急倾斜中厚煤层长壁综采工作面覆岩运移规律*

2021-02-22张晓波解盘石

陕西煤炭 2021年1期

张浩，张晓波，解盘石，郎丁

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点试验室，陕西西安 710054；3.重庆能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400061)

0 引言

急倾斜煤层广布于我国西部矿区，煤层倾角大、设备稳定性差，属复杂难采煤层。近年来，由于成套机械化设备及开采理论的完善，倾角50°以下厚煤层综合机械化开采实践理论与技术研究已较为成熟，而对于倾角50°以上薄及中厚煤层虽已进行了一定综合机械化生产实践与研究，但此类工作面仍存在诸如工作面推进速度慢、产能低等技术性缺陷，大倾角条件下薄及中厚煤层长壁综采技术理论研究仍需深化。

大倾角(急倾斜)工作面围岩控制的核心是“R-S-F”系统动态稳定性控制[1]，而顶板作为该系统主要组成元素，其行为状态会直接影响系统稳定性，对此，孙立亚等[2-3]研究了大倾角高档普采面矿压显现规律。解盘石等[4-5]研究了大倾角长壁大采高综采工作面围岩运移及支架-围岩作用关系。伍永平[6]提出大倾角工作面支架-围岩承载系统动态稳定性控制模式。段红民等[7]研究了薄及中厚煤层采煤方法的优化模式。邢望等[8-9]理论分析了急倾斜采场顶板受力状况。王金安等[10]利用弹性力学理论研究了大倾角综放工作面顶板破断模式。张嘉凡等[11]分析了不同条件下急倾斜煤层顶板破坏规律。李文树等[12]分析了急倾斜薄煤层综采工作面支架稳定性。文献表明，急倾斜煤层研究现主要聚焦于角度相对较小的厚煤层工作面，且多关注工作面顶板破坏模式、分析模型及支架-围岩关系等方面研究，虽取得了一定成果，但对于倾角50°以上薄及中厚煤层综采技术理论研究不足，针对性研究急倾斜中厚煤层工作面岩移规律的文献相对较少，由于随着煤层开采空间降低，矸石及覆岩运移规律亦可能会较厚煤层异化，因此，有必要弄清该类煤层综采工作面覆岩运移规律。为此，以逢春煤矿急倾斜中厚煤层工作面为工程背景，采用相似材料试验及理论分析法对覆岩运移及矿压规律展开研究，为该类条件下煤层综合机械化开采提供理论性参考。

1 工作面覆岩破坏规律

1.1 工程概况

逢春煤矿N2821工作面走向长670.2 m，倾斜长62.2 m，煤层厚度1.8～3.4 m，平均2.57 m，倾角50.7°～52.5°，平均51.6°，煤层结构简单，层内稳定。基本顶以细砂岩为主，质地较硬，呈块状；直接顶为砂质泥岩，灰色，层理清晰；直接底为砂质泥岩，灰色，层理清晰；基本底为泥灰岩，灰色，质硬，呈块状。

1.2 覆岩破坏相似模拟

1.2.1 相似模拟模型

基于工作面生产实际，模拟工作面布置为伪斜状，如图1所示，由上端头向下端头逐次回采，并同步移架，循环推进距为1 cm(实际0.5 m)。工作面推进过程中，由于支架-围岩间接触紧密，覆岩运移空间受限，主要发生离层破坏，并随着工作面的持续性推进，离层量、范围及离层裂隙数目均会增加，如图2所示，由于工作面推移过程中，支架反复性支撑作用，会对顶板形成循环性载荷扰动，局部支架上方直接顶较为破碎。

图1 工作面伪斜布置

图2 工作面回采过程中覆岩破坏特征

1.2.2 相似模拟结果分析

工作面不同区域顶板垮落形态不同，工作面覆岩垮落特征如图3所示。由图3(a)可以看出，工作面上部顶板垮落形态呈类锐角三角形状；由于伪俯斜工作面下部滞后开采，在下部形成悬空且稳定的近似钝角三角形的区域，如图3(b)所示。工作面不同层位顶板不均匀性垮落后，垮落形态呈现为阶梯状，如图3(c)、(d)所示。急倾斜煤层由于煤层角度大，垮落矸石会倾向运移充填采空区下部，而未垮落顶板弯曲下沉时会在采空区堆积矸石作用下发生回转从而形成铰接结构，工作面分区性充填特征明显，模型中采空区侧(模型背面-距煤壁远)与煤壁侧(模型正面)矸石充填状态异化，煤壁侧工作面中部会形成露空区，而采空区侧中部矸石充填度较为密实。

图3 工作面覆岩垮落特征

1.3 覆岩破坏规律

急倾斜煤层由于倾角效应的作用，矸石会向下滑移充填采空区，各区域充实度不同，最终会形成下部充填压实，中部完全充填，上部部分充填的矸石堆积状态。工作面推进过程中，走向上顶板在破坏运移过程中会不断将远离煤壁的采空区内矸石压实，导致远离煤壁的采空区充填程度整体性更高。而靠近煤壁侧采空区域由于垮落矸石与下沉岩层在工作面中部形成铰接结构，顶板移动不充分，部分矸石未能向下滚滑，而在铰接结构上部堆积，矸石充填区上移，对工作面上部采空区部分充填，顶板悬空范围减小，工作面中部采空区出现填空状态。

2 工作面矿压演变规律

2.1 工作面倾向分布规律

急倾斜工作面矸石非均匀性充填，使得采空区尺度区域性异化，致使覆岩分区式运移，而覆岩运移过程中伴随着顶压作用的二次分布与演化，故顶压作用亦会分区非对称式分布。试验结果如图4所示，表明工作面上、中、下部支架平均阻力分别为3 005 kN、3 142 kN、2 757 kN，工作面支架阻力总体上呈现为中、上部大，下部较小的分布特征，而支架阻力实为顶压的反力作用，故急倾斜工作面顶压分布特征为中、上部>下部。

图4 支架阻力分布特征

2.2 工作面走向分布规律

试验结果如图5所示，图中空心点所示为来压时支架载荷。可以看出，急倾斜工作面亦具有周期性来压现象，基本顶初次来压步距为50 cm(实际25 m)，周期性来压步距7.5～18.75 cm(实际3.75～9.38 m)，平均来压步距为9.22 m，来压时支架平均载荷为3 453 kN，未来压时支架平均载荷为2 682.8 kN。由支架阻力演变曲线可看出，工作面第2、4、6次周期来压时支架阻力均在3 500 kN以上，增载系数超过1.3，结合试验现象可知，工作面发生2、6次周期来压时，直接顶及其上位岩层破断块垮落回转时会直接作用支架，促使支架阻力陡增，并在第6次周期来压时，由于顶板切落式垮落，如图6所示，顶板破断块超前支架的形成对支架构成了冲击作用，促使支架阻力达到最大，而在第4次周期来压时，由于直接顶垮落后的矸石与支架作用未能使得上位岩层形成承载结构，导致顶压前移，支架阻力随之增大。同时，工作面支架载荷在来压前2～3个循环出现明显的增加，支架载荷在来压后2～3个循环保持较大数值，在其他循环过程中，支架载荷变化较小。