張 浩，張曉波，解盤石，郎 丁

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.重慶能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)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(shè)備穩(wěn)定性差，屬復(fù)雜難采煤層。近年來，由于成套機(jī)械化設(shè)備及開采理論的完善，傾角50°以下厚煤層綜合機(jī)械化開采實(shí)踐理論與技術(shù)研究已較為成熟，而對(duì)于傾角50°以上薄及中厚煤層雖已進(jìn)行了一定綜合機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)踐與研究，但此類工作面仍存在諸如工作面推進(jìn)速度慢、產(chǎn)能低等技術(shù)性缺陷，大傾角條件下薄及中厚煤層長壁綜采技術(shù)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(dòng)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(huì)直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)此，孫立亞等[2-3]研究了大傾角高檔普采面礦壓顯現(xiàn)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(yùn)移及支架-圍巖作用關(guān)系。伍永平[6]提出大傾角工作面支架-圍巖承載系統(tǒng)動(dòng)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(xué)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(xiàn)表明，急傾斜煤層研究現(xiàn)主要聚焦于角度相對(duì)較小的厚煤層工作面，且多關(guān)注工作面頂板破壞模式、分析模型及支架-圍巖關(guān)系等方面研究，雖取得了一定成果，但對(duì)于傾角50°以上薄及中厚煤層綜采技術(shù)理論研究不足，針對(duì)性研究急傾斜中厚煤層工作面巖移規(guī)律的文獻(xiàn)相對(duì)較少，由于隨著煤層開采空間降低，矸石及覆巖運(yùn)移規(guī)律亦可能會(huì)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(yùn)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(yàn)及理論分析法對(duì)覆巖運(yùn)移及礦壓規(guī)律展開研究，為該類條件下煤層綜合機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，層內(nèi)穩(wěn)定?；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，層理清晰；基本底為泥灰?guī)r，灰色，質(zhì)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(chǎn)實(shí)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(jìn)距為1 cm(實(shí)際0.5 m)。工作面推進(jìn)過程中，由于支架-圍巖間接觸緊密，覆巖運(yùn)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(jìn)，離層量、范圍及離層裂隙數(shù)目均會(huì)增加，如圖2所示，由于工作面推移過程中，支架反復(fù)性支撐作用，會(huì)對(duì)頂板形成循環(huán)性載荷擾動(dòng)，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(jié)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(xiàn)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(huì)傾向運(yùn)移充填采空區(qū)下部，而未垮落頂板彎曲下沉?xí)r會(huì)在采空區(qū)堆積矸石作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)從而形成鉸接結(jié)構(gòu)，工作面分區(qū)性充填特征明顯，模型中采空區(qū)側(cè)(模型背面-距煤壁遠(yuǎn))與煤壁側(cè)(模型正面)矸石充填狀態(tài)異化，煤壁側(cè)工作面中部會(huì)形成露空區(qū)，而采空區(qū)側(cè)中部矸石充填度較為密實(shí)。

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(yīng)的作用，矸石會(huì)向下滑移充填采空區(qū)，各區(qū)域充實(shí)度不同，最終會(huì)形成下部充填壓實(shí)，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(jìn)過程中，走向上頂板在破壞運(yùn)移過程中會(huì)不斷將遠(yuǎn)離煤壁的采空區(qū)內(nèi)矸石壓實(shí)，導(dǎo)致遠(yuǎn)離煤壁的采空區(qū)充填程度整體性更高。而靠近煤壁側(cè)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(jié)構(gòu)，頂板移動(dòng)不充分，部分矸石未能向下滾滑，而在鉸接結(jié)構(gòu)上部堆積，矸石充填區(qū)上移，對(duì)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(xiàn)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(yùn)移，而覆巖運(yùn)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(huì)分區(qū)非對(duì)稱式分布。試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)為中、上部大，下部較小的分布特征，而支架阻力實(shí)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(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖中空心點(diǎn)所示為來壓時(shí)支架載荷?？梢钥闯觯眱A斜工作面亦具有周期性來壓現(xiàn)象，基本頂初次來壓步距為50 cm(實(shí)際25 m)，周期性來壓步距7.5～18.75 cm(實(shí)際3.75～9.38 m)，平均來壓步距為9.22 m，來壓時(shí)支架平均載荷為3 453 kN，未來壓時(shí)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(shí)支架阻力均在3 500 kN以上，增載系數(shù)超過1.3，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象可知，工作面發(fā)生2、6次周期來壓時(shí)，直接頂及其上位巖層破斷塊垮落回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)直接作用支架，促使支架阻力陡增，并在第6次周期來壓時(shí)，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(duì)支架構(gòu)成了沖擊作用，促使支架阻力達(dá)到最大，而在第4次周期來壓時(shí)，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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頂壓前移，支架阻力隨之增大。同時(shí)，工作面支架載荷在來壓前2～3個(gè)循環(huán)出現(xiàn)明顯的增加，支架載荷在來壓后2～3個(gè)循環(huán)保持較大數(shù)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(jié)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(huì)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(cè)采空區(qū)中部下沉頂板會(huì)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(shí)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(duì)稱分布，具體表現(xiàn)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(shí)平均支架阻力分別為3 453 kN、2 682.8 kN。