張曉波，張 浩，解盤石，郎 丁

(1.重慶能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400061；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

急傾斜煤層在我國西部礦井廣泛賦存，厚煤層開采經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，現(xiàn)已逐步實現(xiàn)了大采高機(jī)械化開采，而薄及中厚煤層由于具有煤層厚度小、角度大、支架-圍巖系統(tǒng)難控制等技術(shù)性難題，開采難度相對較大，部分開采有該類煤層的礦井進(jìn)行了綜合機(jī)械化開采實踐，雖取得了一定的成效，但技術(shù)理論性研究仍略顯不足。

要從根本上解決急傾斜薄及中厚煤層開采問題，形成比較完整的薄及中厚煤層長壁綜合機(jī)械化開采技術(shù)體系，必須從基礎(chǔ)的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律著手。為此，學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了研究分析，伍永平[1-2]構(gòu)建了“R-S-F”承載系統(tǒng)模型，并求取了保持系統(tǒng)穩(wěn)定的支架阻力特解，曹樹剛[3]分析了急傾斜煤層采場圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)力分布，尹光志等[4-5]分別基于薄板理論、彈性薄板小撓度理論構(gòu)建了急傾斜工作面覆巖力學(xué)模型，趙遠(yuǎn)放等[6]研究了大傾角工作面礦山壓力顯現(xiàn)特征，劉慶林[7]認(rèn)為大傾角綜采工作面“大結(jié)構(gòu)”中“關(guān)鍵塊”破壞形式會決定來壓特征，趙洪亮等[8-9]研究了大傾角厚煤層綜放工作面礦壓規(guī)律，王文杰等[10]采用工程監(jiān)測法研究了大傾角厚煤層下分層工作面周期來壓特征，鄧海鵬[11]分析了急傾斜厚煤層綜放工作面兩側(cè)支承壓力分布規(guī)律?，F(xiàn)有研究在覆巖力學(xué)分析模型、支架阻力分布等做了諸多研究，雖取得了一定成效，但也存在局限性，對于急傾斜煤層礦壓規(guī)律方面的研究主要集中于角度相對較小的急傾斜厚煤層綜放或分層開采工作面，急傾斜薄及中厚煤層綜采工作面礦壓規(guī)律等方面的研究相對較少。文中以逢春煤礦急傾斜中厚煤層綜采工作面為工程背景，采用相似材料實驗及理論分析法，研究急傾斜綜采工作面支架阻力演變及支承壓力分布動態(tài)變化規(guī)律，為類似條件煤層開采提供理論性參考。

1 生產(chǎn)技術(shù)條件

逢春煤礦N2821工作面主采M8煤層，其為黑色半亮型煤，呈顆粒狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育。工作面走向長623.5～716.8 m，平均670.2 m，傾斜長62.2 m，煤層厚度1.8～3.4 m，平均2.57 m，傾角50.7°～52.5°，平均傾角為51.6°。工作面水文地質(zhì)條件簡單，煤層原始瓦斯含量為25.87 m3/t，最大殘余瓦斯含量為5.17 m3/t，煤塵無爆炸危險，屬自燃煤層?；卷斠约?xì)砂巖為主，質(zhì)地較硬，呈塊狀；直接頂為砂質(zhì)泥巖，灰色，層理清晰；直接底為砂質(zhì)泥巖，灰色；基本底為泥灰?guī)r，灰色，質(zhì)硬，呈塊狀。

2 支架阻力演變規(guī)律

急傾斜工作面模擬回采過程中，具體循環(huán)工序為“降架—撤架—工作面前移—升架”直至工作面整體前移(圖1)。實驗結(jié)果(表1)表明：回采過程中，工作面上、中、下部各區(qū)域支架平均阻力分別為3 005 kN、3 142 kN、2 757 kN，故支架阻力傾向上分布呈現(xiàn)為中部>上部>下部。工作面支架在降架和移架后重新支撐過程中，各區(qū)域相鄰支架工作阻力均會發(fā)生不同程度的變化，具體表現(xiàn)為降架時鄰近支架工作阻力均會增加，重新支撐時鄰近支架工作阻力均會降低，而不同區(qū)域內(nèi)支架在不同工況時阻力演變幅度呈區(qū)域性異化。

圖1 推移支架Fig.1 Pulling support

表1 支架阻力演變狀況Table 1 Evolution of support resistance

實驗數(shù)據(jù)(表1)表明，工作面上部區(qū)域，25#支架降架前，相鄰26#、24#支架工作阻力分別為3 320 kN、3 620 kN；25#支架降架后，26#、24#支架工作阻力分別為3 940 kN、4 860 kN，分別增加了18.67%、34.25%，平均增加了26.46%；25#支架重新支撐后，26#、24#支架的工作阻力分別為2 780 kN、3 960 kN，降幅分別為29.4%、18.52%，平均降幅為23.96%。工作面中部，15#支架降架前，相鄰16#、14#支架阻力分別為3 200 kN、3 560 kN；15#支架降架后，16#、14#支架工作阻力分別為3 880 kN、3 980 kN，分別增加了21.25%、11.8%，平均增加了16.53%；15#支架重新支撐后，16#、14#支架工作阻力分別為3 260 kN、3 800 kN，降幅分別為16%、4.5%，平均降幅為10.25%。工作面下部，5#支架降架前，相鄰6#支架、4#支架工作阻力分別為3 820 kN、4 820 kN；5#支架降架后，6#、4#支架工作阻力分別為4 120 kN、4 920 kN，分別增加了7.85%、2.07%，平均增加了4.96%；5#支架重新支撐后，6#、4#支架工作阻力分別為3 600 kN、4 300 kN，降幅分別為12.62%、12.6%，平均降幅為12.61%。由此可見，降架時，支架阻力增加幅度為工作面上部>工作面中部>工作面下部，重新支撐后，支架阻力降低幅度工作面上部>工作面下部>工作面中部。

3 支承壓力演變規(guī)律

圖2表明，急傾斜煤層開采后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，頂壓經(jīng)巖梁傳遞后遷移，并在煤柱內(nèi)近工作面區(qū)域發(fā)生力學(xué)集中，使得工作面上下邊界煤柱形成側(cè)向支承壓力影響區(qū)，工作面上部煤柱內(nèi)支承壓力峰值小于下端煤壁支承壓力峰值。

圖2 煤巖內(nèi)壓力演變規(guī)律Fig.2 Evolution law of pressure in coal and rock

工作面前移1 cm，工作面上部煤柱內(nèi)支承壓力基本沒有變化，工作面下部煤柱支承壓力1.56 MPa，增載系數(shù)為1.09。前移2 cm，工作面上部煤壁支承壓力峰值變?yōu)?.56 MPa，增載系數(shù)1.07，下部支承壓力峰值1.67 MPa，增載系數(shù)1.17。前移3 cm，工作面上側(cè)煤柱支承壓力峰值為0.65 MPa，增載系數(shù)1.25，下部煤柱支承壓力基本無變化。前移4 cm，工作面上部煤柱支承壓力基本沒有變化，工作面下部煤柱支承壓力值減小，峰值減小為1.57 MPa，增載系數(shù)1.09。前移5 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.56 MPa，增載系數(shù)1.09，下部壓力峰值為1.61 MPa，增載系數(shù)1.13。

工作面前移5 cm后，將支架偽仰斜布置，并進(jìn)行推進(jìn)，如圖3所示。工作面?zhèn)窝鲂辈贾煤螅喜棵褐С袎毫Ψ逯禐?.65 MPa，增載系數(shù)1.26，下部煤柱壓力峰值為1.69 MPa，增載系數(shù)1.18。推進(jìn)1 cm時，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.73 MPa，增載系數(shù)1.40，下部煤柱壓力峰值為1.8 MPa，增載系數(shù)1.26。推進(jìn)2 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.55 MPa，增載系數(shù)1.07，下部煤柱壓力峰值為1.57 MPa，增載系數(shù)1.1。推進(jìn)3 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.76 MPa，增載系數(shù)1.47，下部煤柱壓力峰值為1.86 MPa，增載系數(shù)1.30。推進(jìn)4 cm，工作面上部煤柱支承壓力峰值為0.99 MPa，增載系數(shù)1.92，下部煤柱壓力峰值為2.19 MPa，增載系數(shù)1.53。推進(jìn)5 cm完成后，工作面上部煤柱支承壓力峰值為1.07 MPa，增載系數(shù)2.06，下部煤柱壓力峰值為2.34 MPa，增載系數(shù)1.64。綜上，工作面回采過程中，上、下端平均側(cè)向支承壓力集中系數(shù)為1.39、1.25，說明工作面上端應(yīng)力集中程度較下部大。

圖3 支架偽仰斜布置Fig.3 False-inclined layout of supports

撤架時煤巖中的壓力分布規(guī)律，如圖4所示。圖4可表明，頂板第一次垮落時，即撤移22#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.13 MPa、2.24 MPa，增載系數(shù)分別為2.18、1.56；頂板第二次垮落時，即撤移19#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.17 MPa、2.27 MPa，增載系數(shù)分別為2.25、1.58；頂板第三次垮落時，即撤移17#支架時，工作面上側(cè)煤柱支承壓力峰值為1.2 MPa，增載系數(shù)為2.33；工作面下側(cè)煤柱支承壓力由于實驗過程中傳感器影響，側(cè)煤柱支承壓力為零，但從整體區(qū)域趨勢上可以看出值是增大的；頂板第四次垮落時，即撤移12#支架時，工作面上側(cè)煤柱支承壓力峰值為1.38 MPa，增載系數(shù)為2.67，工作面下側(cè)煤柱支承壓力同撤移17#支架時一樣；頂板第五次垮落時，即撤移8#支架時，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為1.49 MPa、2.39 MPa，增載系數(shù)分別為2.89、1.67；頂板第六次垮落時，即支架全部撤移，工作面上下煤柱支承壓力峰值分別為2.07 MPa、3.11 MPa，增載系數(shù)分別為4.0、2.17；頂板第7次垮落時，即最終垮落，工作面上下端煤柱支承壓力峰值分別為2.22 MPa、2.42 MPa，增載系數(shù)分別為4.3、1.69。頂板垮落時，工作面上、下煤柱側(cè)向支承壓力集中系數(shù)平均為2.95、1.73。

急傾斜中厚煤層模擬工作面回采完成撤架后，工作面下方底板內(nèi)壓力作用程度大幅降低(圖4)，且壓載值強(qiáng)度均在0.5～0.6 MPa以下，中、下部區(qū)域底板壓力值>上部，分析可知，急傾斜工作面頂板垮落后形成的矸石由于傾角效應(yīng)會向下滑移，從而會形成非均勻性矸石充填區(qū)，中、下部采空區(qū)矸石充填度高，導(dǎo)致頂壓經(jīng)矸石向底板遷移，故底板壓力呈現(xiàn)出中、下部>上部的分布特征。

圖4 撤架時煤巖中壓力分布規(guī)律Fig.4 Pressure distribution law of coal and rock strata during support withdrawal

4 結(jié)論

(1)急傾斜中厚綜采工作面支架阻力分區(qū)式分布特征明顯，中部>上部>下部。支架在升降架時，鄰架阻力演變呈區(qū)域性異化，降架時，支架阻力增加幅度上部>中部>下部，重新支撐后，支架阻力降幅上部>下部>中部。

(2)急傾斜中厚綜采工作面底板壓力分布特征為中、下部>上部。工作面兩端會形成側(cè)向支承壓力區(qū)，回采時上、下端平均側(cè)向支承壓力集中系數(shù)為1.39、1.25，頂板垮落時分別為2.95、1.73，表明上部支承壓力集中程度大于下部。