急傾斜中厚煤層長壁綜采工作面覆巖運移規(guī)律*

張 浩，張曉波，解盤石，郎 丁

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點試驗室，陜西 西安 710054；3.重慶能源投資集團科技有限責任公司，重慶 400061)

0 引言

急傾斜煤層廣布于我國西部礦區(qū)，煤層傾角大、設備穩(wěn)定性差，屬復雜難采煤層。近年來，由于成套機械化設備及開采理論的完善，傾角50°以下厚煤層綜合機械化開采實踐理論與技術研究已較為成熟，而對于傾角50°以上薄及中厚煤層雖已進行了一定綜合機械化生產實踐與研究，但此類工作面仍存在諸如工作面推進速度慢、產能低等技術性缺陷，大傾角條件下薄及中厚煤層長壁綜采技術理論研究仍需深化。

大傾角(急傾斜)工作面圍巖控制的核心是“R-S-F”系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性控制[1]，而頂板作為該系統(tǒng)主要組成元素，其行為狀態(tài)會直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，對此，孫立亞等[2-3]研究了大傾角高檔普采面礦壓顯現規(guī)律。解盤石等[4-5]研究了大傾角長壁大采高綜采工作面圍巖運移及支架-圍巖作用關系。伍永平[6]提出大傾角工作面支架-圍巖承載系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性控制模式。段紅民等[7]研究了薄及中厚煤層采煤方法的優(yōu)化模式。邢望等[8-9]理論分析了急傾斜采場頂板受力狀況。王金安等[10]利用彈性力學理論研究了大傾角綜放工作面頂板破斷模式。張嘉凡等[11]分析了不同條件下急傾斜煤層頂板破壞規(guī)律。李文樹等[12]分析了急傾斜薄煤層綜采工作面支架穩(wěn)定性。文獻表明，急傾斜煤層研究現主要聚焦于角度相對較小的厚煤層工作面，且多關注工作面頂板破壞模式、分析模型及支架-圍巖關系等方面研究，雖取得了一定成果，但對于傾角50°以上薄及中厚煤層綜采技術理論研究不足，針對性研究急傾斜中厚煤層工作面巖移規(guī)律的文獻相對較少，由于隨著煤層開采空間降低，矸石及覆巖運移規(guī)律亦可能會較厚煤層異化，因此，有必要弄清該類煤層綜采工作面覆巖運移規(guī)律。為此，以逢春煤礦急傾斜中厚煤層工作面為工程背景，采用相似材料試驗及理論分析法對覆巖運移及礦壓規(guī)律展開研究，為該類條件下煤層綜合機械化開采提供理論性參考。

1 工作面覆巖破壞規(guī)律

1.1 工程概況

逢春煤礦N2821工作面走向長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51.6°，煤層結構簡單，層內穩(wěn)定?；卷斠约毶皫r為主，質地較硬，呈塊狀；直接頂為砂質泥巖，灰色，層理清晰；直接底為砂質泥巖，灰色，層理清晰；基本底為泥灰?guī)r，灰色，質硬，呈塊狀。

1.2 覆巖破壞相似模擬

1.2.1 相似模擬模型

基于工作面生產實際，模擬工作面布置為偽斜狀，如圖1所示，由上端頭向下端頭逐次回采，并同步移架，循環(huán)推進距為1 cm(實際0.5 m)。工作面推進過程中，由于支架-圍巖間接觸緊密，覆巖運移空間受限，主要發(fā)生離層破壞，并隨著工作面的持續(xù)性推進，離層量、范圍及離層裂隙數目均會增加，如圖2所示，由于工作面推移過程中，支架反復性支撐作用，會對頂板形成循環(huán)性載荷擾動，局部支架上方直接頂較為破碎。

圖1 工作面?zhèn)涡辈贾?/p>

圖2 工作面回采過程中覆巖破壞特征

1.2.2 相似模擬結果分析

工作面不同區(qū)域頂板垮落形態(tài)不同，工作面覆巖垮落特征如圖3所示。由圖3(a)可以看出，工作面上部頂板垮落形態(tài)呈類銳角三角形狀；由于偽俯斜工作面下部滯后開采，在下部形成懸空且穩(wěn)定的近似鈍角三角形的區(qū)域，如圖3(b)所示。工作面不同層位頂板不均勻性垮落后，垮落形態(tài)呈現為階梯狀，如圖3(c)、(d)所示。急傾斜煤層由于煤層角度大，垮落矸石會傾向運移充填采空區(qū)下部，而未垮落頂板彎曲下沉時會在采空區(qū)堆積矸石作用下發(fā)生回轉從而形成鉸接結構，工作面分區(qū)性充填特征明顯，模型中采空區(qū)側(模型背面-距煤壁遠)與煤壁側(模型正面)矸石充填狀態(tài)異化，煤壁側工作面中部會形成露空區(qū)，而采空區(qū)側中部矸石充填度較為密實。

圖3 工作面覆巖垮落特征

1.3 覆巖破壞規(guī)律

急傾斜煤層由于傾角效應的作用，矸石會向下滑移充填采空區(qū)，各區(qū)域充實度不同，最終會形成下部充填壓實，中部完全充填，上部部分充填的矸石堆積狀態(tài)。工作面推進過程中，走向上頂板在破壞運移過程中會不斷將遠離煤壁的采空區(qū)內矸石壓實，導致遠離煤壁的采空區(qū)充填程度整體性更高。而靠近煤壁側采空區(qū)域由于垮落矸石與下沉巖層在工作面中部形成鉸接結構，頂板移動不充分，部分矸石未能向下滾滑，而在鉸接結構上部堆積，矸石充填區(qū)上移，對工作面上部采空區(qū)部分充填，頂板懸空范圍減小，工作面中部采空區(qū)出現填空狀態(tài)。

2 工作面礦壓演變規(guī)律

2.1 工作面傾向分布規(guī)律

急傾斜工作面矸石非均勻性充填，使得采空區(qū)尺度區(qū)域性異化，致使覆巖分區(qū)式運移，而覆巖運移過程中伴隨著頂壓作用的二次分布與演化，故頂壓作用亦會分區(qū)非對稱式分布。試驗結果如圖4所示，表明工作面上、中、下部支架平均阻力分別為3 005 kN、3 142 kN、2 757 kN，工作面支架阻力總體上呈現為中、上部大，下部較小的分布特征，而支架阻力實為頂壓的反力作用，故急傾斜工作面頂壓分布特征為中、上部>下部。

圖4 支架阻力分布特征

2.2 工作面走向分布規(guī)律

試驗結果如圖5所示，圖中空心點所示為來壓時支架載荷?？梢钥闯?，急傾斜工作面亦具有周期性來壓現象，基本頂初次來壓步距為50 cm(實際25 m)，周期性來壓步距7.5～18.75 cm(實際3.75～9.38 m)，平均來壓步距為9.22 m，來壓時支架平均載荷為3 453 kN，未來壓時支架平均載荷為2 682.8 kN。由支架阻力演變曲線可看出，工作面第2、4、6次周期來壓時支架阻力均在3 500 kN以上，增載系數超過1.3，結合試驗現象可知，工作面發(fā)生2、6次周期來壓時，直接頂及其上位巖層破斷塊垮落回轉時會直接作用支架，促使支架阻力陡增，并在第6次周期來壓時，由于頂板切落式垮落，如圖6所示，頂板破斷塊超前支架的形成對支架構成了沖擊作用，促使支架阻力達到最大，而在第4次周期來壓時，由于直接頂垮落后的矸石與支架作用未能使得上位巖層形成承載結構，導致頂壓前移，支架阻力隨之增大。同時，工作面支架載荷在來壓前2～3個循環(huán)出現明顯的增加，支架載荷在來壓后2～3個循環(huán)保持較大數值，在其他循環(huán)過程中，支架載荷變化較小。

圖5 支架阻力回采過程中演變特征

圖6 頂板超前支架破壞

3 結論

(1)急傾斜中厚煤層綜采工作面上、下端頭頂板垮落形式不同，上部垮落形態(tài)呈銳角三角形狀，下部垮落形態(tài)呈鈍角三角形狀，頂板垮落后會形成階梯狀巖梁。

(2)急傾斜中厚煤層綜采工作面采空區(qū)充填狀態(tài)走向上區(qū)域性異化，靠近煤壁側采空區(qū)中部下沉頂板會與垮落矸石鉸接形成露空區(qū)，隨著其距煤壁距離增加，采空區(qū)矸石堆積量及壓實度升高，堆積形態(tài)更為均勻。

(3)急傾斜中厚煤層綜采工作面礦壓非對稱分布，具體表現為中、上部>下部，工作面初次來壓步距為25 m，周期來壓步距平均為9.22 m，來壓和未來壓時平均支架阻力分別為3 453 kN、2 682.8 kN。