大傾角多區段開采頂板運移及其采空區充填規律實驗研究

解盤石 段建杰 皇甫靖宇 田雙奇

摘?要：為了研究大傾角煤層多區段開采圍巖運移規律，采用物理相似模擬實驗方法，分析了大傾角煤層多區段采場頂板和煤柱變形破壞規律、底板應力分布及演化規律、垮落矸石充填特征等。結果表明：大傾角煤層多區段開采圍巖運移規律不同于單區段開采，下區段采動導致上區段采場傾向中、上部垮落頂板出現二次下沉和滑移，頂板運移曲線呈現沿傾斜方向“上大下小”的雙峰特點，垮落頂板非均勻充填導致采空區底板應力沿傾向呈現出中部>下部>上部，下區段采動導致上區段采空區中部底板應力顯著增加。下區段開采致使區段煤柱上、下兩側非對稱受載并發生破壞，引發了煤柱-上區段采場煤巖體的連鎖運動;區段煤柱支承壓力從上區段開采時的“W”型分布變為下區段開采時的“V”型分布，增載系數達到4.9.研究可為大傾角煤層多區段圍巖控制提供了理論指導。

關鍵詞：大傾角煤層;多區段開采;頂板運移;二次擾動;非均勻充填

中圖分類號：TD 325

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0212-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0204開放科學（資源服務）標識碼（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

大傾角煤層是指埋藏傾角為35°～55°的煤層[1]，其約占我國煤炭儲量的15%～20%和產量的5%～10%，50%以上為優質焦煤和無煙煤，在我國西部的四川、新疆、甘肅等礦區，50%以上礦井開采大傾角煤層。大傾角煤層是國際采礦界公認的難采煤層，除上世紀70～80年代前蘇聯、德國和波蘭有過少量研究外[2-4]，其綜合機械化開采（綜采）基礎理論與技術研究一直未取得進展。自上世紀90年代末以來，通過科研工作者與工程技術人員不懈努力，我國進行了大傾角中厚煤層 [5-7]、近距離煤層群[8]以及特厚煤層[9]等特定條件下大傾角煤層走向長壁機械化開采生產實踐，在大傾角煤層開采在理論研究、技術應用與裝備研制方面均取得了較大進步[10]，但多年開采實踐與研究表明[11]，大傾角長壁工作面多區段開采不同于緩傾斜煤層，其下區段開采時極易導致上區段頂板巖層二次運移，并引發上、下區段覆巖和區段煤柱失穩，造成下區段工作面傾斜上部支架失穩，嚴重威脅工作面安全。

近年來，已有許多學者通過理論分析、數值計算、物理相似材料模擬實驗和現場監測等方法對大傾角煤層綜采（放）采場圍巖運移規律[12-13]、區段煤柱穩定性及合理尺寸確定[14-16]、區段煤柱圍巖結構[17-19]、多區段采煤方法設計[20]等，進行了較為系統的研究，但主要集中在煤柱合理尺寸和單個區段圍巖運移規律上，未見區段間頂板變形運移及其空區充填規律方面的研究，特別是下區段開采時對上區段頂板變形、區段煤柱穩定性及采空區矸石充填方面。

因此，在已有研究工作基礎上[21]，以現有的大傾角煤層長壁多區段綜采工作面研究對象，采用物理平面相似材料模擬方法，深入研究大傾角煤層多區段長壁采場頂板變形破壞規律及其充填特征，可為大傾角長壁采場“支架-圍巖”系統穩定性控制提供理論支持。

1?工程概況

2130煤礦隸屬新疆焦煤集團，該礦25221，25222工作面主采5#煤層，工作面位于15#溝以西，16線以東153 m，地表高山溝壑，呈東西狹長分布，西高東低。工作面回采范圍煤層內向西、向下煤層厚度逐漸變薄，煤層結構中部簡單，東西較復雜，西部有2～3個分層，煤層厚度3.49～13.07 m，平均厚度11.01 m，結構復雜，含3～5層夾矸，煤矸互層1.92～4.1 m.由于回采范圍內煤層底部煤質較好，均厚8.04 m，煤層傾角36°～46°，平均44°，煤巖賦存穩定，工作面煤巖柱狀如圖1所示。工作面沿直接頂板開采，先開采上區段25221工作面，后開采25222工作面，區段煤柱寬度約28 m，采用綜采方法，模擬采高6 m，工作面長度105～120 m.

2?物理相似模擬實驗

2.1?物理相似實驗參數

實驗選用變角度平面模擬實驗架，模擬實驗架尺寸：長×寬×高=2 150 mm×200 mm×1 800 mm.選取河沙作為骨料，石膏、大白粉作為粘結材料，云母粉作為分層材料。模型幾何相似常數Cl=150，容重相似常數Cγ=1.562 5，應力相似常數Cσ=

234.375，載荷相似常數CF=2.27×106，時間相似常數Cτ=12.247，按照柱狀圖和設計比例填裝模型，對未填裝的覆巖（模型尺寸約102 cm）部分采用等效載荷方法。煤巖力學參數見表1.

2.2?實驗測試手段與模擬方案

該實驗主要的測試手段有：采用PENTAXR-400NX型光學全站儀監測上覆巖層位移、采用無線壓力傳感器監測采場支承壓力變化規律、采用數碼攝像機拍攝記錄覆巖破壞垮落形態。為了全面觀測大傾角多區段開采過程中的覆巖運移特征，在模型表面沿煤層傾向方向布置了共17排位移測點，編號：a～m，如圖2（a）所示，測點間距為5 cm，排距為4 cm.其中b排為直接頂，g排為基本頂，i排及以上為高位覆巖，填裝完成模型如圖2（b）所示。

區段工作面的開采順序為：5#煤層上區段工作面，工作面斜長80 cm（120 m），采高模擬尺寸4 cm（6 m）; 5#煤層下區段工作面，工作面斜長80 cm（120 m），采高模擬尺寸4 cm（6 m），考慮模型邊界影響，在距離模型邊界50 cm（75 m）布置上區段工作面回風平巷。

3?頂板垮落實驗現象

物理相似模擬實驗表明，工作面頂板變形破壞運移的順序為：離層—彎曲下沉—局部垮落—滑滾充填—整體垮落。

工作面下行開采11 4m時，直接頂發生垮落，垮落厚度為5.25 m，傾斜上方頂板懸露長度為79.5 m，距工作面底板高11.25 m，（傾斜）中上部區域懸露巖層內產生6條離層裂隙，離層最大高度為17.25 m.在下行開采120 m時，基本頂垮落，垮落高度為22.50 cm，上方頂板懸露長度84 m，距工作面底板高22.50 m，離層裂隙向上延伸至4#煤層之上，離層高度達42 m.垮落頂板充填采空區并沿傾向堆砌并形成結構，導致部分垮落巖塊并未充分壓實，仍具有下沉或下滑的趨勢，上區段采空區分別在（傾斜）上部基本頂范圍和（傾斜）下部垮落直接頂處形成了懸露空間，如圖3（a）～3（b）所示。

下區段工作面推進12 m時，上區段采場受到擾動，覆巖再次發生垮落?？迓涓叨?8 m，上方頂板懸露長76.5 m.同時，距離上區段回風平巷側煤壁 37.5 m及底板48 m處產生橫向裂隙。當下行開采108 m時，下區段工作面中、上部直接頂發生垮落，垮落高度8.7 m，上方頂板懸露長79.50 m，垮落直接頂在靠近采空區下部形成鉸接結構;距離煤層底板18 m處頂板出現離層裂隙。下區段工作面采完后，基本頂垮落，垮落高度43.5 m，上方頂板懸露長84 m，垮落頂板填充開采區域并形成結構，如圖3（c）～（e）所示。

4?采場頂板運移特征及其垮落充填規律

4.1?沿工作面傾向頂板運移特征

上區段工作面開采后，直接頂發生垮落，由于大傾角煤層采場頂板力學特征呈現非對稱性，頂板最大位移首先出現在工作面中上部，且垂直巖層傾向的最大位移發生在44.7 m處，為負（垂直巖層向下）0.32 m，沿煤層傾斜方向最大位移為負（傾斜向上）0.11 m，由于垮落頂板對工作面下部區域的充填，導致該區域頂板沿垂直巖層方向有正向位移，破壞巖層有沿傾斜方向向上的運動趨勢，如圖4所示。

隨著上區段開采完畢，基本頂發生垮落，通過垂直巖層位移方向線的斜率正負，可以看出在工作面中上部多為傾向堆砌，中下部部分垮落的直接頂為反傾向堆砌，工作面最大位移也出現在中上部，且在該處直接頂為全厚度垮落;由于垮落頂板對工作面下部充填，導致下部直接頂、基本頂在破壞過程中發生了以下方充填體為支點的逆時針旋轉，使得該處頂板出現沿垂直巖層方向的正向運移。此時，垂直巖層傾向的最大位移出現在35.1 m處，增加至5.89 m.由于工作面上部頂板垮落會繼續滑滾充填下部區域，沿煤層傾向方向最大位移發生在上部18.6 m處，位移為0.21 m，如圖5所示。

下區段下行開采12 m時，上區段采場受到擾動，頂板再次發生垮落、運移，在工作面中上部出現最大位移，且垂直巖層方向基本頂受開采擾動最為明顯，位移量由0.35 m增加為3.14 m，如圖6（a）所示，工作面上、下邊緣局部區域出現位移量特征：高位巖層>基本頂>直接頂。由于下部開采擾動，導致上區段中上部35.1 m和62.9 m處均出現基本頂沿工作面明顯的傾向向下運動，呈現雙峰特點，峰值分別為0.49和0.38 m，說明上區段工作面中、上部基本頂受下區段開采擾動明顯。

區段煤柱區域變形觀測分析表明，下區段工作面開采后，加之上區段采場頂板二次運移，導致區段煤柱同時受到垂直巖層和沿巖層傾向載荷雙重作用，其明顯影響范圍占煤柱頂板區域的1/4，主要表現為：煤柱上方直接頂和基本頂具有垂直巖層向下運動的趨勢，且基本頂在中下部出現最大位移0.16 m，表明該處為支承壓力峰值區域。沿工作面傾向方向煤柱中下部有向下運動趨勢，這主要由于區段煤柱上側受壓、下側卸載所致。由于下區段采場上部基本頂垮落、充填至下部區域，導致煤柱上方基本頂沿工作面傾向出現向下運移，峰值為0.05 m，如圖7所示。以上分析表明，下區段開采不僅對區段煤柱有卸荷作用，同時也引發了煤柱—上區段采場煤巖體的連鎖運動，進而導致了段間煤巖體再次發生破壞和運動。

下區段開采導致上區段覆巖垮落更加充分，而下區段采場頂板垮落不充分，呈現出中上部位移量最大、下部位移最小特征。受下區段開采擾動影響，上區段采場基本頂垂直巖層傾向位移明顯增大，由3.14 m增加至3.34 m，同時，由于垮落頂板的滑滾充填，沿巖層傾向位移由0.49 m減小至0.42 m，如圖8所示。

4.2?沿工作面傾向支承壓力分布特征

上區段工作面下行開采至114 m時，上區段直接頂發生垮落，圍巖應力重新分布，在上、下煤壁區域形成支承壓力峰值，工作面上方煤壁處壓力峰值達到10 MPa，增載系數4.55，工作面下方煤壁為7.07 MPa，增載系數1.73.同時，區段煤柱區域出現“W”型支承壓力分布曲線，表明在該區域形成了兩側較高、中間較低的“三峰”支承壓力分布特征，其中，煤柱下部峰值>煤柱上部峰值>煤柱中間峰值，如圖9所示。

隨著下區段下行開采至120 m，工作面上、下兩側煤壁區域支承壓力值繼續增加。采空區底板壓力值略有增加，并呈現出分區域特征，即下部區域最大，中部區域次之，上部區域最小。工作面上部煤柱支承壓力峰值為11.32 MPa，增載系數5.15，下部煤柱支承壓力峰值為7.35 MPa，增載系數1.70.區段煤柱區域支承壓力分布曲線由“W”型變為“V”型，如圖9所示。

下區段下行開采12 m時，上區段采場上側煤壁支承壓力峰值增至12.66 MPa，增載系數5.76，區段煤柱支承壓力峰值增加為8.48 MPa，增載系數1.96.如圖10所示。這表明，下區段開采導致了上區段采場煤巖體二次破壞和運移，上區段采場的懸露空間進一步增加，從而導致采場周邊支承壓力增大。

下區段下行開采108 m時，上區段采場上、下兩側支承壓力繼續增加，上部煤壁支承壓力峰值增至13.58 MPa，增載系數6.18.由于上區段采場頂板巖層垮落，形成了傾斜砌體結構，并作用于采場底板，導致上區段采場中部支承壓力增大并高于原巖應力，即垮落頂板對底板的加載擾動。同時，區段煤柱支承壓力峰值達17.18 MPa，增幅較大，增載系數3.98，這主要是由于雙區段開采后集中應力疊加所致。下區段工作面下部煤壁出現應力集中，支承壓力峰值為11.44 MPa，增載系數1.89，如圖10所示。

下區段下行開采120 m時，由于上區段采場頂板繼續垮落，所形成的傾斜砌體結構繼續向高位巖層轉移，上區段上部煤壁支承壓力峰值增至14.9 MPa，增載系數6.78.區段煤柱支承壓力峰值增至20.45 MPa，增載系數4.90.下區段下部煤壁支承壓力峰值則降為11.23 MPa，從圖10可以看出，這主要是垮落頂板充填對采場下部的支撐作用和該區域煤巖體破壞卸荷作用所致。

4.3?垮落頂板運移規律

實驗數據表明，由于采場上部頂板首先垮落后充填至下部區域，導致采空區上部區域底板應力值小于中、下部區域，同時，采場中下部區域在垮落頂板的充填作用下，形成了完整的頂板—充填矸石—底板載荷傳遞路徑，使得該區域再次形成煤巖體結構，從而進一步改變了區段煤柱和下區段采場應力演化和圍巖結構特征。

上區段開采過程中，采場中部區域底板壓力增加最為明顯，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.下一區段開采過程中，初采擾動階段對上區段底板應力的影響最為明顯，特別是上區段采空區中部最為顯著，支承壓力由2.44 MPa增加到3.73 MPa，可以看出，下區段初采切斷了煤柱煤體與下方煤體的力學聯系，導致煤柱上、下兩側非對稱受載，促使整個煤巖力學體系中最薄弱的煤柱發生變形和運移，從而引發了上區段煤巖體的大范圍運動，如圖11所示。

下區段開采過程中，其采場底板的應力分布規律與上區段具有相似特征，但由于未受到二次開采擾動的影響，其底板平均應力增幅較小。下區段基本頂垮落后，工作面上部偏下區域底板應力下降，這是由于下行開采時該處垮落頂板向下部繼續滑滾減弱了該區域底板受垮落頂板的作用所致?；卷旐斂迓鋵ぷ髅嬷胁繀^域影響最大，底板應力增幅達1.21 MPa，大于上區段基本頂垮落時，表明下區段采場頂板垮落較為充分且高度較大，如圖12所示，這也說明，下區段采場圍巖受到了上區段圍巖運移的擾動作用，這是大傾角煤層走向長壁多區段采場具有的特殊規律，下區段開采以區段煤柱為傳力媒介對上區段產生擾動，而上區段煤巖體二次運移又再次作用到下區段采場煤巖體上，產生二次擾動作用。

5?結?論

1）大傾角多區段開采圍巖運移規律不同于單區段開采，下區段開采以區段煤柱為傳力媒介對上區段產生擾動，頂板再次發生大范圍垮落、運移，采場傾向中部頂板垮落高度進一步增加，中、上部垮落頂板均出現二次滑移，其運移曲線沿傾斜方向呈現“上大下小”的雙峰特點。

2）上、下區段開采對區段煤柱均具有卸荷作用，并使煤柱上、下兩側非對稱受載，并在垂直巖層和沿巖層傾向載荷雙重作用下，引發了煤柱—上區段采場煤巖體的連鎖運動，進而導致了段間煤巖體再次發生破壞和運動，影響了下區段開采。同時，區段煤柱支承壓力從上區段開采時的“W”型分布變為下區段開采時的“V”型分布，支承壓力增載系數達到4.9.

3）在垮落頂板非均勻充填作用下，采空區底板應力沿傾向呈現出中部>下部>上部，下區段開采破壞了上區段煤巖結構并引發了覆巖的大范圍破壞和運動，導致上區段采空區中部底板應力顯著增加，應力由2.44 MPa增加到3.73 MPa.下區段基本頂垮落時采場中部底板應力增幅達1.21 MPa，大于上區段基本頂垮落時，表明下區段采場頂板垮落較為充分且高度較大。

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