急倾斜中厚煤层伪俯斜采场覆岩运移规律研究

王德发，张颖异，解盘石，黄宝发，屈利利，吴少港，林伟典，杨 航

(1.内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010；2.中安国泰(北京)科技发展有限公司，北京 100012；3.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；4.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

急倾斜煤层是指埋藏倾角大于45°的煤层，广泛赋存于西部矿区[1]，约占我国煤炭资源探明储量的4%，其中60%以上为优质或稀缺煤种，是国际公认的复杂难采煤层。随着我国浅部及缓倾斜的易采煤炭资源日益枯竭，急倾斜煤层安全高效开采业已成为了我国煤炭工业亟需解决的重大战略命题，对我国社会经济发展与和谐稳定具有重要建设性、促进性与保障性作用。工作面伪俯斜布置是急倾斜煤层常用的开采方法之一，因此，研究急倾斜伪俯斜采场覆岩运移规律可为矿井实际现场提供理论基础。

近年来，已有许多学者通过不同研究手段对急倾斜煤层采场围岩特征进行了思考与研究。针对急倾斜煤层长壁采场顶板破断机理，张嘉凡、尹光志、杨帆等利用薄板理论对急倾斜煤层长壁采场顶板挠曲变形及覆岩移动规律进行了研究[2-4]，得到了其顶板挠度计算公式[5]。伍永平、解盘石、王红伟等研究并揭示了非均衡约束作用下大倾角煤层长壁开采围岩运动变形、宏观应力场分布的区域性特征[6-10]，并指出了支架-围岩的相互作用关系[11，12]。房局、施峰、潘瑞凯等根据伪俯斜采场顶板呈平行四边的特点，通过理论分析建立了伪俯斜开采顶板力学模型，分析了不同推进度下的顶板破断特征[13，14]、矸石充填特征[15，16]及矿压显现规律[17-20]。

综上所述，针对急倾斜煤层长壁综采岩层控制理论的研究较为鲜见，且鲜有学者对急倾斜长壁伪俯斜工作面顶板覆岩运移规律进行研究。因此，以逢春煤矿N2821急倾斜中厚煤层长壁工作面为工程背景，采用物理模拟和数值模拟方法，研究了急倾斜煤层伪俯斜采场围岩应力演化及覆岩变形破坏特征，为工程实践提供一定的科学指导。

1 工程背景

逢春煤矿N2821工作面走向平均长度为670.2m，倾斜平均长度为62.2m，煤层总厚度1.8～3.4m，平均厚度为2.57m。煤层倾角为50.7°～52.5°，平均倾角为51.6°。煤层为黑色半亮型煤，似金属光泽，呈颗粒状，内生裂隙发育。基本顶以细砂岩为主厚度4.68m，质地较硬，呈块状；直接顶为砂质泥岩，厚度2.65m；直接底为泥岩，厚度2.60m；基本底为泥灰岩，厚度12.54m，质硬，呈块状。工作面顶底板煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数

2 物理相似模拟及数值模拟设计

2.1 物理相似模拟模型建立

根据N2821工作面顶底板岩性及物理力学参数，将河砂、粉煤灰、石膏、大白粉等相似材料按不同的配比混合后加水搅拌均匀后装入模型架，具体参数见表2。各岩层之间用云母粉进行分层，并通过人工预制节理裂隙、压实等步骤铺装好模型，模型具体相似常数及尺寸如图1所示。

表2 相似材料配比

图1 物理相似材料模型

2.2 数值模拟模型建立

根据该工作面地质资料及工作面生产条件，利用FLAC3D数值模拟软件确定数值计算模型如图2所示，尺寸为长×宽×高=193m×270m×263m，工作面推进方向沿Y轴正方向，采用Mohr-Coulomb本构模型，set-large大应变变形模式，模型底部限制垂直移动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制水平移动，整个模型由483130个单元组成，包括502686个节点。工作面为伪俯斜布置，工作面回风平巷超前运输平巷16m。

图2 数值计算模型

3 急斜煤层伪俯斜采场围岩运动规律

3.1 顶板非对称破断特征

急倾斜煤层伪俯斜工作面推进期间，工作面中部顶板出现离层，顶板上方产生平行于工作面伪斜方向的倾向裂隙。在工作面支架及上边界煤柱的支撑作用下，倾向上部顶板形成比较稳定的上三角垮落滞后区域，如图3(a)所示。由于急倾斜煤层的角度较大，其工作面中上部垮落顶板沿倾向滚滑至下部采空区，见图3(b)，使下部采空区区域充填密实，从而增强了对基本顶的约束能力，致使下三角区域顶板形成如图3(a)所示的裂隙，并后发生垮落。急倾斜煤层工作面顶板垮落轮廓沿倾向呈非对称拱状，破断轮廓的拱顶处于工作面中上部，垂向上由下至上顶板垮落后岩梁长度由短向长演变，呈现为阶梯状。在垮落顶板的区域充填作用下，顶板垮落特征表现为先中部，次上部，后下部的时序性。

图3 顶板非对称宏观破断结果

3.2 覆岩非对称运移冒落特征

随着工作面推进，工作面中部和上部顶板交替垮落并滑移至工作面下部，导致下部直接顶未发生明显的变形与破坏，如图4所示。在已垮落直接顶的运移充填作用下，倾向不同区域直接顶破坏顺序亦不同，其主要表现为：工作面推进初期，倾斜上部顶版变形破坏程度明显大于中部；正常回采期间，随着垮落顶板的倾向堆积，其对采空区中下部悬露顶板的约束作用增加，中部悬露顶板的变形程度大于上部；下部悬露顶板始终受到堆积充填的影响，一直未发生大范围的破断现象。由于急倾斜煤层的倾角效应及工作面伪斜布置方式，采场顶板沿倾向会发生不同程度的运移冒落，顶板垮落具有明显的时空差异特征。

图4 工作面不同区域顶板垮落特征

4 急斜煤层伪俯斜采场应力演化规律

4.1 工作面不同区域围岩走向应力演化特征

急倾斜薄煤层伪俯斜采场开采期间，采场围岩应力重新分布，工作面顶底板均会出现拱状应力释放区，其中顶板应力释放区范围明显大于底板应力释放区，工作面开切眼和煤壁端产生应力集中现象。开采初期，沿倾斜方向不同区域集中应力最大值基本一致，约为15.3MPa。受煤层倾角作用影响，不同推进度下工作面倾向不同区域应力大小及范围都有所差异。由图5可知，在工作面不同推进距离下，工作面倾向不同区域围岩应力呈非对称状。随着工作面推进，上部区域顶板应力释放区向高层位岩层延伸，下部区域应力释放范围较小，是由于下部区域受到了倾角作用下垮落顶板的下滑充填作用，同时因垮落矸石充填作用影响而在顶板中再次出现应力集中。随着工作面的持续推进，集中应力也逐渐增加，当工作面推进到100m时，端头垂直应力最大值达18.9MPa。

图5 不同推进度下工作面不同区域围岩走向垂直应力特征(Pa)

4.2 工作面不同区域围岩倾向应力演化特征

由图6可知，在工作面采动作用下，采场顶、底板受力状态由原来的压应力逐渐转化为拉应力。由于煤层倾角的影响，应力释放和转化在倾向上表现出较大的差异性。同时由于采空区内充填作用的影响，顶、底板围岩应力沿倾向也发生了改变。

图6 不同推进度下工作面围岩倾向垂直应力演化特征

当工作面推进至20m时，工作面顶底板内的垂直应力释放范围呈扁平拱形状，顶板应力释放区向工作面上部区域偏移，底板应力释放区向工作面下部区域偏移。在工作面上、下端头煤壁和下部充填范围内会产生应力集中。当工作面推进至60m，顶板内水平应力对围岩的影响逐渐增大，铅垂应力释放区最大值为0.258MPa，工作面上部煤壁和采空区垮落充填矸石上部顶板内的应力集中程度进一步加剧。当工作面推进至100m时，围岩应力释放区形状不再发生明显改变，随工作面推进应力释放区内应力释放值逐渐增大。顶板内垂直应力释放区呈向上偏移的拱形形态，且上部区域主要向高位岩层发育，下部充填区域上边界的垂直方向则为为拱形区域角点，垂直应力最大值为0.339MPa。

在工作面伪俯斜布置方式下，随着垮落矸石逐渐向倾斜下部区域堆积充填，倾斜中上部区域围岩的集中应力将转移作用于倾斜下部充填体上。同时，垮落矸石充填体不仅限制顶板变形，也会将其沿工作面推进方向的分力作用于顶板，故充填范围内的顶板不但难以形成应力释放反而易形成应力集中。

5 急倾斜煤层伪俯斜采场覆岩结构

基于急倾斜煤层走向长壁工作面的物理相似模拟实验和数值模拟实验结果分析，可以看出在急倾斜长壁伪俯斜采场，其顶板岩层的垮落形态呈拱状，采场覆岩结构为近似“壳体”状[7]，如图7所示。该“壳体”在空间范围内穿越了顶板不同层位岩层，在工作面沿倾斜方向的不同区域岩层破断轮廓亦不同。由于覆岩的沉积层理作用以及顶板的垮落充填，顶板结构轮廓呈空间梯阶形“残垣”状。

图7 急倾斜煤层长壁采场覆岩“壳体”结构

沿工作面倾斜方向，不同区域对空间结构的约束和支承强度不同，通常，在工作面倾斜下部区域，拱脚支承位置较低，约束程度较强；在工作面的上部区域，拱脚的支承位置最高，约束程度最弱；在工作面的中部区域，拱脚支承位置和约束程度居中。

沿走向采场应力呈“对称拱”形，采动应力以煤壁前方及采空区后方实体煤一侧为前后拱脚，形成对称的应力拱，随着工作面的不断推进，“对称拱”的高度与跨度不断增加，在推进一定距离后“拱顶”高度不再向上发育，拱的高度趋于稳定；沿倾向，采动应力以回风巷一侧实体煤和运输巷一侧实体煤为上下拱脚，形成非对称的应力拱，随着工作面的不断推进，“非对称拱”的高度与跨度不断增加，拱轴不断向回风巷一侧偏移，在垮落顶板的逐渐充填下，下拱脚也逐渐朝充填体区域偏移，在推进一定距离后“拱顶”高度几乎不再向上发育，拱轴也不再向上偏移，形态趋于稳定。

6 结 论

1)急倾斜中厚煤层伪俯斜采场顶板破断呈非对称性，垮落轮廓沿倾向呈阶梯型非对称拱状，顶板垮落具有先中部，次上部，后下部的时序特征。

2)沿工作面倾斜方向，急倾斜煤层不同区域对空间结构的约束和支承强度不同，一般为下部区域最大，中部区域次之，下部区域最小。

3)急倾斜煤层伪俯斜采场顶板破断轮廓呈空间梯阶状“残垣”形状，采场围岩应力在空间上形成非对称性“壳体”，随着采场持续推进及垮落顶板的逐渐充填，“壳体”下拱脚位置会逐渐上移，但整体形状在不断演化后最终趋于稳定。