急倾斜煤层顶板结构稳定性及其控制研究

王晓波

（晋能控股集团朔州煤电有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

急倾斜煤层与水平煤层在采矿方法、上覆岩层结构、矿压规律、支架稳定控制等方面存在显著差异。上覆岩层沿倾角的结构决定了围岩控制的重点，这是采场支护设计的主要依据之一。国内学者对急倾斜盘区围岩控制问题进行了大量研究。例如：基于弹性力学研究了急倾斜厚煤层主顶板的断裂模式及评价；急倾斜大采高综采工作面周围岩层移动与支护系统的相互作用特征；通过光弹性试验获得了大倾角工作面围岩的地压；基于薄板理论研究了沿斜面不对称充填的变形和断裂特征。通过类似模拟等综合方法，提出了倾斜方向和反倾斜方向桩型的斜砌体结构，并指出这些结构的不平衡运动是“R-S-F”体系失稳的主要因素。然而，陡斜面与近似水平斜面不同的主要特征是由倾角引起的沿斜面围岩结构的差异。对矿井压力的构造形式、失稳形式及成因规律研究不够深入[1-4]。

本文以石碣峪煤矿为工程底板地面，通过相似模拟实验，研究了急倾斜煤层开采上覆岩层沿倾角移动规律及顶板结构特征。通过理论分析研究了顶板结构在倾斜方向上的失稳条件，并通过现场矿压规律进行了验证。

1 工程概况

石碣峪煤矿煤层埋深为195.6 ～ 242.6 m，盘宽为60 m。煤层平均厚度为6.8 m，平均倾角为45。采用了长壁综放开采方法。截煤高度2.3 m，放顶煤高度4.5 m。直接顶板为8 m 厚粉砂岩，普氏系数f 在4～6.14 之间。基底顶板为3～5 m 厚的中厚砂岩，普氏系数f 为6.31。直接底板为含碳泥岩和粉砂岩，厚度在3.8～5.4 m 之间。基本地板是12 m 厚的中砂岩。通风入口布置在楼层，运输入口也在层。节理截面为圆弧，如图1 所示。37 个支架从上到下沿倾斜方向安装。31 号支架位置倾角达到最大值52。在设备安装的3 个月时间里，上部支架的稳定性较差，出现滑动、倾倒、挤压等现象。工作面距离切眼不超过10 m。

图1 煤矿面板巷道布置示意图

2 覆岩移动的物理模拟

在急倾斜煤层开采中，上覆岩层移动规律及其失稳形式决定了支护稳定性控制的重点。对于近似水平煤层的开采，走向方向上顶板构造的认识在很大程度上是研究的结果。而在急倾斜煤层中，研究顶板在倾斜方向的破坏模式及其结构具有更大的意义。上覆岩层结构及其失稳方式的差异是造成急倾斜煤层与近似水平煤层“支护- 围岩”系统存在较大差异的因素。因此，采用平面模拟模拟的方法对覆岩移动及其倾向方向的结构失稳进行了实验研究。实验基于相似理论设计，包括几何相似、运动学相似和动力学相似。几何相似度为100∶1，体积重量为1.6∶1，时间相似度为10。岩层物理力学参数如表1 所示。该模型长180 cm，宽16 cm，高120 cm。采用补偿法上传覆岩剩余重量。模型布置完成后，从下往上布置位移观察点。布局密度为10 cm×10 cm。共11 层。在岩层达到预定强度后，模拟不同板宽下的切放煤。根据实际生产情况，在100 m 板宽下模拟2.3 m 采高下切煤，然后模拟放煤，观察上覆岩层崩落规律。

表1 岩层物理力学参数

为了与实际生产一致，在材料达到预定强度后，模拟出初始推进2.3 m，出料量。为模拟急倾斜综放煤层上覆岩层移动规律，在距底界20 m 处开挖。每个面板的模拟宽度为100 m。放煤后各层垂向位移如图2 所示。由图2 可知，急倾斜煤层开采后水平位移主要为正位移。最大的垂直和水平位移偏置在面板的底端。50 m 和60 m 的测量线位移突然增大，分别到距底端50 m 和60 m 的位置。垂直位移约为5.0 m 和5.5 m。80 m 测线以上地层的水平位移和垂直位移很小。上面的地层与下面的地层分离。基准线80 m 以内的岩层大面积下沉。在垂直于岩层的力作用下，破碎的铰接岩层向上端水平移动，即垮落块体绕底部铰接点旋转。这与缓倾斜煤层开采中垮落块体向采空区中心移动的工作面开采完全不同。上部竖向位移突变表明在测线上方60 m 处形成倾斜砌体结构，结构下方岩石发生滑动失稳，向底部滑动，增大了竖向位移。抽采后，崩块体向下滑动，导致上顶板活动广泛。上部破碎顶板有较大的移动空间，导致对支架产生动荷载作用。同时，上部顶板暴露会降低抗滑力，加重支架的滑移和挤压。

图2 放顶煤后覆岩水平和垂直位移

不同放煤阶段上覆岩层移动情况如图3 所示。由图3 可知，沿倾斜方向切割100 m 后，覆岩移动较小。顶部有65 的崩塌角度，已经足够多的崩塌的底部，有51 的崩塌角度。在上端和下端形成一个三铰拱。岩层沿倾斜方向相互挤压（图3a）。在抽煤的过程中，较软的煤上方的破碎顶板会破碎成小岩石块，并从板板上滑下来。底端崩塌角度增加到57，上端保持在65。试验结果表明，开采初期上端岩层达到全垮落，而随着开采空间的增大，下端岩层的破碎程度也随之发展。当板宽为100 m 时，上覆岩层在岩层法线方向上的移动范围为37 m。80 m 放煤时，范围为40 m。此时，倾斜砌体结构形成的层向上发展，下层岩层向抽煤空间移动。100 m 放煤时，移动范围增加到45 m，下倾斜砌体结构再次失稳（图3d）。研究表明，急倾斜采场倾斜方向的中上部是岩层移动的活跃区。通过类似模拟观察岩层移动特征，直观地验证了上端倾斜砌体结构的滑动失稳是顶板破坏结构的主要失稳模式。在开采急倾斜煤层时，其上、下两端形成三铰拱结构。不同的是，底部构造由滑动岩层支撑，开采空间越大，崩落幅度越大。放煤后，上端砌体结构下方存在顶板暴露区(图3c、d)，初始截煤后顶板冒落程度最大。放煤导致顶板暴露被上端倾斜砌体结构屏蔽。该构造下的地层在垮落后向下滑动，十分活跃。这种结构的失稳导致顶板暴露，上部受动荷载，加重了支撑的滑动和倾倒。

图3 上覆岩层沿倾斜方向的运动过程

3 斜砌体结构失稳模式及现场验证

急倾斜煤层开采后，直接顶板垮落、滑降、充填底端，基本顶板弯曲破坏。在倾向性的上端和下端形成了不同于水平伏索梁的斜拱结构。根据拱结构的平衡条件，可以得到上下拱弹跳的反力T1、R1、T2、R2：

式中：q为拱结构荷载强度（kN/m）；A为煤层倾角；L为顶板最大跨径（m）；H为顶板厚度（m）；T1、T2分别为两拱弹起倾向方向推力（kN）；R1、R2分别为两拱弹簧的摩擦力（kN）。陡斜板屋盖结构与缓倾斜板屋盖结构不同，结构受力不对称明显。煤层倾角降低了垂直于顶板的压力。由于上覆地层压力分力的单极性，导致底端推力T1增大，上端推力T2减小。因此，滑脱失稳可能发生在上部。定义滑动稳定系数k 为T/r，选取急倾斜煤层上部推力T2。

注意，当k乘以tanα大于1 时，结构将保持稳定。式中：T为弹簧线方向推力（kN）；i为岩石长度L/2 与基本顶板厚度h的比值。而i可以由式（3）计算。

式中：RT、q分别为顶板抗拉强度和荷载。随着k系数的增加，上部岩石结构不会发生滑动失稳。倾角为0（水平煤层）时，滑动稳定系数k约为1.1。倾斜砌体结构更稳定。随着倾角减小到55 左右，k减小到0，上部岩石的推力T2为0，上部岩石结构出现滑动失稳现象。对于急倾斜煤层，倾斜岩体形成的砌体结构的滑动稳定性受煤层倾角影响明显。随着倾角的增大，上部岩石更容易发生滑动失稳，导致上部支架受到动载荷。

斜砌体结构在旋转变形过程中，由于下部岩体压应力较大，局部应力集中，下部岩体更容易形成塑性状态。旋转变形计算如图4 所示。通过计算相对于O 点的转矩，可以得到式（4）。

图4 旋转岩石的变形失稳

其中：T1=T3+qlsinα。

岩石的旋转角度可以用类似于分析水平岩石变形失稳的方法得到。由式（1）可知，倾斜砌体结构中剪应力R1随倾角增大而减小，法向应力即倾斜推力T1增大。根据屈服准则，下拱结构铰节点比水平拱更容易断裂，煤层倾角减小了垂直于岩层的倾斜砌体结构的法向荷载。随着煤层倾角的增大，岩石旋转角度减小，即随着倾角的增大，铰入点挠度减小，变形失稳程度减小。综上所述，急倾斜煤层顶板破坏后形成的倾斜砌体结构失稳模式以滑动失稳为主。

煤矿面板共有37 个支架，其中ZFY4800/17/28基本放崩落支架34 个，ZFG4800/18/32 过渡放崩落支架3 个，上端1 个，下端2 个。监测上、中、底板支架的工作阻力，29、37 号在上端，19 号在中间，1、9号在上端。定义A（m）为m 号支撑工作阻力的波动指数。它的值是评估面板不同位置工作电阻变异性的指标。A（m）值越大，表明动荷载效应越明显。

由于工作阻力在倾斜方向上的差异很小，所以采用波动率指数A（m）作为描述工作阻力在倾向方向上变化的指标。沿面线方向，上段波动率指数大于下段波动率指数。也就是说，斜砌体结构的滑动失稳导致了明显的变异性，这是导致其上端动荷载较大，而下端变形失稳引起的荷载强度较小的原因。因此，上端倾斜砌体结构的滑动失稳及其滑移导致顶板暴露和剧烈加载。上支架的滑动、倾倒和挤压威胁到中、底端支架的稳定性，严重影响急倾斜板的安全有效生产。

4 工程应用及成果

由于石碣峪煤矿倾角较大，顶板、支架重力法向力和切向力随倾角增大而变化，切向力越大，法向力越小。因此，支撑系统在面板中的载荷减小，而引起支撑系统上端失稳的动载荷增加。这将加剧支架的倾倒和挤压，最终导致顶板支撑不足。实现稳定的支持在整个小组由不稳定支持和围岩体系的上端屋顶发生时，公开的屋顶是充满了板梁和柳条栅栏防止进一步的屋顶确定屋顶，确保足够的接触。同时，当顶板破碎时，截煤后超前支护，伸缩式钢梁伸出，打开工作面防护罩，对顶板和煤肋进行支护。移动支架时不卸压，移动前支架设定载荷20 MPa 以上，保证顶板完整性。通过上述技术措施，煤的月产量提高到8 万t。上部支架的稳定性控制和滑动，防止支架的倾倒和挤压。实现了支撑系统良好的工作条件。

5 结 论

急倾斜盘区岩层位移与缓水平盘区岩层位移有显著差异，水平位移和垂直位移的特征表明，破碎块体围绕底部铰点旋转，在尾闸和主闸附近形成倾斜的砌体结构。由于煤层开采后移动空间较大，煤层上端移动比下端移动更剧烈。斜砌体结构上拱回弹的滑动稳定性导致上支座受到明显的动荷载。在急倾斜煤层开采中，倾斜岩体形成砌体结构的滑动稳定性受煤层倾角影响较大。随着倾角的增大，上铰节点发生滑移稳定的概率变小，底块体挠度减小。在急倾斜煤层开采中，上倾斜砌体结构失稳容易引起顶板暴露，从而使整个盘区支护稳定性急剧下降。采用垫板和木槽填充上部裸露区，配合支架不卸压向前移动，增加相邻支架的设置荷载，最大限度地减小了上顶板裸露对中底板支架稳定性的不利影响。提高了月煤产量，保证了支架的稳定性和良好状态。