三软大倾角厚煤层大采高综采面覆岩破坏特征研究

李成峰

（阳泉煤业（集团）股份有限公司 一矿，山西 阳泉 045008）

1 概述

随着科技进步的快速发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，这也极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。但是随着我国煤炭资源的持续开采，许多矿井的煤炭资源日益枯竭，使得一些地质构造复杂及“三软”大倾角厚煤层开采日益受到重视。大采高综采是指采高在3.5 m以上的一次采全高的综采技术，具有煤炭资源回采率高、生产能力大、经济效益好等优点，已成为目前国内外厚煤层（3.5～6.0 m）开采技术的主要发展方向［1-3］。但是经过生产实践及理论研究发现，大采高工作面由于开采高度大、事故率高、支架-围岩系统稳定性差、覆岩变形破坏复杂及支架失稳等，严重制约了大采高综采面效率的发挥。

三软煤层受到自身围岩岩性和结构的影响，生产中出现冒顶、煤壁片帮、矿压显现剧烈等问题，从而造成岩石破裂或坍塌，影响回采工作面的单产及机械化程度。我国诸多煤矿地质条件复杂，对于大倾角三软煤层的研究较少。因此，本文根据三软大倾角厚煤层大采高的工程背景及开采条件，通过理论分析及相似模拟研究了工作面覆岩破坏特征，研究成果可为大倾角三软煤层大采高工作面顶板管理进行借鉴和参考。

2 工程概况

一矿是阳煤集团的主力矿井，核定生产能力7.50 Mt/a，为高瓦斯矿井，主要开采15#煤层，为不易自燃煤层，煤尘无爆炸性。81103综采工作面属于大倾角三软煤层，位于十一采区的东翼下部东段，开采的15#煤层赋存稳定，煤层结构简单，地质储量0.523Mt，可采储量0.497 Mt，可采走向长度464～452 m，采面倾斜长154m，煤层走向29.4°，倾向20.4°，倾角26°～32°，平均30°。煤厚平均6.22m，煤层直接顶板为泥岩，厚度1～2 m，基本顶为灰黑色石灰岩，厚度8.0～16.6 m，工作面布置 ZY10000/28/62型掩护式液压支架、MG550/1380-WD型双滚筒采煤机和SGZ900/2×315型刮板运输机，采用端部斜切进刀、全部垮落法处理顶板，采用后退式走向长壁一次采全高采煤方法采煤。

3 大倾角煤层开采覆岩结构特征分析

大倾角煤层顶板悬空下位顶板在自身重力及上覆岩层作用下，应力集中造成岩层开始破断，直接顶破断后上覆岩层产生离层裂隙，随着离层量的增大，岩层产生垂直裂隙，在岩层自身重力及上覆岩层压力作用下，裂隙进一步扩展造成岩层的破断，破断后岩块运动相互挤压，形成“砌体”结构模型，通常这种砌体结构模型的稳定性要大于水平煤层开采形成的砌体结构，而随着煤层的继续开采，更上位的岩层进一步破断形成砌体结构模型［4］，倾斜煤层开采覆岩结构见图1。

图1 倾斜煤层开采覆岩结构特征

另外，冒落带呈现“曲面”结构特征，在工作面中上部，曲面曲率较大，通常顶板破断较为充分，并且垮落后岩块间相互铰接，但是由于块度较小，相互间铰接强度不够，无法形成有效的结构体承载上覆岩层压力，因此上覆岩层也跟随破断并铰接。对于近水平煤层，垮落带为煤层开采后的直接上覆岩层，而对于大倾角煤层，工作面上部垮落带铰接结构的边界处于垂直于煤层倾向和竖直线之间，垮落带边界在工作面上部范围要更大。

4 覆岩破坏相似模拟实验

4.1 模型的建立

根据煤矿具体条件，取上覆60 m厚度的岩层，模型设计按照1∶40比例制作，建立的模型长度为2.5 m，高度为1.6m，见图2。依据相似定律确定试验模型几何相似常数为150，容重相似常数为1.5，时间相似常数为10，应力及强度相似常数为60。相似材料采用砂为骨料，碳酸钙、石膏为胶结物，试验中在不同层支架铺设云母，模拟岩层节理，以达到模拟层理之间相互离层的效果［5］。

图2 覆岩破坏相似模拟模型

4.2 覆岩破断过程及结构特征

当开挖20m时，顶板在岩块1和岩块2之间形成铰接结构，而顶板破断后的岩块2和煤壁也形成铰接结构，但由于直接顶较薄，破断后无法充填采空区，在垮落岩块和上覆未垮落岩层之间形成了悬空结构，开挖20m处顶板垮落形态见图3。

图3 开挖20m处顶板垮落形态

当开挖24 m时，顶板进一步垮落，上覆岩层在煤壁处形成“悬臂梁”结构，且此时顶板内已经有裂隙存在，开挖24m处顶板垮落形态见图4。

图4 开挖24m处顶板垮落形态

当开挖40 m时，顶板的垮落矿压显现较为剧烈，此时顶板垮落角较大，并且破断处靠近煤壁，并且在重力分量作用下，垮落的岩层整体呈现下移，已垮落岩石对该岩块形成直接支撑作用，提高了该岩块的稳定性，因此该岩块未出现破断垮落现象，暂时保持了稳定，可见在倾斜工作面，由于倾角的存在，提高了局部岩块的稳定性，有利于顶板的控制，开挖40m处顶板垮落形态见图5。

图5 开挖40m处顶板垮落形态

当开挖56 m时，直接顶岩层悬臂梁式破断，前脚处触及底板，后脚处和直接顶铰接，由于煤层倾角的存在，该铰接结构能够保持稳定，而上覆关键层并未沿着破断裂隙而垮落，但是由于破断角较大，因此该结构并不稳定，容易沿着破断角而发生滑落失稳。随着煤层的推进，在上覆岩层作用下，工作面顶板结构会二次破断，上覆岩层的破断下沉，并有较大离层裂隙存在，开挖56 m处顶板垮落形态见图6。

图6 开挖56m处顶板垮落形态

根据开挖过程覆岩垮落形态分析得出：

（1）采空区充填不均匀，呈悬顶状态；

（2）采场顶板呈现非对称的规律，顶板破坏及运移特征具有不对称性、不均衡性；

（3）冒落带呈现倾斜“弧形”结构特点，在中上部垮落带最大，说明在中上部顶板压力最大；

（4）受煤层倾角影响，顶板垮落后中上部不易形成铰接结构，下部易形成铰接结构；

（5）由于倾角的存在，顶板破断后，破断岩块更容易形成铰接结构，而形成“砌体”结构，因此在倾斜方向“砌体”结构的存在也提高了顶板的稳定性。

4.3 顶板破断运移规律

经监测顶板水平位移情况，工作面顶板水平位移变化曲线见图7，工作面顶板垂直位移变化曲线见图8，工作面顶板倾斜位移变化曲线见图7。

图7 工作面顶板水平位移变化曲线

从图7中可以看出：①工作面顶板上部水平位移普遍大于下部水平位移；②距离煤层越近顶板水平位移越大；③随着工作面开采水平位移量呈现降低趋势，上部顶板位移量降低缓慢，下部顶板位移量降低幅度较大；④水平位移在工作面长度16 m处达到最大，下部由于受到煤壁支撑作用，位移量在0.3 m左右，远小于工作面上部。

图8 工作面顶板垂直位移变化曲线

从图8中可以看出，顶板垂直位移变化与水平位移变化都是在工作面上部位移量较大。①随着工作面长度的增加，位移量基本呈现先增大后减小的变化趋势；②随着离煤层距离越远，位移量显著变小；③在距离工作面长度16 m处达到最大值，距离煤层4～14 m范围位移量均比较大；④在距离煤层17 m、24 m、30 m处，在工作面中部处出现垂直位移最大值，最大值均小于1.5 m。

图9 工作面顶板倾斜位移变化曲线

从图9中可以看出：①在工作面顶板倾斜方向的位移变化与水平、垂直位移的变化整体趋势相似，位移量从上到下不断减小；②工作面顶板，呈两端小中间大规律，具有非对称变形；③在距离煤层4 m处顶板位移量最大，在上部已经不断减小，对岩层影响已经较小；④工作面垮落区域高，冒落矸石易下滑，支架的稳定性在上部较差。因此开采时需要对工作面上部顶板进行加强控制。

5 结语

1）大倾角煤层开采覆岩破坏及运移特征具有不对称性、不均衡性，冒落带呈现“曲面”结构特征，在工作面中上部，曲面曲率较大，破断充分且破碎块度较小，在工作面下部破碎块度较大易形成“砌体”结构模型。

2）通过相似模拟实验研究了三软大倾角厚煤层大采高开采覆岩破断过程及结构特征，发现采空区从下到上出现充填不均匀，其中采空区上部顶板要重点管理。

3）通过分析断裂位移变化，可知冒落带呈现倾斜“弧形”结构特点，顶板水平位移、垂直位移和倾斜位移具有相似的变化规律，位移量基本呈现先增大后减小的变化趋势，且随着距离煤层越远，位移量显著变小。

4）大倾角工作面最大垮落在工作面上部，顶板破坏高度大，垮落区域高，冒落矸石易下滑，生产中加强液压支架的初撑力管理。