解盘石 段建杰 皇甫靖宇 田双奇

摘 要：為了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律，采用物理相似模拟实验方法，分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明：大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采，下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移，顶板运移曲线呈现沿倾斜方向“上大下小”的双峰特点，垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部>下部>上部，下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏，引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的“W”型分布变为下区段开采时的“V”型分布，增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。

关键词：大倾角煤层;多区段开采;顶板运移;二次扰动;非均匀充填

中图分类号：TD 325

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）02-0212-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0204开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Experiment study on roof movement and its filling in

multi-section mining of steeply dipping seam

XIE Pan-shi1，2，DUAN Jian-jie1，2，HUANGFU Jing-yu1，2，TIAN Shuang-qi1，2

（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）

Abstract：In order to study the multi-slope overburden migration law of steeply dipping coal seam，the physical similarity simulation experiment method was used to analyze the roof and coal pillar movement of the multi-slope mining in the steeply dipping seam，the stress distribution and evolution of the floor，and the filling characteristics of the collapsed gangue.The results show that the migration law of surrounding rock in multi-section mining of steeply dipping coal seam is different from that of single section mining，the lower section mining leads to secondary subsidence and slippage of the upper and middle collapsed roof in the upper section working face along the incline direction，the roof movement curve shows the double peak characteristic of “upper and lower” in the oblique direction.The non-uniform filling of collapsed roof leads to the tendency of floor stress along the goaf to show the middle part>the lower part>the upper part.，and the mining in the lower section causes the floor stress of the middle goaf in the upper section to increase again.The mining of the lower section caused the upper and lower sides of the section coal pillar to be asymmetrically loaded and destroyed，which triggered the chain movement of the coal pillar-upper section working face coal and rock mass.The section coal pillar abutment pressure changes from the “W” type distribution in the upper section mining to the “V” type distribution in the lower section mining，and the dynamic load coefficien reaches 4.9.The study can provide theoretical guidance for multi-section surrounding rock control in steeply dipping seams.

Key words：steeply dipping coal seam;multi-section mining; roof movement;second mining disturbance;non-uniform filling

0 引 言

大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层[1]，其约占我国煤炭储量的15%～20%和产量的5%～10%，50%以上为优质焦煤和无烟煤，在我国西部的四川、新疆、甘肃等矿区，50%以上矿井开采大倾角煤层。大倾角煤层是国际采矿界公认的难采煤层，除上世纪70～80年代前苏联、德国和波兰有过少量研究外[2-4]，其综合机械化开采（综采）基础理论与技术研究一直未取得进展。自上世纪90年代末以来，通过科研工作者与工程技术人员不懈努力，我国进行了大倾角中厚煤层 [5-7]、近距离煤层群[8]以及特厚煤层[9]等特定条件下大倾角煤层走向长壁机械化开采生产实踐，在大倾角煤层开采在理论研究、技术应用与装备研制方面均取得了较大进步[10]，但多年开采实践与研究表明[11]，大倾角长壁工作面多区段开采不同于缓倾斜煤层，其下区段开采时极易导致上区段顶板岩层二次运移，并引发上、下区段覆岩和区段煤柱失稳，造成下区段工作面倾斜上部支架失稳，严重威胁工作面安全。

近年来，已有许多学者通过理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测等方法对大倾角煤层综采（放）采场围岩运移规律[12-13]、区段煤柱稳定性及合理尺寸确定[14-16]、区段煤柱围岩结构[17-19]、多区段采煤方法设计[20]等，进行了较为系统的研究，但主要集中在煤柱合理尺寸和单个区段围岩运移规律上，未见区段间顶板变形运移及其空区充填规律方面的研究，特别是下区段开采时对上区段顶板变形、区段煤柱稳定性及采空区矸石充填方面。

因此，在已有研究工作基础上[21]，以现有的大倾角煤层长壁多区段综采工作面研究对象，采用物理平面相似材料模拟方法，深入研究大倾角煤层多区段长壁采场顶板变形破坏规律及其充填特征，可为大倾角长壁采场“支架-围岩”系统稳定性控制提供理论支持。

1 工程概况

2130煤矿隶属新疆焦煤集团，该矿25221，25222工作面主采5#煤层，工作面位于15#沟以西，16线以东153 m，地表高山沟壑，呈东西狭长分布，西高东低。工作面回采范围煤层内向西、向下煤层厚度逐渐变薄，煤层结构中部简单，东西较复杂，西部有2～3个分层，煤层厚度3.49～13.07 m，平均厚度11.01 m，结构复杂，含3～5层夹矸，煤矸互层1.92～4.1 m.由于回采范围内煤层底部煤质较好，均厚8.04 m，煤层倾角36°～46°，平均44°，煤岩赋存稳定，工作面煤岩柱状如图1所示。工作面沿直接顶板开采，先开采上区段25221工作面，后开采25222工作面，区段煤柱宽度约28 m，采用综采方法，模拟采高6 m，工作面长度105～120 m.

2 物理相似模拟实验

2.1 物理相似实验参数

实验选用变角度平面模拟实验架，模拟实验架尺寸：长×宽×高=2 150 mm×200 mm×1 800 mm.选取河沙作为骨料，石膏、大白粉作为粘结材料，云母粉作为分层材料。模型几何相似常数Cl=150，容重相似常数Cγ=1.562 5，应力相似常数Cσ=

234.375，载荷相似常数CF=2.27×106，时间相似常数Cτ=12.247，按照柱状图和设计比例填装模型，对未填装的覆岩（模型尺寸约102 cm）部分采用等效载荷方法。煤岩力学参数见表1.

2.2 实验测试手段与模拟方案

该实验主要的测试手段有：采用PENTAXR-400NX型光学全站仪监测上覆岩层位移、采用无线压力传感器监测采场支承压力变化规律、采用数码摄像机拍摄记录覆岩破坏垮落形态。为了全面观测大倾角多区段开采过程中的覆岩运移特征，在模型表面沿煤层倾向方向布置了共17排位移测点，编号：a～m，如图2（a）所示，测点间距为5 cm，排距为4 cm.其中b排为直接顶，g排为基本顶，i排及以上为高位覆岩，填装完成模型如图2（b）所示。

区段工作面的开采顺序为：5#煤层上区段工作面，工作面斜长80 cm（120 m），采高模拟尺寸4 cm（6 m）; 5#煤层下区段工作面，工作面斜长80 cm（120 m），采高模拟尺寸4 cm（6 m），考虑模型边界影响，在距离模型边界50 cm（75 m）布置上区段工作面回风平巷。

3 顶板垮落实验现象

物理相似模拟实验表明，工作面顶板变形破坏运移的顺序为：离层—弯曲下沉—局部垮落—滑滚充填—整体垮落。

工作面下行开采11 4m时，直接顶发生垮落，垮落厚度为5.25 m，倾斜上方顶板悬露长度为79.5 m，距工作面底板高11.25 m，（倾斜）中上部区域悬露岩层内产生6条离层裂隙，离层最大高度为17.25 m.在下行开采120 m时，基本顶垮落，垮落高度为22.50 cm，上方顶板悬露长度84 m，距工作面底板高22.50 m，离层裂隙向上延伸至4#煤层之上，离层高度达42 m.垮落顶板充填采空区并沿倾向堆砌并形成结构，导致部分垮落岩块并未充分压实，仍具有下沉或下滑的趋势，上区段采空区分别在（倾斜）上部基本顶范围和（倾斜）下部垮落直接顶处形成了悬露空间，如图3（a）～3（b）所示。

下区段工作面推进12 m时，上区段采场受到扰动，覆岩再次发生垮落。垮落高度48 m，上方顶板悬露长76.5 m.同时，距离上区段回风平巷侧煤壁 37.5 m及底板48 m处产生横向裂隙。当下行开采108 m时，下区段工作面中、上部直接顶发生垮落，垮落高度8.7 m，上方顶板悬露长79.50 m，垮落直接顶在靠近采空区下部形成铰接结构;距离煤层底板18 m处顶板出现离层裂隙。下区段工作面采完后，基本顶垮落，垮落高度43.5 m，上方顶板悬露长84 m，垮落顶板填充开采区域并形成结构，如图3（c）～（e）所示。

4 采场顶板运移特征及其垮落充填规律

4.1 沿工作面倾向顶板运移特征

上区段工作面开采后，直接顶发生垮落，由于大倾角煤层采场顶板力学特征呈现非对称性，顶板最大位移首先出现在工作面中上部，且垂直岩层倾向的最大位移发生在44.7 m处，为负（垂直岩层向下）0.32 m，沿煤层倾斜方向最大位移为负（倾斜向上）0.11 m，由于垮落顶板对工作面下部区域的充填，导致该区域顶板沿垂直岩层方向有正向位移，破坏岩层有沿倾斜方向向上的运动趋势，如图4所示。

随着上区段开采完毕，基本顶发生垮落，通过垂直岩层位移方向线的斜率正负，可以看出在工作面中上部多为倾向堆砌，中下部部分垮落的直接顶为反倾向堆砌，工作面最大位移也出现在中上部，且在该处直接顶为全厚度垮落;由于垮落顶板对工作面下部充填，导致下部直接顶、基本顶在破坏过程中发生了以下方充填体为支点的逆时针旋转，使得该处顶板出现沿垂直岩层方向的正向运移。此时，垂直岩层倾向的最大位移出现在35.1 m处，增加至5.89 m.由于工作面上部顶板垮落会继续滑滚充填下部区域，沿煤层倾向方向最大位移发生在上部18.6 m处，位移为0.21 m，如图5所示。

下区段下行开采12 m时，上区段采场受到扰动，顶板再次发生垮落、运移，在工作面中上部出现最大位移，且垂直岩层方向基本顶受开采扰动最为明显，位移量由0.35 m增加为3.14 m，如图6（a）所示，工作面上、下边缘局部区域出现位移量特征：高位岩层>基本顶>直接顶。由于下部开采扰动，导致上区段中上部35.1 m和62.9 m处均出现基本顶沿工作面明显的倾向向下运动，呈现双峰特点，峰值分别为0.49和0.38 m，说明上区段工作面中、上部基本顶受下区段开采扰动明显。

区段煤柱区域变形观测分析表明，下区段工作面开采后，加之上区段采场顶板二次运移，导致区段煤柱同时受到垂直岩层和沿岩层倾向载荷双重作用，其明显影响范围占煤柱顶板区域的1/4，主要表现为：煤柱上方直接顶和基本顶具有垂直岩层向下运动的趋势，且基本顶在中下部出现最大位移0.16 m，表明该处为支承压力峰值区域。沿工作面倾向方向煤柱中下部有向下运动趋势，这主要由于区段煤柱上侧受压、下侧卸载所致。由于下区段采场上部基本顶垮落、充填至下部区域，导致煤柱上方基本顶沿工作面倾向出现向下运移，峰值为0.05 m，如图7所示。以上分析表明，下区段开采不仅对区段煤柱有卸荷作用，同时也引发了煤柱—上区段采场煤岩体的连锁运动，进而导致了段间煤岩体再次发生破坏和运动。

下区段开采导致上区段覆岩垮落更加充分，而下区段采场顶板垮落不充分，呈现出中上部位移量最大、下部位移最小特征。受下区段开采扰动影响，上区段采场基本顶垂直岩层倾向位移明显增大，由3.14 m增加至3.34 m，同时，由于垮落顶板的滑滚充填，沿岩层倾向位移由0.49 m减小至0.42 m，如图8所示。

4.2 沿工作面倾向支承压力分布特征

上区段工作面下行开采至114 m时，上区段直接顶发生垮落，围岩应力重新分布，在上、下煤壁区域形成支承压力峰值，工作面上方煤壁处压力峰值达到10 MPa，增载系数4.55，工作面下方煤壁为7.07 MPa，增载系数1.73.同时，区段煤柱区域出现“W”型支承压力分布曲线，表明在该区域形成了两侧较高、中间较低的“三峰”支承压力分布特征，其中，煤柱下部峰值>煤柱上部峰值>煤柱中间峰值，如图9所示。

随着下区段下行开采至120 m，工作面上、下两侧煤壁区域支承压力值继续增加。采空区底板压力值略有增加，并呈现出分区域特征，即下部区域最大，中部区域次之，上部区域最小。工作面上部煤柱支承压力峰值为11.32 MPa，增载系数5.15，下部煤柱支承压力峰值为7.35 MPa，增载系数1.70.区段煤柱区域支承压力分布曲线由“W”型变为“V”型，如图9所示。

下区段下行开采12 m时，上区段采场上侧煤壁支承压力峰值增至12.66 MPa，增载系数5.76，区段煤柱支承压力峰值增加为8.48 MPa，增载系数1.96.如图10所示。这表明，下区段开采导致了上区段采场煤岩体二次破坏和运移，上区段采场的悬露空间进一步增加，从而导致采场周边支承压力增大。

下区段下行开采108 m时，上区段采场上、下两侧支承压力继续增加，上部煤壁支承压力峰值增至13.58 MPa，增载系数6.18.由于上区段采场顶板岩层垮落，形成了倾斜砌体结构，并作用于采场底板，导致上区段采场中部支承压力增大并高于原岩应力，即垮落顶板对底板的加载扰动。同时，区段煤柱支承压力峰值达17.18 MPa，增幅较大，增载系数3.98，这主要是由于双区段开采后集中应力叠加所致。下区段工作面下部煤壁出现应力集中，支承压力峰值为11.44 MPa，增载系数1.89，如图10所示。

下区段下行开采120 m时，由于上区段采场顶板继续垮落，所形成的倾斜砌体结构继续向高位岩层转移，上区段上部煤壁支承压力峰值增至14.9 MPa，增载系数6.78.區段煤柱支承压力峰值增至20.45 MPa，增载系数4.90.下区段下部煤壁支承压力峰值则降为11.23 MPa，从图10可以看出，这主要是垮落顶板充填对采场下部的支撑作用和该区域煤岩体破坏卸荷作用所致。

4.3 垮落顶板运移规律

实验数据表明，由于采场上部顶板首先垮落后充填至下部区域，导致采空区上部区域底板应力值小于中、下部区域，同时，采场中下部区域在垮落顶板的充填作用下，形成了完整的顶板—充填矸石—底板载荷传递路径，使得该区域再次形成煤岩体结构，从而进一步改变了区段煤柱和下区段采场应力演化和围岩结构特征。

上区段开采过程中，采场中部区域底板压力增加最为明显，上部和下部增幅接近，其中，中部增幅0.44 MPa，上部0.27 MPa，下部0.28 MPa.下一区段开采过程中，初采扰动阶段对上区段底板应力的影响最为明显，特别是上区段采空区中部最为显著，支承压力由2.44 MPa增加到3.73 MPa，可以看出，下区段初采切断了煤柱煤体与下方煤体的力学联系，导致煤柱上、下两侧非对称受载，促使整个煤岩力学体系中最薄弱的煤柱发生变形和运移，从而引发了上区段煤岩体的大范围运动，如图11所示。

下区段开采过程中，其采场底板的应力分布规律与上区段具有相似特征，但由于未受到二次开采扰动的影响，其底板平均应力增幅较小。下区段基本顶垮落后，工作面上部偏下区域底板应力下降，这是由于下行开采时该处垮落顶板向下部继续滑滚减弱了该区域底板受垮落顶板的作用所致。基本顶顶垮落对工作面中部区域影响最大，底板应力增幅达1.21 MPa，大于上区段基本顶垮落时，表明下区段采场顶板垮落较为充分且高度较大，如图12所示，这也说明，下区段采场围岩受到了上区段围岩运移的扰动作用，这是大倾角煤层走向长壁多区段采场具有的特殊规律，下区段开采以区段煤柱为传力媒介对上区段产生扰动，而上区段煤岩体二次运移又再次作用到下区段采场煤岩体上，产生二次扰动作用。

5 结 论

1）大倾角多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采，下区段开采以区段煤柱为传力媒介对上区段产生扰动，顶板再次发生大范围垮落、运移，采场倾向中部顶板垮落高度进一步增加，中、上部垮落顶板均出现二次滑移，其运移曲线沿倾斜方向呈现“上大下小”的双峰特点。

2）上、下区段开采对区段煤柱均具有卸荷作用，并使煤柱上、下两侧非对称受载，并在垂直岩层和沿岩层倾向载荷双重作用下，引发了煤柱—上区段采场煤岩体的连锁运动，进而导致了段间煤岩体再次发生破坏和运动，影响了下区段开采。同时，区段煤柱支承压力从上区段开采时的“W”型分布变为下区段开采时的“V”型分布，支承压力增载系数达到4.9.

3）在垮落顶板非均匀充填作用下，采空区底板应力沿倾向呈现出中部>下部>上部，下区段开采破坏了上区段煤岩结构并引发了覆岩的大范围破坏和运动，导致上区段采空区中部底板应力显著增加，应力由2.44 MPa增加到3.73 MPa.下区段基本顶垮落时采场中部底板应力增幅达1.21 MPa，大于上区段基本顶垮落时，表明下区段采场顶板垮落较为充分且高度较大。

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