王德發(fā)，張穎異，解盤(pán)石，黃寶發(fā)，屈利利，吳少港，林偉典，楊 航

(1.內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.中安國(guó)泰(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100012；3.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

急傾斜煤層是指埋藏傾角大于45°的煤層，廣泛賦存于西部礦區(qū)[1]，約占我國(guó)煤炭資源探明儲(chǔ)量的4%，其中60%以上為優(yōu)質(zhì)或稀缺煤種，是國(guó)際公認(rèn)的復(fù)雜難采煤層。隨著我國(guó)淺部及緩傾斜的易采煤炭資源日益枯竭，急傾斜煤層安全高效開(kāi)采業(yè)已成為了我國(guó)煤炭工業(yè)亟需解決的重大戰(zhàn)略命題，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與和諧穩(wěn)定具有重要建設(shè)性、促進(jìn)性與保障性作用。工作面?zhèn)胃┬辈贾檬羌眱A斜煤層常用的開(kāi)采方法之一，因此，研究急傾斜偽俯斜采場(chǎng)覆巖運(yùn)移規(guī)律可為礦井實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)提供理論基礎(chǔ)。

近年來(lái)，已有許多學(xué)者通過(guò)不同研究手段對(duì)急傾斜煤層采場(chǎng)圍巖特征進(jìn)行了思考與研究。針對(duì)急傾斜煤層長(zhǎng)壁采場(chǎng)頂板破斷機(jī)理，張嘉凡、尹光志、楊帆等利用薄板理論對(duì)急傾斜煤層長(zhǎng)壁采場(chǎng)頂板撓曲變形及覆巖移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究[2-4]，得到了其頂板撓度計(jì)算公式[5]。伍永平、解盤(pán)石、王紅偉等研究并揭示了非均衡約束作用下大傾角煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采圍巖運(yùn)動(dòng)變形、宏觀應(yīng)力場(chǎng)分布的區(qū)域性特征[6-10]，并指出了支架-圍巖的相互作用關(guān)系[11，12]。房局、施峰、潘瑞凱等根據(jù)偽俯斜采場(chǎng)頂板呈平行四邊的特點(diǎn)，通過(guò)理論分析建立了偽俯斜開(kāi)采頂板力學(xué)模型，分析了不同推進(jìn)度下的頂板破斷特征[13，14]、矸石充填特征[15，16]及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[17-20]。

綜上所述，針對(duì)急傾斜煤層長(zhǎng)壁綜采巖層控制理論的研究較為鮮見(jiàn)，且鮮有學(xué)者對(duì)急傾斜長(zhǎng)壁偽俯斜工作面頂板覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。因此，以逢春煤礦N2821急傾斜中厚煤層長(zhǎng)壁工作面為工程背景，采用物理模擬和數(shù)值模擬方法，研究了急傾斜煤層偽俯斜采場(chǎng)圍巖應(yīng)力演化及覆巖變形破壞特征，為工程實(shí)踐提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程背景

逢春煤礦N2821工作面走向平均長(zhǎng)度為670.2m，傾斜平均長(zhǎng)度為62.2m，煤層總厚度1.8～3.4m，平均厚度為2.57m。煤層傾角為50.7°～52.5°，平均傾角為51.6°。煤層為黑色半亮型煤，似金屬光澤，呈顆粒狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育?；卷斠约?xì)砂巖為主厚度4.68m，質(zhì)地較硬，呈塊狀；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.65m；直接底為泥巖，厚度2.60m；基本底為泥灰?guī)r，厚度12.54m，質(zhì)硬，呈塊狀。工作面頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2 物理相似模擬及數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 物理相似模擬模型建立

根據(jù)N2821工作面頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)參數(shù)，將河砂、粉煤灰、石膏、大白粉等相似材料按不同的配比混合后加水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b入模型架，具體參數(shù)見(jiàn)表2。各巖層之間用云母粉進(jìn)行分層，并通過(guò)人工預(yù)制節(jié)理裂隙、壓實(shí)等步驟鋪裝好模型，模型具體相似常數(shù)及尺寸如圖1所示。

表2 相似材料配比

圖1 物理相似材料模型

2.2 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)該工作面地質(zhì)資料及工作面生產(chǎn)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=193m×270m×263m，工作面推進(jìn)方向沿Y軸正方向，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，set-large大應(yīng)變變形模式，模型底部限制垂直移動(dòng)，上部施加覆巖等效載荷，模型前后和側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由483130個(gè)單元組成，包括502686個(gè)節(jié)點(diǎn)。工作面為偽俯斜布置，工作面回風(fēng)平巷超前運(yùn)輸平巷16m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3 急斜煤層偽俯斜采場(chǎng)圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1 頂板非對(duì)稱(chēng)破斷特征

急傾斜煤層偽俯斜工作面推進(jìn)期間，工作面中部頂板出現(xiàn)離層，頂板上方產(chǎn)生平行于工作面?zhèn)涡狈较虻膬A向裂隙。在工作面支架及上邊界煤柱的支撐作用下，傾向上部頂板形成比較穩(wěn)定的上三角垮落滯后區(qū)域，如圖3(a)所示。由于急傾斜煤層的角度較大，其工作面中上部垮落頂板沿傾向滾滑至下部采空區(qū)，見(jiàn)圖3(b)，使下部采空區(qū)區(qū)域充填密實(shí)，從而增強(qiáng)了對(duì)基本頂?shù)募s束能力，致使下三角區(qū)域頂板形成如圖3(a)所示的裂隙，并后發(fā)生垮落。急傾斜煤層工作面頂板垮落輪廓沿傾向呈非對(duì)稱(chēng)拱狀，破斷輪廓的拱頂處于工作面中上部，垂向上由下至上頂板垮落后巖梁長(zhǎng)度由短向長(zhǎng)演變，呈現(xiàn)為階梯狀。在垮落頂板的區(qū)域充填作用下，頂板垮落特征表現(xiàn)為先中部，次上部，后下部的時(shí)序性。

圖3 頂板非對(duì)稱(chēng)宏觀破斷結(jié)果

3.2 覆巖非對(duì)稱(chēng)運(yùn)移冒落特征

隨著工作面推進(jìn)，工作面中部和上部頂板交替垮落并滑移至工作面下部，導(dǎo)致下部直接頂未發(fā)生明顯的變形與破壞，如圖4所示。在已垮落直接頂?shù)倪\(yùn)移充填作用下，傾向不同區(qū)域直接頂破壞順序亦不同，其主要表現(xiàn)為：工作面推進(jìn)初期，傾斜上部頂版變形破壞程度明顯大于中部；正常回采期間，隨著垮落頂板的傾向堆積，其對(duì)采空區(qū)中下部懸露頂板的約束作用增加，中部懸露頂板的變形程度大于上部；下部懸露頂板始終受到堆積充填的影響，一直未發(fā)生大范圍的破斷現(xiàn)象。由于急傾斜煤層的傾角效應(yīng)及工作面?zhèn)涡辈贾梅绞?，采?chǎng)頂板沿傾向會(huì)發(fā)生不同程度的運(yùn)移冒落，頂板垮落具有明顯的時(shí)空差異特征。

圖4 工作面不同區(qū)域頂板垮落特征

4 急斜煤層偽俯斜采場(chǎng)應(yīng)力演化規(guī)律

4.1 工作面不同區(qū)域圍巖走向應(yīng)力演化特征

急傾斜薄煤層偽俯斜采場(chǎng)開(kāi)采期間，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布，工作面頂?shù)装寰鶗?huì)出現(xiàn)拱狀應(yīng)力釋放區(qū)，其中頂板應(yīng)力釋放區(qū)范圍明顯大于底板應(yīng)力釋放區(qū)，工作面開(kāi)切眼和煤壁端產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。開(kāi)采初期，沿傾斜方向不同區(qū)域集中應(yīng)力最大值基本一致，約為15.3MPa。受煤層傾角作用影響，不同推進(jìn)度下工作面傾向不同區(qū)域應(yīng)力大小及范圍都有所差異。由圖5可知，在工作面不同推進(jìn)距離下，工作面傾向不同區(qū)域圍巖應(yīng)力呈非對(duì)稱(chēng)狀。隨著工作面推進(jìn)，上部區(qū)域頂板應(yīng)力釋放區(qū)向高層位巖層延伸，下部區(qū)域應(yīng)力釋放范圍較小，是由于下部區(qū)域受到了傾角作用下垮落頂板的下滑充填作用，同時(shí)因垮落矸石充填作用影響而在頂板中再次出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，集中應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時(shí)，端頭垂直應(yīng)力最大值達(dá)18.9MPa。

圖5 不同推進(jìn)度下工作面不同區(qū)域圍巖走向垂直應(yīng)力特征(Pa)

4.2 工作面不同區(qū)域圍巖傾向應(yīng)力演化特征

由圖6可知，在工作面采動(dòng)作用下，采場(chǎng)頂、底板受力狀態(tài)由原來(lái)的壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。由于煤層傾角的影響，應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)化在傾向上表現(xiàn)出較大的差異性。同時(shí)由于采空區(qū)內(nèi)充填作用的影響，頂、底板圍巖應(yīng)力沿傾向也發(fā)生了改變。

圖6 不同推進(jìn)度下工作面圍巖傾向垂直應(yīng)力演化特征

當(dāng)工作面推進(jìn)至20m時(shí)，工作面頂?shù)装鍍?nèi)的垂直應(yīng)力釋放范圍呈扁平拱形狀，頂板應(yīng)力釋放區(qū)向工作面上部區(qū)域偏移，底板應(yīng)力釋放區(qū)向工作面下部區(qū)域偏移。在工作面上、下端頭煤壁和下部充填范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)工作面推進(jìn)至60m，頂板內(nèi)水平應(yīng)力對(duì)圍巖的影響逐漸增大，鉛垂應(yīng)力釋放區(qū)最大值為0.258MPa，工作面上部煤壁和采空區(qū)垮落充填矸石上部頂板內(nèi)的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇。當(dāng)工作面推進(jìn)至100m時(shí)，圍巖應(yīng)力釋放區(qū)形狀不再發(fā)生明顯改變，隨工作面推進(jìn)應(yīng)力釋放區(qū)內(nèi)應(yīng)力釋放值逐漸增大。頂板內(nèi)垂直應(yīng)力釋放區(qū)呈向上偏移的拱形形態(tài)，且上部區(qū)域主要向高位巖層發(fā)育，下部充填區(qū)域上邊界的垂直方向則為為拱形區(qū)域角點(diǎn)，垂直應(yīng)力最大值為0.339MPa。

在工作面?zhèn)胃┬辈贾梅绞较?，隨著垮落矸石逐漸向傾斜下部區(qū)域堆積充填，傾斜中上部區(qū)域圍巖的集中應(yīng)力將轉(zhuǎn)移作用于傾斜下部充填體上。同時(shí)，垮落矸石充填體不僅限制頂板變形，也會(huì)將其沿工作面推進(jìn)方向的分力作用于頂板，故充填范圍內(nèi)的頂板不但難以形成應(yīng)力釋放反而易形成應(yīng)力集中。

5 急傾斜煤層偽俯斜采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)

基于急傾斜煤層走向長(zhǎng)壁工作面的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可以看出在急傾斜長(zhǎng)壁偽俯斜采場(chǎng)，其頂板巖層的垮落形態(tài)呈拱狀，采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)為近似“殼體”狀[7]，如圖7所示。該“殼體”在空間范圍內(nèi)穿越了頂板不同層位巖層，在工作面沿傾斜方向的不同區(qū)域巖層破斷輪廓亦不同。由于覆巖的沉積層理作用以及頂板的垮落充填，頂板結(jié)構(gòu)輪廓呈空間梯階形“殘?jiān)睜睢?/p>

圖7 急傾斜煤層長(zhǎng)壁采場(chǎng)覆巖“殼體”結(jié)構(gòu)

沿工作面傾斜方向，不同區(qū)域?qū)臻g結(jié)構(gòu)的約束和支承強(qiáng)度不同，通常，在工作面傾斜下部區(qū)域，拱腳支承位置較低，約束程度較強(qiáng)；在工作面的上部區(qū)域，拱腳的支承位置最高，約束程度最弱；在工作面的中部區(qū)域，拱腳支承位置和約束程度居中。

沿走向采場(chǎng)應(yīng)力呈“對(duì)稱(chēng)拱”形，采動(dòng)應(yīng)力以煤壁前方及采空區(qū)后方實(shí)體煤一側(cè)為前后拱腳，形成對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力拱，隨著工作面的不斷推進(jìn)，“對(duì)稱(chēng)拱”的高度與跨度不斷增加，在推進(jìn)一定距離后“拱頂”高度不再向上發(fā)育，拱的高度趨于穩(wěn)定；沿傾向，采動(dòng)應(yīng)力以回風(fēng)巷一側(cè)實(shí)體煤和運(yùn)輸巷一側(cè)實(shí)體煤為上下拱腳，形成非對(duì)稱(chēng)的應(yīng)力拱，隨著工作面的不斷推進(jìn)，“非對(duì)稱(chēng)拱”的高度與跨度不斷增加，拱軸不斷向回風(fēng)巷一側(cè)偏移，在垮落頂板的逐漸充填下，下拱腳也逐漸朝充填體區(qū)域偏移，在推進(jìn)一定距離后“拱頂”高度幾乎不再向上發(fā)育，拱軸也不再向上偏移，形態(tài)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

1)急傾斜中厚煤層偽俯斜采場(chǎng)頂板破斷呈非對(duì)稱(chēng)性，垮落輪廓沿傾向呈階梯型非對(duì)稱(chēng)拱狀，頂板垮落具有先中部，次上部，后下部的時(shí)序特征。

2)沿工作面傾斜方向，急傾斜煤層不同區(qū)域?qū)臻g結(jié)構(gòu)的約束和支承強(qiáng)度不同，一般為下部區(qū)域最大，中部區(qū)域次之，下部區(qū)域最小。

3)急傾斜煤層偽俯斜采場(chǎng)頂板破斷輪廓呈空間梯階狀“殘?jiān)毙螤?，采?chǎng)圍巖應(yīng)力在空間上形成非對(duì)稱(chēng)性“殼體”，隨著采場(chǎng)持續(xù)推進(jìn)及垮落頂板的逐漸充填，“殼體”下拱腳位置會(huì)逐漸上移，但整體形狀在不斷演化后最終趨于穩(wěn)定。