大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征_罗生虎.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .罗生虎，任浩，王同，等 大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）通信作者：罗生虎，男，新疆哈密人，副教授，：大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征罗生虎，任 浩，王 同，伍永平，田程阳（西安科技大学 理学院，陕西 西安；西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安；西安科技大学 能源学院，陕西 西安）摘 要：为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律，采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段，对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明：随着推进距离的不断增大，底板上矸石堆积范围增大，在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面；在深部采空区，矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小；顶板位移呈现出“增大稳定”的演化趋势，峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移；顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征，拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉，主应力方向由 轴正向转为负向；顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高，倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。关键词：大倾角煤层；顶板结构；应力传递；时空演化特征中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：，“”，：；引 言大倾角煤层广泛分布在中国西部矿区与东部矿区的深部，其绿色高效开发是提升中国煤层机械化开采水平的难点与重点，而实现大倾角煤层绿色高效开发的核心问题在于“支架围岩”系统的稳定性控制。受煤层倾角影响，大倾角煤层开采矿压显现规律、上覆岩层运移以及支架 围岩关系均与水平或缓倾斜煤层存在显著差异。近 来，一大批学者从不同角度对大倾角中厚煤层长壁综采、厚煤层长壁综放开采等不同开采方式下的矿压显现规律、采场空间非规则随机分离体孕育致灾机理、煤层开采后引起的地表沉陷、顶底板岩层交互影响下“支架围岩”系统的耦合作用机理与稳定性控制、支架与设备下滑倾倒机理及可能引发的围岩灾害等问题展开研究与探索。已有的研究，一定程度上解决了大倾角煤层安全高效开采的基本问题，但遗憾的是，目前还没有年产百万吨的大倾角煤层综采工作面。大倾角煤层绿色高效开发的重点在于对围岩活动进行有效控制，而围岩控制的关键在于实现对“顶板支架 煤壁 煤柱底板”系统的稳定性控制。其中，顶板作为系统的构成元素和施载体，是保证系统稳定的基础。现有研究手段多是采用平面模型研究大倾角煤层开采顶板变形破坏的特征。但在大倾角煤层开采中，顶板变形矸石运移是一个“时间 空间”运动过程，支架后方反复出现的“倒三角空域”对工作面的“支架围岩”系统的稳定性有显著影响。基于此，笔者采用物理相似模拟试验、数值模拟试验与现场监测互馈的研究方法，在综合确定顶板结构、矸石堆积形态的时空演化特征基础之上，分析了围岩采动应力演化特征，揭示了工作面区域性矿压显现规律，研究结果可为工程实践提供一定的科学指导意义。工程概况新疆焦煤某矿设计工业储量 万，可采储量 万，井田走向长度 ，南北宽 ，井田面积约 ，矿井采用走向长壁综合机械化采煤，服务年限 。工作面设计走向长 ，工作面斜长 。工作面倾角，容重 ，采高 。现场煤岩层赋存情况如图 所示。围岩变形破坏时空演化特征 试验设计与设备大倾角煤层推进过程中，沿工作面倾向及倾向不同区域沿走向冒落矸石的充填特征、覆岩结构具有明显的空间特征，选用西安科技大学平立组合式试验平台展示这种空间特征。平台尺寸为 西 安科技大学学报 年第 卷第 期罗生虎，等：大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征 ，试验过程中通过水平、垂直的加载油缸对试验模型施加载荷的方式补偿覆岩载荷。图 岩层综合柱状图 模型几何相似条件为 ，其余相似常数可以依次求得。试验过程中，在模型背面采用压力葫芦将预制矩形方钢抽出以模拟工作面推进，推进步距为 ，上、下区段煤柱各留设；采用 数字散斑技术，测量模型表面微变形破坏时的位移变化量，仪器精度为；采用钻孔窥视仪对开采过程中模型内部矸石堆砌结构进行拍照记录；采用 全站仪监测上覆岩层位移，仪器精度；采用数码相机拍摄记录覆岩破坏垮落形态。试验模型与设备布置如图 所示。图 试验模型 围岩宏观结构时空演化特征煤层开采后改变了围岩原有的应力状态，采动后形成的矿山压力促使围岩产生变形发生破坏，并向已成空间运移。不同推进距离条件下围岩变形破坏演化特征，如图 所示。从图 可以看出图 围岩破坏运移特征 ）工作面推进 ，直接顶破断垮落，顶板冒落矸石在倾角重力场作用下沿工作面倾向下滑堆积在倾向下部区域。顶板悬露长度 ，垮落高度 ，同时在倾向上端头顶板形成破断残余梯阶结构，长度为 ，如图（）所示。结合矸石充填形态可将支架后方采空区分为接顶区、非接顶区和临空面。其中接顶区长度为，非接顶区长度为 ，临空面长度为 。）工作面推进 ，基本顶初次垮落，倾向中下部区域冒落矸石充填范围和程度增加，矸石充填高度增加至 ，充填长度增加至 。倾向中上部区域支架后方采空区出现倒三角临空面，临空面直角边长度为 ，斜边长度，如图（）所示。顶板变形破坏呈现明显的非对称性，基本顶垮落最大高度位于倾向中上部区域，为 ，基本顶悬露长度为 。倾向上部区域基本顶冒落矸石的下滑为该区域顶板变形破坏提供了空间，上端头顶板破坏范围增加，沿工作面倾向破断残余梯阶结构长度 ，低位直接顶长度为 ，沿工作面走向顶板破断残垣结构深度为 。）工作面推进 ，沿工作面倾向自下而上，深部采空区冒落矸石充填密度逐渐减小，根据矸石充填密度将矸石充填区域分为密实充填区、完全充填区和部分充填区，如图（）所示。在密实充填区矸石堆砌角度与水平方向夹角为，完全充填区下部矸石堆砌夹角为，上部矸石堆砌夹角为。部分充填区深部采空区矸石存在反堆砌结构，该反堆砌结构与水平面夹角为，而支架后方采空区，沿工作面走向矸石铰接堆砌，砌体长度分别为 ，。倾向上端头深部采空区顶板存在弧形三角板结构，顶板破断残余梯阶结构倾向长度增加至 ，走向长度为 。）随着工作面开采距离的增加，冒落矸石堆积范围不断增大。推进 后，矸石充填倾向长度增加至 ，密实充填区矸石堆砌与水平方向夹角为，完全充填区矸石堆砌与水平方向夹角为，部分充填区矸石堆砌与水平方向夹角为，该区域反砌体结构与水平方向夹角为。支架后方采空区倒三角临空面范围增加，直角边长度增加至 ，斜边长度增加至 。顶板悬露长度为 ，垮落高度为 。倾向上端头处顶板破断边界呈弧形三角状，顶板破断残垣长度沿倾向 ，沿走向 ，顶板破断结构如图（）所示。围岩变形时空演化特征图像数字相关技术由于其精度高、非接触性等有点，众多 者 已 将 其 应 用 于 岩 石 力 学 试 验中。计算原理如图 所示。图 数字图像相关应变计算原理 应变计算采取对位移的求导的方式确定围岩表面微小的位移量，梯度矩阵 表示子区测量点在空间中的变化情况，表达式如下|（）式中 拉伸张量 表示为|（）由此可以得出被测物体的位移。在模型表面距离煤层上方 位置处沿倾斜平行煤层方向布置测线，分析推进过程中围岩变形破坏时空演化特征，不同推进距离条件下围岩表面位移演化规律，如图 所示。从图 可以看出）煤层开采后，顶板位移峰值位于工作面倾向上部区域，且随着推进距离的增大，顶板合位移变化范围和峰值不断增加，但其增长幅度逐渐减小。进入充分采动阶段后，顶板位移峰值位置由工作面倾向上部区域向中部区域迁移，位于顶板破断岩块与破坏包络面的铰接点位置。）当工作面推进距离分别为，时，位移峰值分别为 ，峰值位置距离上断头位置分别为，增大幅度分别为 ，。）当工作面推进处于初采阶段时，在冒落矸石非均衡约束效应影响下，工作面倾向上部区域 西 安科技大学学报 年第 卷第 期罗生虎，等：大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征顶板变形幅度大于倾向下部区域，顶板位移峰值位移距离下端头 的倾向上部区域。随着推进距离的不断增大，围岩破断程度亦不断增大，并在倾向上部区域出现了空洞区域。顶板破断包络面内部，矸石堆砌铰接现象明显，顶板水平、垂直、合位移较大。顶板破坏包络面外部，倾向上部悬空顶板作为主承载结构，顶板变形程度较铰接位置处小。图 围岩位移演化规律 数值模拟计算大倾角煤层开采过程中，采动应力在顶板岩层中的非对称分布及其对岩体变形破坏的驱动是造成顶板非对称变形的主要原因。因此掌握顶板采动应力传递路径是揭示大倾角煤层顶板非对称破坏演化机理的基础。采用 数值模拟软件构建大倾角煤层数值计算模型，并采用 编程语言对不同推进距离条件下数值计算结果进行后处理，获取顶板采动应力传递路径时空演化特征。图 数值模型 数值模型长（轴）、宽（轴）、高（轴）分别为、和，工作面长度设计为，煤层倾角，推进方向沿 轴方向，推进步距 步，推进距离 ，煤层厚度 。模型四周表面和底部均为位移约束边界，顶部施加 垂直载荷，模拟上覆岩层载荷作用，模拟煤层埋深 。模型采用 本构模型模拟煤岩层强度，模型各岩层物理力学参数见表。表 煤岩物理力学参数 岩石名称容重（）体积模量 剪切模量 抗拉强度 黏聚力 内摩擦角（）覆岩 基本顶 直接顶 煤 直接底 底板 顶板采动应力传递演化特征由弹性力学可知一点应力的特征方程为 （）即 （）式（）参数，分别为 （）结合上式和参数方程可以得到，见式（）（）|，（）式（）中 表示如下|（）利用 编程语言将式（）嵌入数值计算模型，在模型采空区中心沿倾向布置测面，监测不同推进距离条件下顶板采动应力传递演化特征，监测结果如图 所示。图 不同推进距离条件下顶板采动应力传递演化特征 ）受煤层倾角影响，顶板采动应力传递路径呈现非对称应力包络拱型分布特征。应力包络拱外，以应力偏转界线为界，顶板覆岩载荷向工作面倾向上、下端头煤柱传递，造成倾向上下端头处煤 西 安科技大学学报 年第 卷第 期罗生虎，等：大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征体主应力升高，如图（）图（）放大区域，所示。沿应力偏转界线两侧主应力偏转角度最大，且同一层位顶板主应力偏转角度由应力偏转界线到采空区两侧未开采顶板逐渐降低。应力包络拱内，主应力数值大幅度降低，主应力方向偏转的非对称性更加明显，并在工作面倾向中上部区域顶板出现单向、双向受拉状态，如图（）图（）中放大区域 所示，结合岩土材料抗压不抗拉的特性可以看出该区域顶板易发生变形破坏。）随着工作面推进距离的增加，顶板非对称应力拱型的范围逐渐增大，拱顶 轴方向的坐标整体呈现先增大后趋于稳定的变化趋势，应力包络拱内处于受拉状态的区域范围扩大，并由工作面中上部区域逐渐向工作面中部区域扩展。当工作面推进距离分别为，时，拱顶 轴方向的坐标分别为，。顶板最大主应力方向偏转特征研究表明主应力方向的偏转会对围岩内部裂隙扩展轨迹造成影响，导致其承载能力和破坏模式产生显著变化。在煤层上方 处沿工作面倾向布置测线，研究工作面推进过程中顶板最大主应力方向的偏转特征，借助赤平投影法对主应力偏转方向予以表征，图 中 表示 轴方向，表示 轴方向，绿色点为采空区上方顶板岩体，红色点为工作面倾向上端头煤柱顶板，蓝色点为工作面倾向下端头煤柱顶板，监测结果如图 所示。图 最大主应力方向偏转演化特征 ）原岩应力状态下，受煤层倾角影响，倾向上、下端头顶板最大主应力与 轴夹角。开采扰动作用下，最大主应力方向产生偏转，其中倾向上端头顶板最大主应力向 轴负方向偏转，倾向下端头向 轴正方向偏转，如图（）所示。沿工作面倾向自下而上，采空区顶板最大主应力则是先向 轴负方向偏转且偏转幅度减小，并且当距离工作面倾向下侧煤体 时开始由 轴负方向向 轴正方向偏转。结合采空区最大主应力偏转轨迹可以看出向 轴负方向偏转的数据点多于向 轴正方向偏转的数据点，表明大倾角煤层顶板最大主应力方向偏转呈现明显非对称分布特征。）随着工作面开采扰动程度的增加，顶板最大主