伍永平，尹建辉 ，解盘石，高喜才，曹沛沛

（1．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2．教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

大倾角煤层长壁开采矸石滑移充填效应分析

伍永平1，2，尹建辉1，2，解盘石1，2，高喜才1,2，曹沛沛1，2

（1．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2．教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

为研究大倾角煤层开采过程中矸石滑移充填对工作面矿压的影响机理，建立了大倾角煤层开采工作面下部矸石充填力学模型，并对新疆焦煤集团25112工作面展开了物理相似模拟实验和现场矿压监测。得到了大倾角煤层开采工作面岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式，以及25112工作面矸石滑移充填特征和工作面不同区域支架载荷分布。结果表明，矸石滑移充填具有非均匀性，工作面矿压现象具有分区域性，来压时间具有时序性。由于受矸石的充填效应影响，大倾角煤层开采工作面充填区与近水平煤层开采相比，顶板岩梁的剪切力、弯矩都有所变小，工作面下部的矿压显现缓和于工作面中上部，来压时间滞后中、上部工作面。随着工作面沿倾向向上充填程度的逐步减弱，工作面矿压将增大,增大支架的支撑力可减缓工作面煤体（壁），顶板的受力状态，利于工作面的顶板管理。

大倾角煤层；矸石充填；矿压规律；力学模型

0 引 言

大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，开采难度大，开采后覆岩结构复杂，“支架-围岩”系统作用与一般倾角煤层差异大[1-2]，其开采过程中是一个走向与倾向交互作用的空间问题。相关研究表明工作面上部区域顶板最先发生垮落，垮落步距小，下部区域顶板滞后垮落，垮落步距大。沿工作面倾向顶板中上部最先出现离层、破坏，导致顶板垮落形态向上部区域偏移，呈现非对称拱形特征[3]。垮落的矸石会沿着工作面底板向下滑移充填采空区，呈现工作面下部密实充填，充填块度大小互相级配，具有一定强度，中部工作面充满，充填松散，充填块度较大，充填强度低，上部工作面少量充填的分区特征，如图1所示。不同充填程度使不同位置顶板约束条件的不同。造成开采围岩应力重新分布，对于工作面倾斜下方，滑移充填的矸石在工作面中上部的矸石的重力和顶板压力的共同作用下，形成了密实充填区，对于工作面倾斜下部形成了充填开采效应。文中就大倾角煤层开采过程中矸石充填效应展开了一定的研究，为更好地掌握大倾角煤层开采规律具有一定参考价值。

图1 大倾角煤层矸石滑移充填模型Fig.1 Model of gangue mining in steeply dipping seam

煤矿充填开采方法按照充填范围和充填量占采出煤炭量的比例关系可可以划分为局部充填和全部充填[4-6]。其中全部充填是对采空区所有区域进行充填，局部充填是对采动过程中产生的裂隙、冒落区域或对采空区部分进行充填。大倾角煤层长壁开采工作面下部工作面矸石滑移充填，是一种主动式矸石滑移充填，在工作面下部形成了充填开采的围岩条件，从而减缓了工作面下部矿压显现的剧烈程度。

近年来，政府与相关学者对大规模煤炭开采所引发的地表沉陷、环境污染等问题的重视，充填开采技术得到了大力发展，在国内外矿山已经得到了广泛的推广应用[7-9，13-15]，取得了大量显著的研究成果。矸石滑移充填则有其自身的优越性，不需要特殊的充填设备及动力，且充填开采又能及时有效地减少地表移动与沉陷，减缓工作面矿山压力显现的剧烈程度，具有广阔的发展前景。

1 工作面下部区域矸石滑移充填顶板力学模型

1.1 力学模型的建立

随着大倾角煤层长壁工作面的沿走向向前推进，顶板岩层由于矸石充填体的密实充填，将受到矸石的支撑作用，因此在开采过程中，工作面下部矿山压力将减缓，给予支架、煤壁等冲击力、动载系数也将减小。因此，可将大倾角煤层长壁开采工作面下部矸石密实充填区顶板岩梁（基本顶）可看成一端由工作面煤壁，另一端由矸石充填体支撑的两端固定的超静定梁结构。沿工作面推进方向力学问题可以简化为平面应变问题，取工作面密实充填区A—A方向（图1）的一剖面，建立“煤壁-支架-充填体”耦合作用下的工作面下部顶板岩梁力学模型，如图2所示。

图2 大倾角煤层密实充填区矸石滑移充填开采岩梁力学模型Fig.2 Lower part sliding gangue backfill mining rock beam mechanical model in steeply dipping seam

1.2 受力分析

选取上图中岩梁厚度为h,单位宽度的顶板为研究对象，构成了“煤壁-支架-矸石充填体”耦合支撑结构。岩梁受力分析如图3所示。

图3 大倾角煤层工作面下方矸石滑移充填开采岩梁受力分析Fig.3 Analysis of lower parts working-face sliding gangue backfill mining rock beam mechanical model in steeply dipping seam

根据结构力学方法[10-12]，设α=a/l，β=b/l可得支座反力FRA，FRB为

（1）

由式（1）可知，由于支架和充填体的支撑作用，岩梁两端的支座反力均小于垮落法开采时固定岩梁两端的支座反力（ql/2[5]）。随着工作面从下到上，破碎矸石所给予顶板的支撑力q3减小，FRA将增大，表明大倾角工作面沿倾向，从下到上工作面前方煤体所收到的力逐渐增大。随着q2的增大，FRA将减小，表明当增大支架的支撑力q2有助于减小前方煤体（壁）处受力，利于顶板管理和工作面超前支护。

取岩梁任意截面，可到剪切力Qx表达式为

（2）

分析式（2），可得岩梁在[0，l]内最大剪切力发生在梁端部煤壁处，即x=0处有最大值，煤壁处受力最大。随着q2的增大，Qx将减小，表明当增大支架的支撑力q2有助于减小煤壁处受力，利于减少煤壁片帮发生的可能性及工作面顶板管理。

取岩梁内任意截面，弯矩Mx表达式

（3）

式中MA由结构力学相关知识求解为

（4）

由式（4）可知，在[0，l]内，岩梁最大弯矩Mmax位于煤壁处，当x=0时有最大值，Mmax=M（0）=MA.由式（4）可知，在大倾角煤层长壁开采过程中工作面下部矸石滑移充填开采条件下岩梁最大弯矩比全部垮落法（-ql2/12）小[5]。随着工作面从下到上，破碎矸石所给予顶板的支撑力q3将减小，可知MA将增大，表明大倾角工作面沿倾向。由于破碎矸石的充填从下到上所给予顶板的支撑力将减小，顶板压力将沿着工作面从下到上增大，煤壁处的弯矩将增大，煤壁受力将增大。增大q2，MA将减小。因此提高支架的支撑力将有助于减缓工作面来压，减少煤壁片帮的可能性。

2 工程实践

新疆焦煤集团20130平硐25112工作面位于矿井一采区的1 950～2 000 m水平，煤质为焦煤，5#煤层厚度为5～7 m，煤层倾角平均45°.煤层软弱松散，一般无直接顶。老顶岩层坚硬，由含砾中砂岩、含砾中粗砂岩组成。工作面走向长度2 240 m，倾斜长度105 m.对25112工作面进行了实验室物理相似模拟实验和现场矿山压力观测。工作面测区与测点布置如图4所示，主要目的是掌握工作面支架受力状态的分布规律。

2.1 物理相似模拟及现场矿压监测

模型采用2 200 mm×1 850 mm×200 mm的可旋转模型架。根据实验需要选取几何相似常数为30，容重相似常数为1.6.将各种相似材料按照确定的相似材料配比进行混合拌匀后加适量水，再进行搅拌后装入模型内部，并用重物将材料夯实到所需密度，铺装好的实验模型，如图4所示。

图4 物理相似模拟覆岩垮落形态Fig.4 Collapse form of overlying strata

25221工作面矿山压力观测主要采用KJ377型矿压动态检测仪，连续记录测区内工作面支架的前后立柱的工作阻力变化。该系统主要由地面部分（服务器、UPS、串口服务器）和井下设备（通讯分站，支架压力传感器等）组成。251221综合机械化大采高工作面沿倾斜方向共布置3个测区，分别为下部测区（2#，9#，15#，22#支架）、中部测区（29#，33#，40#）以及上部测区（47#，54#），测区及测点布置如图5所示。

图5 工作面测区与测点布置Fig.5 Measurement areas and measuring points

2.2 物理相似模拟和现场监测结果

在煤层被采完后，顶板的大范围垮落形成的轮廓可以认为是工作面周期来压时的垮落范围，从图4可以看出，该矿大倾角煤层开采后，垮落的矸石沿着工作面底板发生了滑移现象，充填了工作面的中下部，充填带约占整个工作面的70%，工作面下部充实带约占工作面的20%.说明了大倾角煤层开采过程中沿着工作面倾向从上到下发生了非均匀的充填带，从而造成了工作面沿倾向的非均匀的覆岩运移空间。

25221工作面现场矿山压力观测工作从2012年6月开始至2013年5月结束，对数据和图表进行整理和处理后，可得到如下基本结果，如图6工作面不同区域支架载荷特征。

图6 工作面不同区域支架载荷特征Fig.6 Support load characteristics in different regions

1）沿倾斜方向矿压显现分区特征明显。由图6可见，工作面支架载荷（工作阻力）呈现出中部区域大，而上部区域和下部区域较小的基本特征。工作面支架的工作阻力利用率变化幅度大，且呈中部区域高（顶板压力大）、向两边延伸逐渐降低，在工作面上部区域，由于支架与围岩接触条件多变，支架工作阻力利用率最低；

2）工作面中、上部区域（特别是上部区域）岩层活动剧烈，支架受载状态多变，有时出现了动力作用（局部冲击）。来压呈现“先中部、次上部、再下部”具有时序性。

3 结 论

1）大倾角煤层长壁开采过程中，采空区矸石会沿着底板向下滑移，在工作面倾斜方向上形成了密实充填区、充分充填区、部分充填区，通过建立力学模型分析了大倾角煤层开采过程中工作面下部的受力状态，分析表明工作面下部区域的矸石充填作用，是工作面下部煤体（壁）、顶板的受力情况相对于中上部工作面较小的原因。认为提高工作面液压支架队顶板的支撑力可以减缓工作面煤体（壁）以及顶板的受力状况；

2）对大倾角煤层走向长壁开采进行物理相似模拟和现场支架工作阻力的监测表明，大倾角煤层开采过程中垮落的矸石会沿着工作面底板向下滑移至采空区，形成不均匀的充填带，不同充填程度使不同位置顶板约束条件的不同，造成开采围岩应力重新分布。工作面下部矿压缓和于中、上部工作面，来压时间具有滞后性、时序性。对于大倾角煤层安全高效开采具有一定的指导意义。

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Analysis of slipping gangue filling effect in mining steeply dipping seam

WU Yong-ping1，2，YIN Jian-hui1，2，XIE Pan-shi1，2，GAO Xi-cai1,2，CAO Pei-pei1，2

（1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China）

In order to study the impact mechanism of sliding gangue on working-face when mining steeply dipping seam，this paper built a gangue filling mechanical model at working-face bottom in steeply dipping seam.Also，conducted an similar simulation experiment and site measurements of 25221 working-face in Xinjiang Coking Coal Group.The expressions of shear stress distribution，moment distribution and support reaction of two ends beam were deduced，and obtained sliding gangue filling characteristics and support load distribution in different working-face areas.The results shows the non-uniformity of collapsed strata filling working-face and mine pressure appearance.Roof pressure have a time sequence.The maximum shear stress and moment by filling method are much smaller than the one by caving method.The lower part working-face mine pressure is less than the other parts working-face，mine pressure arrivals later than the other parts working-face.With the gradual weakening of the filling level，the mine pressure appearance will increase，and increasing working resistance can slow down the force state of coal wall and roof，which is conducive to face roof management.

steeply dipping seam；gangue filling；mine pressure law；mechanical model

2015-06-12 责任编辑：刘 洁

国家自然科学基金重大研究计划资助项目（90210012）；国家自然科学基金资助项目（51074120）；陕西省青年科技新星支持计划资助项目（2015KJXX-36）；陕西省重点实验室科学研究计划资助项目（14JS057，15JS062）

伍永平（1962-），男，陕西汉中人，教授，E-mail：wuyp@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0501

1672-9315（2015）05-0529-05

TD 327

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