大倾角大采高软弱顶底板工作面分区矿压规律研究

房万伟，李鹏杰，李明鑫，赵 瑞，时套套，孙 强，姬长兴

（1. 新矿内蒙古能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299；2. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3. 内蒙古福城矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299）

0 引言

我国东西部大倾角煤层分布赋存广泛，大倾角煤层储量约占我国煤炭总储量的17%，其中50%以上为稀缺或优质的煤炭资源，资源工业价值较高。但大倾角煤层一般赋存条件及矿压显现规律复杂，开采难度大。因此，明确大倾角煤层矿压显现规律对实现大倾角煤层安全高效开采具有重要意义[1-2]。

我国诸多学者针对大倾角煤层围岩控制技术及理论进行研究。解盘石等[3-6]采用现场实测、相似模拟及数值模拟等方法研究了大倾角煤层长壁开采覆岩运移规律、大倾角伪俯斜采场顶板运移破坏规律，分析了大采高大倾角开采支架动载失稳机理；王家臣等[7]采用理论分析及数值模拟等方法研究了急倾斜厚煤层开采“支架-围岩”系统稳定性，构建了支架倾斜力学模型，提出急倾斜厚煤层开采支架稳定性控制方法；伍永平等[8-9]研究了大倾角煤层工作面飞矸致灾机制，提出了工作面飞矸冲击控制方法；王红伟等[10-11]采用理论分析及数值模拟等方法，研究了不同采厚和不同倾角条件下大倾角大采高工作面煤壁稳定性，提出了采厚变化和倾角变化对煤壁稳定性影响机理；罗生虎等[12-16]采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法，揭示了顶板采动应力传递路径的时空演化特征及倾角效应，研究了大倾角大采高工作面煤壁非对称受载失稳机理，并提出煤壁片帮防治方法，揭示了大倾角工作面底板岩体失稳破坏及滑移特征；薛成春等[17]采用理论分析、数值模拟和现场实测方法，研究了大倾角厚煤层工作面高应力区开采能量演化规律，揭示了工作面顶板能量分布特征，并提出冲击地压防治方案；唐龙等[18]对大倾角复合顶板工作面矿压显现规律进行研究，提出了破碎顶板控制技术；张浩等[19]采用现场实测、数值模拟及理论分析等方法，研究了多因素影响下煤壁片帮机制。但目前对大倾角大采高软弱顶底板等多因素条件下工作面分区矿压显现特征的研究较少。

本文针对内蒙古长城二矿1305S工作面大倾角大采高软弱顶底板工作面开采条件，通过FLAC3D数值模拟分析及现场实测的方法，分析了1305S工作面回采过程中工作面正常区、过渡区、卸压区的矿压显现特征，为此类工作面的安全高效开采提供一定借鉴

1 工程地质条件

内蒙古长城二矿设计生产能力1.2 Mt/a，主采煤层为3煤层。研究区为一采区南翼的1305S工作面，工作面走向长2800 m，平均倾斜长度177.1 m，倾角19°～40°，平均倾角23°。该工作面为复合煤层工作面，3上煤层平均厚度1.72 m，3煤层平均厚度2.42 m，中部夹矸平均厚度0.51 m，采用综合机械化一次采全高法开采，平均采厚4.65 m。直接顶、直接底以泥岩为主，直接顶单轴抗压强度为14.63 MPa，直接底单轴抗压强度为14.98 MPa，属软弱岩层，基本顶以粉砂岩为主，属较硬岩层。

1305S工作面后半段下部67 m处为9煤层1906S工作面采空区，根据1305S工作面两巷掘进时的顶板离层及围岩移进量实测，工作面可划分为正常区、过渡区、卸压区。其中，工作面过渡区范围约为距1906S采空区100 m范围内。1305S工作面煤层顶底板综合柱状图，如图1所示，1305S工作面布置及区域划分、1906S工作面采空区位置，如图2所示。

图1 煤层顶底板综合柱状图Fig. 1 Comprehensive histogram of roof and floor of coal seam

图2 工作面布置及区域划分Fig. 2 Layout of working face and area division

2 工作面滑移充填力学模型

倾斜煤层开采后，直接顶在煤层采动的影响下发生破坏，岩块垮落。采空区倾斜方向上部直接顶垮落的岩块受重力及煤层倾斜的影响，滑移至工作面采空区下部，进而形成倾斜煤层采空区岩块垮落滑移充填区域，如图3所示。工作面滑移充填区域可分为充填接顶区及部分充填区，其中，充填接顶区长度可由式（1）[20]计算得出。

图3 倾斜煤层采空区滑移充填示意图Fig. 3 Schematic diagram of slip filling in goaf of inclined coal seam

式中：L为岩块充填接顶区长度，m；m为工作面采高，取4.65 m；h为直接顶厚度，取1.5 m；h'为部分充填区散落岩块平均厚度，m；k为直接顶垮落岩石碎胀系数，取1.3；a为工作面倾斜长度，取177.1 m；RT为极限抗拉强度，MPa；q为直接顶承受的载荷集度，取17000 kN/m2；α为煤层倾角，取23°。由1305S工作面监测数据可知，h'部分充填区散落岩块平均厚度取0.5 m，根据工作面煤岩体的力学特性测试得到直接顶的抗拉强度为0.41 MPa，由此即可计算出1305S工作面采空区滑移充填接顶区长度为53 m。

3 工作面分区矿压显现数值模拟研究

3.1 数值模型及方案设计

基于大倾角采空区顶板破碎岩块滑移充填理论，结合1305S工作面大倾角、不稳定顶底板、大采高等工程地质条件，运用FLAC3D数值模拟软件对1305S工作面分区矿压显现规律进行分析研究。

设计模型尺寸为宽×长×高为270 m×800 m×278 m，岩层倾角23°，其中，9煤层及复合煤层工作面四周预留50 m保护煤柱，在模型上表面施加10 MPa的等效地应力，模型四周及底部均施加固定约束，模型上表面自由，采用莫尔-库伦本构模型，各岩层物理力学参数见表1。

表1 数值模型岩层物理力学参数Table 1 Numerical model of physical and mechanical parameters of rock

为了研究1305S工作面矿压显现规律及特征，采用以下开挖方案：模型初始平衡后，先开挖1305S工作面下方原有的1906S老采空区；下部老采空区开挖完毕后，1305S工作面即可分为正常区（0～300 m）、过渡区（300～400 m）、卸压区（400～700 m），而后开挖1305S工作面两巷及切眼；开挖1305S工作面时，根据工作面基本顶初次垮落及周期垮落步距，设计工作面每次推进20 m，并结合工作面见方情况，对工作面推进至100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m时矿压显现情况进行分析，数值分析模型如图4所示。

图4 数值模型示意图Fig. 4 Diagram of numerical model

1305S工作面及下部1906S老采空区煤体模拟开挖后，基于大倾角工作面滑移充填模型对数值模型采空区进行等效的滑移充填，根据工作面滑移充填模型理论计算，模型等效滑移充填的接顶区域长度设计为53 m，非接顶区域长度为117 m，等效充填效果如图4所示。模拟中采空区等效充填部分的力学参数根据现场取样及实验室测试结果确定[21]，等效充填部分力学参数见表1。

3.2 工作面正常区矿压显现规律研究

1）正常区工作面顶板应力分布。1305S工作面正常区开采过程中，顶板不同位置及顶板整体垂直应力分布，如图5所示。

图5 1305S工作面正常区垂直应力分布Fig. 5 Vertical stress distribution in normal area of 1305S working face

1305S工作面推进至100 m（图5（a）），沿工作面倾斜方向，工作面采空区上中部的垂直应力较小，为0～2.5 MPa，采空区下部垂直应力较大，为12.0～16.0 MPa，同时，工作面中上部前方煤体超前垂直应力较大，为20.0～25.0 MPa，工作面下部前方煤体超前垂直应力约为15.0 MPa，由此下部超前支撑应力较为缓和。

1305S工作面推进至200 m（图5（b）），沿工作面倾斜方向，工作面采空区上部的垂直应力较小，为1.0～2.5 MPa，采空区中部垂直应力为7.5～10.0 MPa，采空区下部垂直应力较大，为12.5～17.5 MPa，同时，工作面中上部前方煤壁超前垂直应力较大，为20.0～27.5 MPa，工作面下部超前支撑应力为16.0～18.0 MPa。

1305S工作面推进至300 m（图5（c）），沿工作面倾斜方向，工作面采空区上部的垂直应力较小，为1.0～2.5 MPa，采空区中部垂直应力为7.5～12.5 MPa，下部垂直应力较大，为14.0～18.0 MPa，同时，工作面中上部前方煤壁超前垂直应力较大，为25.0～30.0 MPa，下部超前支撑应力较为缓和，约为18.0 MPa。

工作面正常区回采过程中，工作面煤体超前应力呈现出上部＞中部＞下部的特征，而工作面采空区顶板所受垂直应力呈现出下部＞中部＞上部。同时，随着工作面推进，工作面逐渐接近过渡区，工作面前方超前应力逐渐增大，最大为30.0 MPa。

2）正常区工作面顶板位移分布。1305S工作面正常区开采过程中，顶板不同位置垂直位移分布如图6所示。

图6 1305S工作面正常区垂直位移分布Fig. 6 Vertical displacement distribution in normal area of 1305S working face

1305S工作面推进至100 m时，距工作面上部40 m下沉量最大为0.65 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，最大位移为0.1 m；1305S工作面推进至200 m时，距工作面上部40 m下沉量最大为1.65 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，下沉量约为0.10 m；1305S工作面推进至300 m时，距工作面上部40 m下沉量最大为1.65 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，下沉量约为0.20 m。1305S工作面推进过程中回风巷（距工作面上部0 m）、运输巷（距工作面下部0 m）最大位移分别为1.20 m、0.20 m。

总体来看，由于滑移充填的影响，1305S工作面中上部顶板下沉量大，最大下沉量为1.65 m，1305S工作面下部滑移充填接顶区顶板下沉量较小，最大下沉量为0.20 m，1305S工作面超前50 m范围内顶板受超前应力的影响，发生略微下沉。工作面两巷顶板移进量呈现出回风巷＞运输巷。

3.3 工作面过渡区矿压显现规律研究

1）过渡区工作面顶板应力分布。1305S工作面过渡区开采过程中，顶板不同位置及顶板整体垂直应力分布如图7所示。

图7 1305S工作面过渡区垂直应力分布Fig. 7 Vertical stress distribution in transition zone of 1305S working face

1305S工作面推进至400 m，沿工作面倾斜方向，工作面采空区上部的垂直应力较小，约为2.5 MPa，采空区中部所受垂直应力为7.5～12.5 MPa，采空区下部垂直应力较大，为14～19 MPa，同时由于前方为1906S采空区之上的卸压区，工作面中上部前方煤壁超前垂直应力有所减小，为20.0～27.5 MPa。工作面下部前方煤壁超前垂直应力有所减小，为14.0～18.0 MPa。

1305S工作面过渡区推进完毕后，工作面前方进入工作面卸压区，受下部1906S老采空区采动卸压影响，1305S工作面卸压区倾斜方向中上部顶板所受垂直应力降低，垂直应力为5.0～10.0 MPa，工作面下部所受垂直应力变化较小。

2）过渡区工作面顶板位移分布。1305S工作面过渡区开采过程中，顶板不同位置垂直位移分布如图8所示。

图8 1305S工作面过渡区垂直位移分布Fig. 8 Vertical displacement distribution in transition zone of 1305S working face

1305S工作面推进至400 m时，距工作面上部40 m下沉量最大为1.85 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，下沉量约为0.30 m。总体来看，由于滑移充填的影响，工作面中上部顶板下沉量大，最大下沉量为1.85 m，工作面超前50 m范围内顶板下沉量小于0.20～0.50 m。

3.4 工作面卸压区矿压显现规律研究

1）卸压区工作面顶板应力分布。1305S工作面卸压区开采过程中，顶板不同位置及顶板整体垂直应力分布如图9所示。

图9 1305S工作面卸压区垂直应力分布Fig. 9 Vertical stress distribution in pressure relief area of 1305S working face

1305S工作面推进至500 m（图9（a）），由于工作面应力释放的原因，1305S工作面卸压区采空区顶板所受应力明显小于正常区和过渡区，卸压区工作面两侧保护煤柱应力集中明显小于正常区，为22.0～26.0 MPa，同时工作面中上部煤壁超前垂直应力为15.0～25.0 MPa，工作面下部前方煤壁超前垂直应力为14.0～18.0 MPa。

1305S工作面推进至600 m（图9（b）），工作面后方采空区中上部顶板所受垂直应力为2.5～7.5 MPa，下部采空区顶板所受垂直应力为14.0～22.5 MPa，工作面中上部前方煤壁超前垂直应力为17.5～25.0 MPa，工作面下部前方煤壁超前垂直应力为14.0～20.0 MPa。

总体来看，由于采空区上方工作面应力释放的原因，位于1305S工作面卸压区顶板所受应力明显小于正常区及过渡区，受滑移充填的影响，沿倾斜方向工作面所受垂直应力呈现出上部＜中部＜下部。工作面推进完毕后沿倾斜方向工作面中上部所受垂直应力呈现出卸压区＜正常区＜过渡区，工作面下部呈现出正常区＜过渡区＜卸压区。

2）卸压区工作面顶板位移分布。1305S工作面卸压区开采过程中，顶板不同位置垂直位移分布如图10所示。

图10 1305S工作面卸压区垂直位移分布Fig. 10 Vertical displacement distribution in pressure relief zone of 1305S working face

1305S工作面推进至500 m（图10（a））时，受下部1906S工作面采动影响，总下沉量大于正常段，距工作面上部40 m下沉量最大为1.80 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小。最大下沉量为0.30 m；1305S工作面推进至600 m（图10（b））时，距工作面上部40 m下沉量最大为1.95 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，下沉量约为0.31 m；1305S工作面推进至700 m（图10（c））时，距工作面上部40 m下沉量最大为2.25 m，其两侧位移逐渐减小，工作面下部顶板下沉量较小，下沉量约为0.31 m。

总体来看，受下部1906S工作面采空区影响，1305S工作面顶板下沉量卸压区＞过渡区＞正常区。同时，由于滑移充填的影响，工作面中上部顶板下沉量大，最大下沉量为2.25 m，工作面下部顶板下沉量为0.31 m，倾斜方向呈现出工作面下沉量中部＞上部＞下部。

4 工作面矿压实测分析

4.1 工作面矿压实测分析

根据1305S工作面支架监测数据，以及支架工作阻力达到近期相对峰值的时间，结合对应工作面进尺推算工作面顶板运动周期来压步距，并将1305S工作面划分为上、中、下三个监测区域，分析2023年4月工作面支架支撑阻力监测数据，选取每个监测区域内支架最大阻力平均值，绘制上中下部支架工作阻力图，如图11所示，工作面支架实拍图如图12所示。

图11 1305S工作面支架工作阻力Fig. 11 Working resistance of 1305S working face support

图12 1305S工作面支架实拍Fig. 12 Real shot of 1305S working face support

2023年4月期间沿倾斜方向1305S工作面上部先后经历周期来压4次，周期来压步距分别为9.3 m、18.3 m、12.3 m、13.0 m，工作面上部平均来压步距为14.8 m。来压时支架工作面分别为33.05 MPa、32.22 MPa、31.73 MPa、30.63 MPa，平均来压时的工作阻力为31.91 MPa。

1305S工作面中部先后经历周期来压4次，周期来压步距分别为9.3 m、15.9 m、18.1 m、16.0 m，工作面上部平均来压步距为14.8 m。来压时支架工作面分别为31.61 MPa、32.00 MPa、30.99 MPa、29.86 MPa，平均来压时的工作阻力为31.12 MPa。

1305S工作面上部先后经历周期来压4次，周期来压步距分别为7.4 m、18.3 m、17.9 m、8.1 m，工作面上部平均来压步距为13 m。来压时支架工作面分别为26.75 MPa、27.92 MPa、27.76 MPa、26.81 MPa，平均来压时的工作阻力为27.31 MPa。

综上所述，1305S工作面2023年8月回采过程中工作面周期来压步距介于7.4～18.1 m之间，平均周期来压步距为13.3 m，平均来压天数6 d。周期来压时支架工作阻力在26.75～33.05 MPa之间，工作面沿倾斜方向支架工作阻力总体呈现出工作面上部＞中部＞下部的特点，与数值模拟结果相互验证。

4.2 工作面两巷矿压实测分析

运用两巷设置的围岩变形测站对工作面回采过程中两巷围岩移进量进行监测，选取两巷相同位置测站回风测点3、回风测点30和运输测点3、运输测点30，对两巷围岩移进量进行分析。工作面两巷围岩实测移进量曲线如图13所示，工作面两巷超前区实拍如图14所示。

图13 工作面两巷围岩实测移进量Fig. 13 Measured displacement of surrounding rock in two roadways of working face

图14 工作面两巷超前区实拍Fig. 14 Real shooting in the advance area of two roadways in working face

随着工作面推进，进入回风测点3和运输测点3的监测范围，回风测点3超前工作面70 m时，巷道围岩移进量开始逐步增大，工作面推进至测点位置时，回风巷顶板移进量为860.18 mm，底板移进量为580.31 mm，右帮移进量为242.43 mm，左帮移进量为54.72 mm；运输测点3超前工作面60 m时，巷道围岩移进量开始逐步增大，工作面推进至测点位置时，运输巷顶板移进量为322.40 mm，底板移进量为219.52 mm，右帮移进量为98.25 mm，左帮移进量为207.24 mm。

随着工作面推进，进入回风测点30和运输测点30的监测范围，回风测点30超前工作面100 m时，巷道围岩移进量开始逐步增大，工作面推进至测点位置时，回风巷顶板移进量为728.93 mm，底板移进量为471.98 mm，右帮移进量为215.03 mm，左帮移进量为178.59 mm。运输测点30超前工作面90 m时，巷道围岩移进量开始逐步增大，工作面推进至测点位置时，运输巷顶板移进量为367.84 mm，底板移进量为296.08 mm，右帮移进量为110.52 mm，左帮移进量为149.28 mm。

综上所述，回风巷围岩移进量呈顶板＞底板＞右帮（工作面煤壁侧）＞左帮的特点，运输巷围岩移进量呈顶板＞底板＞左帮（工作面煤壁侧）＞右帮的特点，两巷围岩移进量呈回风巷＞运输巷的特点，与数值模拟结果相互验证。

5 结 论

1）大倾角大采高软弱顶底板工作面的分区矿压显现有以下特征：沿倾斜方向工作面中上部所受垂直应力呈现出过渡区＞正常区＞卸压区的特点，工作面下部呈现出卸压区＞过渡区＞正常区的特点；工作面顶板下沉量呈现出卸压区＞过渡区＞正常区的特点。

2）通过数值模拟及现场实测分析，研究结果表明：1305S工作面推进过程中，平均周期来压步距为13.3 m，周期来压时支架工作阻力在26.75～33.05 MPa之间，沿工作面倾斜方向顶板所受垂直应力总体呈现出工作面上部＞中部＞下部的特点。

3）通过数值模拟及现场实测分析，研究结果表明：工作面推进过程中，两巷围岩移进量呈回风巷＞运输巷的特点；回风巷围岩移进量呈顶板＞底板＞右帮（工作面煤壁侧）＞左帮的特点，运输巷围岩移进量呈顶板＞底板＞左帮（工作面煤壁侧）＞右帮的特点。