大倾角近距离煤层开采覆岩运移及顶板破坏特征

伍永平 皇甫靖宇 罗生虎 武永强 刘宝恒 刘旺海

摘 要：大傾角近距离煤层采场的矿压显现规律较大倾角单一煤层长壁采场更为复杂，需进行深入的研究。以2130煤矿4#煤和5#煤近距离大倾角煤层开采为背景，采用物理相似材料模拟实验、数值计算、理论分析和现场试验相结合的研究方法，系统研究了大倾角近距离煤层采场的覆岩运移及顶板破坏特征。结果表明，大倾角近距离煤层的连续开采，影响采场的覆岩垮落规律、围岩应力分布、顶底板变形破坏特征;近距离煤层两工作面不同的位置关系导致下煤层工作面顶板形成不同的力学结构、发生不同的变形破坏及位移，影响下层煤开采的矿压显现;25221工作面的基本顶岩梁首先于上端处发生破断，并在之后的运移中于中部再次发生破断，影响了工作面支架载荷与稳定性，使工作面支架呈现出倾斜中部受载较大、下部次之、上部最小和中下部支架受载稳定、中上部受载多变的非对称特征。研究结果可为大倾角近距离煤层开采提供理论依据，并为2130煤矿的后续开采提供参考。关键词：大倾角煤层;近距离煤层;覆岩运移规律;顶板破坏特征中图分类号：TD 325

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）01-0001-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0101开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Overburden movement and roof failure characteristics in

steeply dipping and close distance coal seam mining

WU Yong-ping1，2，HUANGFU Jing-yu1，2 ，LUO Sheng-hu1，3，

WU Yong-qiang4，LIU Bao-heng1，2，LIU Wang-hai1，2

（1.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;2.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;3.College ofSciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;4.Shaanxi Yanchang Petroleum Balasu Coal Industry Co.，Ltd.，Yulin 719000，China）

Abstract：The strata behavior regularity in steeply dipping and close distance coal seam is more complicated than that in single long wall coal seam with steeply dipping，which needs to be studied in depth.Based on the geological conditions and characteristics of strata behaviors at No.5 coal seam and No.4 coal seam in 2130 Coal Mine，the overburden movement and roof failure characteristics of the stope with steeply dipping and close distance are investigated by theoretical analysis，numerical simulation，physical analogue material simulation，and field test.The results show that continuous mining of steeply dipping and close distance coal seam will affect the overlying strata migration law，stresses of surrounding rock，the deformation and breakage law of upper and lower floor.And the different positions，between the two working faces lead to different mechanical structure，different deformation，failure and displacement of the roof of the lower coal seam working face，which affects the rock pressure appearance of the lower coal seam mining.The basic roof rock beam of 25221 working face first broke at the upper end，and then did again in the middle during the later migration，which affected the support load and thestability of working face support.Therefore，the support presents asymmetric characteristics of large load in the middle of inclination，followed by the lower part，minimum load in the upper part and stable load in the middle and lower part，and variable load in the middle and upper part.The research results can provide an important theoretical basis for the mining of steeply dipping and close distance coal seam，a reference for the follow-up mining of 2130 coal mine.Key words：steeply dipping seam;close distance coal seam;overburden movement law;roof failure characteristics

0 引 言

大倾角煤层指埋藏倾角为35°～55°的煤层[1]，经多年的理论发展与开采实践[2-4]，已成功的实现了大倾角煤层走向长壁综合机械化开采[5]，形成了相对完善的岩层控制基础理论与机械化开采技术体系[6-7]。但不同于大倾角单一煤层长壁采场，在大倾角近距离煤层采场中，因多煤层开采，采场覆岩会形成特殊的承载结构，使下煤层工作面顶板变形破坏及垮落规律更为复杂，矿压显现特征也更为多变，导致工作面事故多发，影响工作面的安全高效开采。因此许多学者对此问题进行了研究，取得了很多成果。如伍永平等发现大倾角煤层群采场的围岩应力与运移特征特殊，而上煤层开采扰动，会改变下煤层工作面“R-S-F”系统稳定性，影响工作面回采[8];总结了该类采场顶板非对称低位梯阶关键层结构的形成及演化特征，发现该结构的周期性失稳直接影响到下层煤采场覆岩、区段煤柱及支护系统的稳定性[9]。任世广研究了大倾角煤层群采场围岩应力、结构的失稳演化及制灾机制[10]。杨科、孔祥勇等研究了淮南矿区大倾角近距离煤层群下行开采过程中支承压力相互叠加与演化机制，提出工作面矿压控制对策[11];同时研究了工作面采动底板的破坏机理，得出了各工作面底板破坏过程应力分布规律、底板最大破坏深度及其位置[12]。魏永前等发现大倾角近距离煤层群采场围岩应力分布与变形破坏受两煤层工作面位置影响，当下煤层工作面布置于上煤层采空区斜上方时，所受采动影响最小，利于工作面开采[13]。高健华求得了大倾角煤层群综放采场中各工作面支架载荷的计算公式，并给出了兼顾支架防滑和抗中区顶压的额定工作阻力的判据[14]。赵旭峰研究了大倾角薄煤层群联合开采时各区段采场的合理布置方式，并分析了此开采条件下综采设备的适应性和稳定性及技术要求[15]。但对于大倾角近距离煤层采场覆岩运移规律、顶板承载及变形破坏特征与下煤层工作面矿压显现规律间内在关系的认识还有待深入。以新疆焦煤集团艾维尔沟2130煤矿大倾角近距离煤层24221，25221工作面开采为研究背景，综合运用相似模拟、数值计算、理论分析等方法，研究了大倾角近距离煤层群开采覆岩运移、结构受载及变形破坏特征、下煤层工作面支架受载特征等问题，以期为大倾角近距离煤层安全高效开采提供理论依据，并为2130煤矿的后续开采提供参考。

1 工程概况新疆焦煤集团艾维尔沟2130矿区井田最高海拔+2 825 m，最低海拔+2 050 m，区内地层倾角为39°～57°，沿走向及倾向无明显起伏，断裂构造较发育，但基本不影响主采煤层。开采煤层为下侏罗系八道湾组地层所含的6层煤，其中4#，5#煤层为主采煤层，可采厚度均大于2.0 m（煤层倾角自东向西逐渐增大，由东部采区21°～47°增大至西部采区45°～57°），两煤层相距25 m.故采用走向长壁综采技术进行大倾角近距离煤层群下行开采，先开采上层4#煤24221工作面（工作面倾向斜长120 m，采高2.4 m），然后开采下层5#煤25221工作面（工作面倾向斜长106 m，采高4.5 m），两工作面运输平巷处于同一水平（如图1所示）。大倾角近距离煤层顶底板岩层物理力学性质见表1.

2 采场围岩变形、破坏和运移规律基于工程背景，采用数值软件FALC3D，建立尺寸为（宽×厚×高）=360 m×300 m×180 m的三维计算模型（模型中采场距各边界均预留足够距离，且在模型底部、前后及侧面加约束以限制移动），以研究大倾角近距离煤层群采场及大倾角单煤层采场的应力分布特征（数值计算模型如图2所示，实验中，24221工作面采空区的模拟采用弱化材料对采空区重新充填来模拟垮落体，并对上部受开采扰动影响岩层采取弱化方式实现）。

同时，选用可变角相似模拟实验架（2.15 m×0.2 m×1.8 m）进行物理相似模拟实验，研究大倾角近距离煤层开采覆岩垮落运移特征。模型选用水、细砂、石灰和大白粉等混合物为相似材料（不同岩性的岩层选取不同的配比）、云母粉为分层材料分层铺装;其几何相似比为1∶100，容重相似常数1.6，应力相似常数160，载荷相似常数1.6×106，时间相似常数10;模型的回采参考实际工况，通过人工切割实现下行割煤开采（切割速度及两工作面回采间隔时间均由时间相似常数确定）;采用高清像机记录实验现象，并布点观测采场覆岩移动规律。

2.1 围岩应力分布特征大倾角单一煤层开采中，随着煤体采出，煤岩体原岩应力平衡状态被打破，在采动应力和原岩应力共同作用下，应力重新分布，并在围岩体中形成了空间宏观应力拱壳[16]，采场覆岩荷载经由空间应力拱壳传递至采场四周煤岩体中。故工作面顶、底板岩层中分别形成应力释放区，顶板中应力释放区呈近似直角三角形，处于工作面中上部;底板中垂直应力沿工作面倾向向下逐渐减小，呈现出明显的非对称特征，在运输平巷处应力达到最小;运输巷和回风巷附近煤岩体中形成应力集中区。运输巷附近煤岩体集中应力峰值大于上侧，如图3（a）所示。

而在大倾角近距离煤层开采中，因多次开采扰动，围岩的应力演化十分复杂，如图3（b）所示。下层5#煤工作面开采完成后，依然于采场两侧形成应力集中区，同时两应力集中区应力峰值相比于大倾角单一煤层采场中的更大。其中倾斜上侧应力集中区同样位于下层5#煤回风平巷附近，但下侧应力集中区位置并未转移至下層5#煤工作面运输平巷处，而是始终处于上层4#煤工作面运输平巷附近煤柱处，这将影响24221工作面与4#煤下区段工作面间煤柱及下区段工作面回风平巷的稳定性。

同时上层4#煤工作面倾斜上侧回风平巷附近的应力集中区应力集中程度降低，且移动至4#底板距回风平巷9 m处位置。上层4#煤采场上覆岩层发生大范围的应力释放，但4#煤基本顶处的原有集中的应力释放区面积减小。而5#煤工作面底板下部与顶板上、中下部形成应力释放区。底板的应力释放区形态与大倾角单一煤层采场中的类似，且因底板受2次开采扰动，其应力释放区逐渐向深部岩层发展延伸，其面积增大;顶板上部的应力释放区垂直向上延伸至4#煤回风平巷附近底板，呈近似直角三角形;顶板中下部的应力释放区同样向上方岩层延伸，但并未与4#煤采空区的应力释放区联通。

2.2 覆岩垮落运移特征煤层群开采中，24221工作面回采结束后，覆岩垮落呈现非对称垮落形态，上端垮落角为51°，下端垮落角为43°，垮落裂隙高度为57.7 m，落矸石滑移充填倾向下部采出空间，下部顶板未充分变形破坏、运移较小，呈倾向堆砌结构（图4（a））。而从图4（c）、（e）可看出，采场顶板位移具有明显的非对称特征，云图轮廓呈非对称拱形。其中，基本顶的大位移区处位于工作面中上部1/3处（即距上端煤柱40 m处A区域，最大位移为1.65 m），而越靠近工作面两平巷垂直位移量越小。4#煤工作面具有大倾角煤层单煤层工作面覆岩垮落运移与分区域非对称充填的基本特征[17]。当25221工作面回采后，采场覆岩运移异于大倾角单一煤层工作面。工作面顶板发生破断垮落，其上端垮落角为54°，下端垮落角为51°，工作面上端侧垮落线贯通至4#煤采场底板倾斜上侧距回风平巷9 m处位置（与4#煤上侧改变后的应力集中区位置相同）;下端下层位顶板岩层随回采破断垮落，而此位置的基本顶岩梁受上部覆岩的不均匀荷载发生压剪破坏破断，故下端垮落线呈“ㄑ”形（图4（b）绿圈处），4#，5#煤间的垮落岩体堆砌结构的形态近似倾斜等腰梯形。而从图4（d）、（f）可看出，下层5#煤工作面回采后，基本顶位移较为对称。其中，工作面基本顶中部区域的位移量最大（距上端煤柱53 m处B区域，最大位移为3.19 m）;基本顶上部靠近回风平巷处（距上端煤柱8m处）即产生位移，至工作面中部的基本顶位移量曲线呈拱形;工作面中部至下部基本顶位移量均匀减小。故综合分析堆砌结构位置关系与顶板岩层位移特征，可发现25221工作面完全充填区中心向下偏移至工作面倾向中部，且其范围扩大。

且垮落贯通4#煤采空区，上煤层采场围岩会随之产生二次运移，其覆岩垮落带及裂隙带均向垂直上方发育，垮落运移范围扩展，垮落带高度由15.7 m增长至25.7 m，裂隙带高度由42 m增长至48 m，上下两端垮落角变为53°，50°，如图4（b）所示。同时位移量增大，大位移区向回风平巷顶板处延伸。其中，4#煤基本顶的大位移区与25221工作面基本顶岩梁破断位置上下对应，向工作面中部移动（移动至上端煤柱45 m处C区域，最大位移为4.61 m）。

采场的这种围岩运移会令25221采场岩体倾斜堆砌铰接结构承受更多的重力，并向下方传递挤压堆砌结构的中、下部（图4（b）箭头所示）。其中采场倾斜下部低位岩层受梯形堆砌结构下部的反倾向堆砌结构（图4（b）黄圈处）的阻挡，结合近距离煤层开采5#煤工作面中下部基本顶位置应力释放特征进行分析，故该区域内支架所受荷载应小于中部;但因该区域的基本顶与支架间传力的直接顶相对完整，故下部支架稳定性高于中上部。而倾向上部的部分充填区因垮落滑移，岩块运移空间大，充填作用较差，堆砌结构对顶板岩层的约束作用较弱、较松散，直接顶岩体与支架接触，故此区域支架所受荷载应小于下部。

因而相较于大倾角单一煤层工作面，25221工作面会出现工作面倾向中上部完全充填区范围扩大，其位置向工作面倾向中点偏移;倾斜中、下部区域支架稳定性较上部区域更高;倾斜中部区域支架所受载荷大于下部，下部所受载荷大于上部等现象。

3 顶板变形破坏特征

3.1 下煤层工作面顶板受载及结构特征在大倾角近距离煤层开采中，上部煤层开采完毕后，其采场支承压力沿倾斜方向由上至下可分为上部支承压力区、卸载降压区、下部支承压力区等3个区[18]（如图5所示），符合大倾角单一煤层工作面支承压力的特征。因两煤层间距较近，上部采场倾向支承压力会传递至下方底板岩层，对下部煤层顶板的载荷特征及力学结构状态产生影响，继而影响下煤层工作面的顶板变形破坏特征及矿压显现。故需考虑近距离煤层上下两工作面的位置关系进行系统分析。

结合上煤层采场上、下部支承压力区与下煤层工作面倾向上端头间、下端头间的位置关系进行综合分析，其中两工作面倾向上端头间存在3种情况（如图6（a）中A，B，C所示）、下端头间存在2种情况（如图7（b）中D，E所示），各图中基本顶岩梁上的绿点即为岩梁结构与围岩相连接的支座位置。

A即上部煤层上部集中支承压力等效合力在下煤层基本顶岩梁的作用点位于下煤层回风平巷煤壁垂线（即图中蓝色线）煤壁一侧的情况。此情况时基本顶岩梁上端的力学状态如其右图所示，为简化计算，设岩梁受上煤层采场卸载降低区的等效均布载荷q，结构上端为固定端支座。B即上部煤层上部集中支承压力的作用点位于下煤层回风平巷煤壁垂線（即图中蓝色线）与投影线（即图中红色线）之间的情况。基本顶岩梁上端的力学状态如其右图所示，图中结构上端支座为嵌套支座，其受力S1为上煤层采场上部支承压力集中区等效合力的倾向分力。C即上部煤层上部集中支承压力的作用点位于下煤层回风平巷煤壁投影线（即图中红色线）采空区一侧的情况。基本顶岩梁上端的力学状态如其右图所示，图中S2为工作面倾斜上部区域煤体的载荷S2=γH1sinα，上部支承压力区峰值为k1γH1cosα.（H1为基本顶岩梁上端的埋深，k1即上部支承压力区峰值的集中系数）。

D即上部煤层下部集中支承压力的作用点位于下煤层运输平巷煤壁垂线（即图中蓝色线）采空区一侧的情况。基本顶岩梁下端的力学状态如其右图所示，图中下部支承压力区峰值为k2γH2cosα.（H2为基本顶岩梁下端的埋深，k2即下部支承压力区峰值的集中系数）。E即上部煤层下部集中支承压力的作用点位于下煤层运输平巷煤壁垂线（即图中蓝色线）煤壁一侧的情况。基本顶岩梁下端的力学状态如其右图所示。

3.2 25221工作面基本顶力学分析4#采场开采前24221工作面已回采完毕，采空区应力释放，而采场边界形成应力集中。25221工作面回采中，直接顶首先发生破断，中、上部顶板岩层垮落后滑移充填采空区下部区域，形成以基本顶为承载核心的力学结构，如图8（a）所示。图中A，B点即为上、下部集中支承压力等效合力在下煤层基本顶岩梁的作用点。

echanical model of basic roof in 25221 working face

沿走向取单位宽度，25221工作面基本顶岩梁可简化为上端嵌套、下端固支的超静定梁，如图8（b）所示。因上下端煤岩体塑性区宽度L1和L2远小于工作面长度LG，故计算中暂不考虑上下区段煤柱的塑性区宽度，因而模型中L=LG+H5J·cosα，H5J为5#煤距其基本顶的距离;而4#采空区（即卸载降低区）应力值较小且分布变化较为平缓，为理论求解方便，此处假设区域对基本顶的作用载荷为均布载荷q;p为中上部直接顶冒落充填矸石对基本顶的载荷，其对基本顶的加载可设为三角形载荷[19]，可表示为

p（x）=PAa（a-x）

（1）

a=Lh2γz-0.5cot（α-β）（h1+h2）2

h2+h2+H5J·cosα

（2）

式中 PA为常量;a为直接顶冒落矸石非均匀充填作用区域的长度;h1为煤层厚度;h2为直接顶厚度;γZ为直接顶碎胀系数;α为煤层倾角;β为直接顶垮落岩石自然安息角。根据材料力学的纵横弯曲理论[20]，基本顶岩梁AC段（0≤x

d2wAC（x）dx2

+S1EIwAC（x）

=-q2EI（L-x）2

+FZEI（L-x）+M0EI+

1EI∫ax（ζ）（ζ-x）dζ

（3）基本顶岩梁CB段（a≤x

d2wCB（x）dx2

+S1EIwCB（x）

=-q2EI（L-x）2

+FZEI（L-x）-M0EI

（4）

式中 E为弹性模量;I为惯性矩;FZ，M0为工作面基本顶上部B处的约束力和弯矩;K2=S1/EI.

则基本顶岩梁AC段和CB段的挠曲线方程为

wAC（x）=C1cos（Kx）+C2sin（Kx）+

16aS1K2

[3aK2（PA-q）x2-K2PAx3+（6aqLK2+6P0-6aFZK2-3a2K2PA）x+6aFZLK2-6aPA-6aM0K2+6aq-3aqK2L2+a3K2PA]

wCB（x）=C3cos（Kx）+C4sin（Kx）

+

12S1K2·[qK2x2+2（qLK2-FZK2）x+（2FZLK2+2q-2M0K2-qL2K2）]

（5）根据AC，CB的受力特征和约束条件，其对应的边界条件为

wAC（0）=0，wCB（L）=0，wAC（a）=wCB（a），

θAC（0）=0，θCB（L）=0，θAC（a）=θCB（a）

（6）将式（5）代入式（6）进行计算，即可求出积分常数C1，C2，C3，C4和FZ，M0的表达式

C1

=

{6sin[K（a-L）]-6sin（Ka）+6KLcos[K（a-L）]

+Kcos（KL）[6a-a2K2（a-3L）-6L]+a3K3

-6aK+（6-3a2K2）sin（KL）}PA-

3aqK2L{KL[cos（KL）+1]-2sin（KL）}

6aK3s1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

sin（KL/2）{3sin（KL/2）{3aqK2L+[2-a2K2

+2cos（KL/2）]PA}+cos（KL/2）{-3aqK2L2

-[6K（L-a）+a2K3（a-3L）]PA+6sin（Ka）}

3aK3S1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

C3

{6sin（Ka）-6sin[K（a-L）]+6KLcos[K（a-L）]

+Kcos（KL）[6a-a2K2（a-3L）-6L]+a3K3

-6aK+（6-3a2K2）sin（KL）}PA-

3aqK2L{KL[cos（KL）+1]-2sin（KL）}

6aK3s1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

3aqK2L[2-2cos（KL）-KLsin（KL）]+{3a2K2-6）

[cos（KL）-1]-6cos（KL）+6sin[K（a+L）+

Ksin（KL）[a6-a2K2（a-3L）-6L-6Lcos（Ka）]}PA

6aK3s1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

sin（KL/2）{3sin（KL/2）{[a2K2+2cos（Ka）-2]PA

-2aqK2L+cos（KL/2）{3aqK2L-[a3K3-6aK+

6sin（Ka）]PA}}

3aK3S1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

-6aqK[KLcos（KL/2）-2sin（KL/2）]2+{6aK-

a3K3-6LK-6sin（Ka）+3a2K3L+6KLcos（Ka）+

aK（a2K2-6）cos（KL）+6sin[K（a-L）]+

（6-3a2K2）sin（KL）}

6aK3S1[2cos（KL）+KLsin（KL）-2]

結合实际开采参数及数值模拟结果进行计算，可确定25221工作面基本顶岩梁为最大弯矩位于上端区域，故当应力大于基本顶岩梁的强度极限时，基本顶结构首先从上端部发生破坏。同时基本顶岩梁的挠度分布如图9所示，其最大变形量位于工作面中偏上部距上侧煤壁51 m处，说明岩梁该区域应产生应力集中且变形损伤发育程度高、顶板失稳破坏后此位置冒落较破碎。

在基本顶上端部发生初次破坏后，随覆岩运移，岩梁会于此处再次发生破断，因此而形成的基本顶上下2部分呈现出不同的运动状态。在工作面上部，因无充填矸石，运移空间较大，顶板垮落充分，基本顶上半部分会发生倾向回转失稳并沿倾向向下滑移，并与围岩相互碰撞，故该区域顶板破碎程度较高、体积较小、与支架接触状态复杂多变，矿压现象明显，支架稳定性较差。而工作面下部，因受直接顶矸石充填影响，基本顶下半部分发生反倾向回转运移，但其运移空间有限、垮落不充分，破碎岩块体积较大，与支架接触较紧密，区域内矿压显现不明显，支架稳定性高，之后基本顶上方上煤层采动岩体随之冒落运移。这与近距离煤层开采数值模拟所得5#煤顶板应力分布特征、相似模拟实验所得覆岩垮落特征与基本顶位移特征相吻合。

4 现场试验情况对25221大倾角工作面矿压进行3个月的实时观测，记录了工作面支架的受载特征。图10（a）是工作面各支架的循环初阻力、循环末阻力，图10（b）是各支架前柱载荷与后柱载荷差值的绝对值。可以看出，工作面支架阻力呈现出倾斜中部较大、下部次之、上部最小的特征;支架循环末载荷较循环初呈增加趋势;中部区域支架工作阻力利用率高（顶板压力大）、向两边延伸逐渐降低，上部区域支架工作阻力利用率最低。同时，工作面支架受载呈现出非均衡特征，工作面中下部支架前、后柱的受载变化较小、较为稳定，而中上部区域支架前、后柱受载变化较大，支架非均衡受载程度更为剧烈。实测数据分析结果与研究结果一致。

5 结 论

1）大倾角近距离煤层开采中，上煤层采场运移符合大倾角单一层煤层工作面运移规律;而下煤层工作面因受上层煤层工作面的开采扰动，采场的围岩应力、覆岩运移特征更为复杂。

2）近距离煤层上下两工作面因布置的位置关系不同时，下煤层工作面受到上方采空区扰动影响不同，其顶板力学结构及变形破坏特征不相同，采场矿压显现亦不相同。

3）25221工作面基本顶岩梁首先于上端处发生破断，并在之后的运移中于中部再次发生破断;其采场覆岩运移异于大倾角单一煤层采场;工作面支架受载呈现出倾斜中部较大、下部次之、上部最小的特征，而中下部支架受载较为稳定，中上部支架受载多变。

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