许红杰

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013)

0 引 言

在我国，大倾角煤层储量占总储量的比例达到15%左右，每年产量占总产量的8%～10%[1]。多年来，国内外学者利用相关理论、数值计算、相似试验和现场测试等分析方法，研究了大倾角煤层工作面的顶板破断运移规律及矿压显现特征，取得了丰硕的成果[2]。大倾角煤层走向长壁综放工作面，因煤层倾角大于顶煤顶板破碎煤矸石的自然安息角[3]，在工作面回采过程中，顶煤顶板冒落的煤矸石会沿着底板向工作面下端头滑移，不同程度地充填采空区，工作面后方采空区的充填程度差异明显，呈现出工作面下部区域充填压实程度高，中部充填程度比较完全，上部区域充填不充分的特征[4-7]。直接顶冒落后采空区充填不均匀，造成对上覆岩石约束的非均衡性，基本顶初次破断和周期破断期间，工作面矿压显现呈现出“时-空-强”非对称特征[8]，沿倾斜方向工作面中部偏上部位支架受力最大，上部次之，下部较小。大倾角综放工作面基本顶初次垮落后，随着工作面的持续推进，会出现“悬露-断裂-转动-下沉触矸”的周期性破断现象[9]，工作面不同位置在不同时期的矿压显现特征变化明显，与缓倾斜煤层工作面矿压显现特征出现较大差异[10-11]，岩层控制难度比缓倾斜煤层大。受放煤影响，大倾角综放工作面支架承载过程处于动态变化中，支架容易发生失稳，回采过程中工作面容易发生片帮和端面冒顶，影响综采设备的稳定性和工作面安全管理[12-13]。

充分分析大倾角煤层工作面的矿压显现规律，掌握上覆岩层运移特征，可为大倾角综放工作面安全持续开采提供保障[14-16]。本文以汾源煤业5-101综放工作面为研究对象，该煤层属于典型的“三软”地质条件大倾角特厚煤层，采用物理相似材料模拟试验及现场实测相结合的手段，对沿工作面倾向不同范围的顶板岩层破坏特征、支架受载稳定性状态和支架工作阻力等方面进行分析，为大倾角煤层长壁开采下顶板稳定性控制提供必要的基础。

1 工作面概况

汾源煤业位于宁武煤田，地表覆盖第三系、第四系，沟谷区域可见基岩，从东南向西依次出露中奥陶系、石炭系和二叠系。 主要可采煤层为5号煤层，煤层厚度为1.85～20.06 m，平均厚10.29 m，含0～4层夹矸，一般含矸1～2层，结构复杂，属全井田可采的稳定煤层，煤层平均倾角在35°以上，属典型的大倾角煤层。煤层单轴抗压强度在10 MPa左右，属软弱煤层，顶板主要是泥岩或砂质泥岩，底板岩性为砂质泥岩、泥岩或粉砂岩，煤层综合柱状如图1所示。由图1可知，该煤层顶板、底板松软，因此5号煤层为松软大倾角煤层。5-101综放工作面为5号煤层的首采工作面，走向长465 m，倾向长85 m，在实际开采过程中，根据工作面起伏状态，选用合适的上行割煤和下行割煤方式。

图1 5号煤层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of No.5 coal seam

2 大倾角综放工作面矿压显现相似模拟分析

大倾角松软特厚煤层一次采全高工作面上覆岩层的破坏规律可以从走向和倾向两个角度进行考虑。 根据已有研究[17-20]，在走向上，工作面上覆岩层的破断规律同近水平煤层和缓倾斜煤层一致，均具有初次来压和周期来压特征，老顶均可形成砌体梁结构；在倾向上，由于上覆岩层沿工作面重力分力作用的影响下，使其形成“倾向砌体”结构，进而导致与近水平工作面和缓倾斜工作面的特征形成差异。综合考虑利用物理相似模拟铺设倾向模型，分析割煤开挖后覆岩的破断冒落特征。 依据实验室物理力学参数测试结果，按照相似理论选择材料配比，具体参数见表1。

表1 相似材料配比参数Table 1 Similar material ratio parameters

综合考虑原岩层理、节理、裂隙和软弱面等影响因素，铺设相似材料物理模型，骨料为河砂、石英砂和云母，胶结物由碳酸钙和石膏组成，依照设计进行搅拌、铺设，仿照工程实际情况的模型思路，尽量消除和减少模型与原型在力学性态上的差异，使其受力强度保持一致。模型铺设时分层材料使用云母粉，最终模型如图2所示。该模型的几何相似比为1∶200，容重相似比为1.8∶2.5，时间相似比为1∶(200)0.5，应力及强度相似比为1.8∶500.0，实验选用长×宽×高=3.20 m×0.25 m×1.30 m的平面应力模型架。

图2 相似材料模拟模型Fig.2 Similar material simulation model

2.1 覆岩破断运移过程

1) 上行割煤。模型采用上行和下行两种割煤方式，两侧各留20 cm(对应实际量40 m)作为左右侧边界，工作面的有效长度为195 cm(对应实际量390 m)，从模型中5号煤层的中心开始，先上行割煤95 cm(对应实际量190 m)，再下行割煤100 cm(对应实际量200 m)。循环进度为5 cm(对应实际量10 m)，开挖间隔为20 min，在此过程中通过观察顶板的破断运移特征，分析大倾角综放工作面矿压显现规律。

由上行割煤过程可知，上行割煤15～40 m，直接顶离层随上行推进而持续加大，并出现较大挠度，有垮落的趋势；上行割煤40～50 m，推进至42 m处，直接顶破断冒落，冒落煤矸石沿下山方向滑移；上行割煤60～70 m，推进过程中直接顶随采随垮，采空区上方悬露的基本顶出现离层，并随着推进弯曲挠度持续增大。工作面推进至68 m处时，直接顶垮落后，基本顶发生初次断裂，步距为68 m。基本顶断裂后整体向后滑动，断裂的基本顶在上山方向无法形成铰接结构，上山方向回转后失稳，沿裂缝切落，矿压显现较强；断裂基本顶在下山方向形成稳定的铰接岩梁结构，矿压显现较弱。

割煤过程中直接顶垮落矸石下滑至下部区域(图3和图4)呈破碎状不均匀的充填在采空区(C区)；中部区域(B区)受下部区域空间矸石影响，垮落岩块较为完整，充填不完整，上部呈悬顶状态(A区)，基本顶中上部区域岩层出现离层破坏现象，离层量较小。

上行割煤在70～80 m过程时，直接顶随推进垮落，并向下山方向滑动；上山方向悬臂结构的老顶岩层弯曲明显，采空区上方悬露的基本顶出现较大离层。上行割煤80～130 m，大范围基本顶整体下沉，并向下山方向滑动，最大离层发育到采空区底板法线上方52 m处(图4)。上山方向基本顶断裂处未形成铰接结构，覆岩整体切落，附近岩体裂缝发育，间隙较大，矿压显现剧烈；下山方向形成稳定的铰接结构，岩体裂隙受挤压闭合，矿压显现较弱。

图3 上行割煤70 m顶板垮落形态Fig.3 Roof caving form of 70 m upward coal cutting

图4 上行割煤130 m顶板垮落形态Fig.4 Roof caving form of 130 m upward coal cutting

上行割煤在130～160 m过程时，直接顶随采随冒，当上行割煤推进到160 m处时，高位基本顶悬臂结构岩梁发生断裂，呈逆时针回转下沉(图5)，在断裂处会形成铰接结构，矿压显现较弱。上行割煤160～170 m，推进过程中直接顶随采随冒，并向下山方向滑动；上行割煤推进到170 m处，悬臂基本顶再次断裂，基本顶和上覆岩层继续逆时针回转下沉，断裂处形成铰接结构。 上行割煤170～190 m，推进过程中直接顶随采随冒，并向下山方向滑动；工作面推进至176 m处，基本顶在煤壁处发生断裂，发生顺时针回转失稳破坏，未在断裂处形成铰接结构，附近岩体裂缝发育，间隙较大，矿压显现强烈，上覆岩层断裂发育到模型顶部。

图5 上行割煤160 m顶板垮落形态Fig.5 Roof caving form of 160 m upward coal cutting

上行割煤过程中，上位基本顶呈规则垮落状态，下山方向采空区充填不均匀性，工作面上部(A区)为悬顶区，几乎无充填矸石；中部(B区)由下向上煤矸石充填量逐渐减少，冒落后的煤矸石呈梯形状(图4)；下部矸石在采空区进行充填，在重力作用下采空区直接顶逐步压实，稳定后呈矩形状分布。由于采空区矸石充填程度的差异，致使下端头基本顶形成“倾向砌体”结构，而上端头基本顶则作为规则冒落带随割煤推进发生冒落。

2)下行割煤。下行割煤10～20 m，直接顶随开采局部垮落，基本顶出现离层并有增大趋势。下行割煤20～30 m，直接顶随采随垮，并向下山方向滑动；悬臂状基本顶发生断裂，呈顺时针回转(图6)，在断裂处形成稳定的铰接岩梁结构。

图6 下行割煤30 m顶板垮落形态Fig.6 Roof caving form of 30 m downward coal cutting

下行割煤30～50 m，悬臂状基本顶再次发生断裂、顺时针回转，在断裂处形成稳定的铰接结构，周围岩体裂隙发育不明显。下行割煤50～100 m，悬臂状基本顶多次断裂、顺时针回转，如图7所示，同样会在断裂处形成稳定的铰接结构，周围岩体裂隙发育不明显。上覆岩层发生大范围断裂下沉，下山方向覆岩断裂处裂缝缝隙小，大部分为未贯穿裂隙，最大离层发育到采空区底板上方180 m左右。

图7 下行割煤100 m顶板垮落形态Fig.7 Roof caving form of 100 m downward coal cutting

下行割煤过程中，直接顶随采随垮，并向下山方向滑动；基本顶呈悬臂状态，周期性地发生断裂垮落，断裂处呈铰接状态。滑动的垮落直接顶堆积在下山方向的基本顶下方，限制了基本顶的顺时针回转幅度，矿压显现较弱。上覆岩层会随基本顶的回转下沉而发生较大范围下沉，断裂处存在不贯通的细小裂隙，随着时间的推移，最大离层向上发育至采空区上方250 m左右(图8)。

大倾角工作面上覆岩层的铰接结构呈现下部多、上部少的特点，基本顶离层向垂直工作面正上方发展，发育程度高达250 m，离层最大量位于工作面中下部的正上方，这是上覆岩层最大的扰动区域，破断形状呈波浪状(图8)。

图8 下行割煤200 m顶板垮落形态Fig.8 Roof caving form of 200 m downward coal cutting

根据割煤过程直接顶和基本顶的垮落状态可知，大倾角工作面受到煤层倾角影响，采场顶板呈非均匀受载状态，采空区矸石充填不均匀，工作面倾向下部区域顶板岩层得到垮落后，下部充填较为密实，从而在倾斜中上部区域形成非均匀下沉，采场中部区域和上部区域采空区充填程度一般，垮落岩石未对上方顶板结构提供有效支撑作用，顶板呈现悬顶状态。

2.2 覆岩运移规律分析

本次实验沿5号煤层顶板倾斜方向和法线方向每间隔5 cm布置一个位移测点，共28层，658个测点。每次开挖后用全站仪测量位移的横坐标、纵坐标，绘制岩层显著移动的测点与原始位置的对比图(图9和图10)。

图9 上行割煤覆岩运移Fig.9 Strata migration of upstream coal mining

图10 覆岩运移位置点阵分布Fig.10 Lattice distribution of strata migration position

由图9和图10可知，顶板导水裂隙带呈非对称性，为了分析工作面推进过程中上覆岩层“三带”发展过程，提取不同开挖状态下，“三带”测点数据，绘制不同层位顶板下沉位移如图11所示。由图11可知，随着割煤长度的增加，上覆岩层冒落最大量值在增加，发生垮落的最大量位置向上部区域偏移；工作面中上部垮落高度最大，受到覆岩层大范围破坏及破断高度的增加，而且冒落煤矸石容易下滑，很难充满采空区，因此支架在中上部的稳定性较差。

图11 上行割煤不同层位顶板下沉位移Fig.11 Roof subsidence displacement at differentlayers of upstream coal mining

3 大倾角综放工作面实测

选取汾源煤业5-101综放工作面正常回采期间工作面矿压数据进行稳定性分析，包括得到工作面支架工作阻力分布、周期来压情况、支承压力分布和巷道围岩变形情况。

3.1 支架工作阻力分析

在工作面矿压作用下，液压支架的工作阻力分布区间能够较好地反映出支架的工作状态。通过分析液压支架工作阻力分布区间是否在合理范围内来判断工作面液压支架的适应性。近似为正态分布的液压支架工作阻力分布区间是较为合理的，区间占比峰值位于额定工作阻力的50%～80%值处附近较为合理。具体划分方法按照额定工作阻力的百分比划分为5个区间，然后统计支架工作阻力在各区间段所占的百分比。各阶段液压支架工作阻力区间分布如图12所示。

图12 液压支架工作阻力区间分布Fig.12 Distribution of support working resistance

由图12可知，大倾角综放工作面整体矿山压力较小，正常回采期间，液压支架工作阻力很少出现超过3 000 kN的现象。在工作面周期来压期间，液压支架工作阻力会超过4 000 kN，其他周期内液压支架工作阻力呈较低状态。大倾角综放工作面有20%的液压支架工作阻力处于0～500 kN之间，而且每个液压支架有20%的时间处于不承压状态。由于5-101工作面为急倾斜工作面，支架处于低阻力状态不利于支架防倒、防滑。支架存在不承压的主要原因是顶煤较软，放煤较为充分，液压支架后立柱存在空顶现象，从而导致整个液压支架不能有效承载。

5-101工作面倾角大，先放上段顶煤可保证下段顶煤的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能够有效承载，可以有效遏制上部支架向下滑动和倾倒。此外，控制单个液压支架的顶煤放出量，利用液压支架压力数据，尤其是前柱压力数据，调整并控制放煤时间。当压力数值降低时，可适当减小放煤时间，防止出现前柱不接顶现象。因此，为减少液压支架不能有效支撑顶板情况，可采用下行移架方式。

3.2 工作面周期来压分析

根据矿压监测系统采集的数据分析知，2020年1月—5月，工作面发生了16次周期来压，液压支架压力变化能够捕捉到顶板来压显现特征。大倾角综放工作面上端头和下端头的来压频次小于工作面中部，顶板周期来压频次较多的位置位于10#支架～20#支架，工作面周期来压显现强烈的区域位于工作面倾角变化大的转折区域。工作面下端头周期来压强度较低，来压步距在10.0～14.8 m左右，各支架来压次序及来压步距如图13所示。

图13 周期来压步距Fig.13 Periodic step compression

由实测数据得到大倾角综放工作面周期来压显现存在如下几个特点：①大倾角综放工作面不同区域顶板来压频次和显现强度差异较大，两端的频次和强度都要低于中间区域；②工作面上部区域顶板来压发生时间较早，可以以此判断工作面来压的时机；③工作面周期来压步距为10.0～14.8 m，每周会发生以此周期来压，来压持续时间约为2 d。由此可见，大倾角煤层长壁综放开采基本顶在周期破断期间工作面矿压显现的“时-空-强”非对称特征较为明显。

4 结 论

1) 大倾角综放工作面上行割煤基本顶断裂后整体向下山方向滑动，断裂的基本顶在上山方向无法形成铰接结构，在上山方向回转后失稳容易沿裂缝切落，导致矿压显现较强，断裂基本顶在下山方向形成稳定铰接结构，整体矿压显现较弱。

2) 大倾角综放工作面下行割煤基本顶断裂会发生顺时针(转向上山方向)回转，并在断裂处形成铰接结构，整体矿压显现较弱，上覆岩层会随基本顶的回转下沉而发生较大范围下沉，断裂处细小尺寸裂隙较多，贯通形式相对较少。

3) 大倾角“三软”煤层综放工作面支架在荷载的长期作用下，显示处于低工作阻力运行状态，5-101工作面放煤期间易出现支架后柱空顶，近20%的支护时间内支架不受压，先放上段顶煤层可保证下段顶煤层的完整性，利用下行方式放煤，使得下部支架能够有效承载，有效遏制上部支架向下滑动和倾倒。

4) 大倾角综放工作面不同区域顶板来压频次和显现强度差异较大，两端的频次和强度都要低于中间区域，工作面矿压显现呈现出明显的“时-空-强”非对称特征状态。