同推进度情况下，沿工作面不同位置的超前支承压力变化情况如图2所示。其中，横坐标为支架号，工作面由下端头至上端头布置1#～120#支架，纵坐标分别为超前支承压力影响范围与超前支承压力峰值。

分析图2（a）和图2（b）可知，开采初期，工作面下端头超前支承压力影响范围为11 m，小于上端头的影响范围20 m，且工作面超前支承压力峰值的最大值为11 MPa，在工作面下端头；随着工作面的推进，超前支承压力影响范围逐渐增大，且下端头超前支承压力影响范围的增速大于上端头，在工作面近见方时，两端头的影响范围近乎一致为60 m；与此同时，超前支承压力峰值随着工作面的推进不断增大，峰值最大值的位置逐渐由下端头转移至工作面中部。随着工作面的进一步推进，工作面下端头超前支承压力的影响范围为75 m，逐渐大于上端头的影响范围68 m，并趋于稳定，同时超前支承压力峰值的最大值为15 MPa，稳定于工作面中部。因此，在推采初期，由于应力峰值集中于工作面下端头，故需要加强该处煤壁片帮的防护，随着工作面的推进，应力峰值最大值向工作面中部转移，煤壁片帮的防护重点相应转移。另一方面，在推采初期，由于工作面上端头超前支承压力影响范围较大，需要注意上工作面巷道的超前支护，在正常开采期间，下端头超前支承压力影响范围增大，则需加强对下工作面巷道的超前支护。

3　现场实测

自2014年8月1日-8月18日，对工作面的片帮情况进行跟班统计。发生片帮的范围集中在工作面中部位置，在16#～57#支架之间。

工作面开采初期，矿压显现不明显，随着工作面逐渐推进，矿压开始显现。

当推进到50 m时，煤壁片帮加剧，从片帮程度来看，片帮长度集中在2～3 m，片帮高度在1 m左右，深度集中在0.3 m以下，片帮程度一般；从片帮位置来看，65%发生在工作面中下部，20%发生在中上部，15%发生在工作面中部，主要集中在工作面中部及中下部。因此，实际情况同试验结果较为相符。

图2　不同推进度各测线超前支承压力影响范围及峰值变化规律

4　结论

（1）根据相似模拟试验结果，工作面采空区充填具有明显的分区特征，下端头充填完整，中部充填较虚，上部呈悬臂梁结构。

（2）根据其空间破断规律，正常开采时需要保证中上部支架的初撑力，避免较空的中上部顶板形成大动载。

（3）根据其顶板的运移特征，需要正确拉移支架，尽量避免支架倒滑或咬架，并合理设置调整机构，保证情况发生后得到及时处理，缩短生产影响时间。

（4）对数值模拟的围岩应力分析可知，在工作面推进至见方时，顶板破坏范围及两端头应力集中强度均趋于稳定。

［1］ 曲秋扬，毛德兵.大倾角大采高综采工作面支架工作阻力分布特征研究［J］.中国煤炭，2014（3）

［2］ 解盘石，伍永平，王红伟.大倾角煤层长壁采场倾斜气体结构域支架稳定性分析［J］.煤炭学报，2012（8）

［3］ 黄建功.大倾角煤层采场顶板运动结构分析［J］.中国矿业大学学报，2002（5）

［4］ 武景云，黄万朋，马鹏鹏.大倾角煤层采场顶板运动与矿压显现规律研究［J］.煤矿安全，2010（6）［5］ 陶连金，王泳嘉.大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏［J］.煤炭学报，1996（6）

［6］ 吕兆海，李立波.大倾角条件下大采高工作面开采工艺研究［J］.煤，2010（8）

（责任编辑 张毅玲）

Research on distribution law of overburden failure and surrounding rock stress in working face with large dip angle and large mining height

Qu Qiuyang
（Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Chaoyang，Beijing 100013，China）

The distribution law of overburden failure and surrounding rock stress in working face with large dip angle and large height was discussed，the results showed that dynamic loads easily occurred in the upper goaf，so setting load should be increased to prevent the roof separation.The immediate roof fractured and fell seriously，so it was important to ensure the setting load and pull and move the supports reasonably，which could avoid the supports sliding and falling.The range of abutment pressure changed dynamically in the advancing process of working face，and the key point of supporting working shifted from the upper end to the lower end.It was verified that the field measurement results were agree with the experimental results.

working face with large dip angle and large mining height，overburden failure，surrounding rock stress，analog simulation，numerical simulation

TD323

A

曲秋扬（1988-），男，山东聊城人，从事大倾角大采高安全高效开采的研究及现场管理工作。