大倾角煤层群长壁采场低位梯阶关键层*

伍永平，解盘石，王红伟，任世广

(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)

0 引 言

大倾角煤层是指埋藏倾角为35° ～55°的煤层，中国大倾角煤层约占有20%的储量，50%以上的大倾角煤层为优质焦煤和无烟煤，是中国保护性开采的稀缺煤种。大倾角煤层是国际采矿界公认的难采煤层，文献检索表明，除上世纪70 ～80 年代前苏联、德国和波兰有过研究外，进入21 世纪后，国外对大倾角煤层开采理论和技术缺乏系统性研究，国内对特殊条件下大倾角煤层开采进行了大量的科学研究与工程实践［1-3］，揭示了一些特定埋藏与开采条件下，如大倾角中厚煤层、坚硬顶板大倾角煤层、大倾角特厚煤层及大倾角煤层群等的采场岩层运动一般特征和矿山压力显现规律，初步揭示了围岩应力场的形成特征，提出“R -S-F”系统动态稳定性控制方法。自采用走向长壁开采技术以来，大倾角长壁工作面的顶板控制一直是本研究的核心问题之一。众所周知，采场中一切矿压显现的根源是采动引起的上覆岩层的运动，由于上覆岩层的岩性、厚度、层位关系及构造情况不同，导致其存在着多种多样的运动特点，而顶板(R)的结构形式决定了顶板的运动特征，也是决定顶板控制方式和方法的关键因素。因此，顶板(R)的稳定性是大倾角煤层开采过程中“R -S-F”系统控制的最终目标，对大倾角煤层顶板结构及其稳定性进行研究有重要的理论和现实意义。其中，大倾角近距离(煤层间距5 ～15 m)煤层群是其典型类型之一，多煤层连续开采所形成的顶板结构具有其特殊性，由于缺乏对多煤层、多区段开采覆(围)岩结构破坏及其施载特征的系统研究，导致工艺参数确定缺乏理论依据和关键技术支撑，严重制约了该类煤层安全高效开采，实现大倾角近距离煤层群安全高效开采关键在于该类煤层开采岩层控制理论的突破，因此，研究大倾角煤层群多区段开采覆(围)岩结构破坏规律及其稳定控制等问题，可为指导该类煤层安全开采提供重要的理论依据，对于丰富复杂煤层开采理论、拓展岩层控制研究领域，提升行业技术水平和促进矿业经济的科学发展均具有重要意义。

1 大倾角煤层群采场覆岩梯阶关键层

1.1 梯阶岩体结构的形成

实验研究表明［4-7］，大倾角煤层工作面形成了与近水平煤层不同的围岩结构，其采场上方岩层易形成非对称“梯阶结构”，该结构边缘与工作面煤壁边缘相交，在工作面倾斜中上部，结构距工作面垂直距离达到最大值，随着沿倾斜向下，结构体高度逐渐降低，在运输巷附近达到最小值。

大倾角煤层梯阶岩体结构是其采场特有的结构，如图1 所示。根据顶板岩性、厚度及采高等的不同，可分为二级、三级梯阶等。其分布特征为，第一梯阶一般处于工作面下部，其层位较低，影响区域占整个工作面长度的40% ～50%，第二、三梯阶则处于工作面中上部区域，其层位较高，影响区域占整个工作面长度的50% ～60%.

不同梯阶范围的工作面来压周期、步距和强度均不相同，一般为第二、三梯阶来压强度大、步距小、周期短、有冲击性，第一梯阶结构来压强度小、步距大、周期长，第一梯阶结构破坏极易诱发第二梯阶结构破坏，形成整个工作面范围来压。

图1 大倾角煤层采场空间多级梯阶岩体结构Fig.1 Overburden structure in steeply dipping seam mining area

1.2 低位梯阶关键层

大倾角煤层群开采过程中，特别在下层煤开采时，由于工作面上方顶板厚度较小(上部为上层煤采空区)，随工作面中上部直接顶岩层垮落、下滑和充填，其采场顶板易形成层位较低的梯阶岩体结构，称为低位梯阶关键层，该结构可分为二级梯阶，如图2 所示。其中，一级梯阶是以工作面中下部的直接顶和直接顶下方充填矸石共同组成的较稳定结构，二级梯阶是以工作面中上部区域老顶组成的岩体结构。该结构是大倾角煤层群下层煤采场特有的关键岩层结构。

图2 大倾角煤层群下层煤采场低位梯阶关键层Fig.2 Lower key structure in steeply dipping seams mining area

2 低位梯阶关键层结构特征

非对称梯阶岩体结构是大倾角煤层采场特有顶板结构，不同的岩性和回采空间对梯阶结构的尺寸及空间位置影响很大。基于对大倾角煤层群多区段工作面顶板岩体结构分析，如图3，4 所示。其形成的低位梯阶关键层具有如下特征。

图3 低位梯阶关键层简化模型ig.3 Simply model of the lower key ladder structure

图4 梯阶群结构与区段煤柱作用特征Fig.4 Interaction of the lower key ladder structure and coal pillar

1)该结构为近似倒梯阶状，沿工作面走向和倾向的剖面形状不同。工作面长度方向上，不同区域构成结构的岩层不同，可为伪顶、直接顶、老顶、上覆岩层。由于顶板岩层的层状特征，结构轮廓为梯阶形状。大倾角煤层群长壁开采时，上、下层煤层开采形成叠加梯阶结构，其层位高、影响范围大，即多级梯阶岩体结构;

2)梯阶结构倾向下部边界为工作面运输巷，上部边界或超越工作面回风巷。空间轮廓与工作面底板岩层之间最小间距位于运输巷与工作面煤壁交汇处，最大间距处于回风巷或其上方区域。大倾角煤层群长壁开采时，上、下层煤层采场形成的叠加梯阶岩体结构，其上部边界延伸至下层煤上区段工作面回风巷处，下部边界延伸至下层煤下区段工作面运输巷区域，结构的上方破断轮廓延伸至较上层煤采空区更高层位的岩层;

3)与单一大倾角煤层类似，大倾角煤层群采场梯阶岩体结构倾向下部支承点(区域)位于工作面运输巷向上的煤体和充填体中，上部支承点(区域)位于回风巷或以外(上)的采空区内;

4)下层煤采场形成的二级低位梯阶关键层结构是大倾角煤层群采场特有的岩体结构，该结构层位低、厚度小、稳定性差。具有周期性破断特征，据其周期来压程度大小可将该结构分为活跃区和稳定区，活跃区处于工作面中上部区域，即二级梯阶岩层区域，稳定区域为工作面下部区域，由于岩层层位低和矸石充填共同作用，导致该区域来压强度不明显;其中工作面中上部的二级梯阶结构是整个采场顶板结构中关键，研究表明［8］，该结构的周期性破坏是导致采场上方区段煤柱和上区段、上层煤采场结构失稳的主要因素。

3 大倾角煤层群采场低位梯阶关键层稳定性分析

分析大倾角煤层群采场低位梯阶关键层的稳定性是弄清采场“支架-围岩”结构相互作用机理的关键，可起到“承上启下”的作用，“承上”即可揭示该结构破坏引发围岩(顶板、煤柱等)破坏、运移及致灾机理，“启下”又可弄清采场顶板与支架相互作用特征。

3.1 低位梯阶关键层对覆岩稳定性的影响

大倾角煤层群下层煤开采时，低位梯阶关键层受到上层煤垮落矸石及其底板自重法向分力F1的作用，同时，其在工作面上、下端头受到未垮落覆岩的集中力的切向分力F2作用。分析可知，如图3 所示，一级梯阶受覆岩自重作用Gmn和下方垮落矸石的充填支撑作用Fc，二级梯阶(低位梯阶关键层)结构近似为下端固支、上端可传递集中力倾斜方向分力F2的可弯曲杆件，根据材料力学知识［9］，可推导出低位梯阶关键层失稳条件

其中 b 为直接顶形成的岩层沿法向长度，m;h 为悬露岩层上方单层岩层沿法向的厚度，m;l 梯阶结构的长度;EI 为抗弯刚度;［σ］为低位梯阶关键层的极限强度，MPa.

据式1，当F1＞F2时，法方向作用力起主要作用，导致低位梯阶关键层发生拉伸破坏失稳，引发上方采场的矸石参与下层煤顶板的运动，充填下层煤采场上端，降低了上端由于顶板(R)元素缺失导致系统失稳概率［3］，同时，矸石下移也使上覆岩层失去约束并发生垮落，上层煤采场覆岩垮落高度增大;当F1＜F2时，主要受切向分力的作用，低位梯阶关键层发生压剪破坏失稳，此时，结构失稳易引发工作面上端或上区段未破坏岩层失稳，易对工作面造成冲击，其破坏高度可延伸至上方更高层位的岩层;低位梯阶关键层受到F1，F2共同作用时，发生先压剪后拉伸的复合型失稳，可造成更大范围的围岩运动，对工作面“支架-围岩”系统影响更大。

3.2 低位梯阶关键层对区段煤柱稳定性的影响

大倾角煤层群多区段开采时，下层煤区段煤柱处于上层煤上、下区段高位梯阶结构和下层煤上区段的叠加梯阶结构共同作用下，如图4 所示，相邻工作面形成两个相对独立实质相互作用的梯阶结构，2 个结构均集中作用于区段煤柱。下层煤下区段工作面开采时，随着低位梯阶关键层失稳，区段煤柱失去了该结构的支撑并发生压剪失稳，引发上方两个梯阶结构同时发生破坏，2 个区段贯通，上方形成更大范围的结构［10］。同时，上区段围岩运移至下区段下层煤采空区，参与了本工作面岩层运动，形成“大工作面”，降低低位梯阶关键层失稳对工作面造成的冲击作用。

3.3 低位梯阶关键层对“支架-围岩”系统稳定性的影响

大倾角煤层群采场中，上方采场的矸石充填了下层煤采场上端，降低了上端由于顶板元素缺失导致“R-S-F”系统失稳的概率。其次，低位梯阶关键层破坏后可形成倾斜砌体结构［11-12］，由于顶板破坏层位低，空间小，倾斜砌体结构以倾向堆砌形式存在，通过分析［13-15］，倾斜剖面上，顶板对支架的作用主要以正压型作用为主，走向剖面主要以后推型作用为主。

4 结 论

1)大倾角煤层群下层煤采场存在非对称低位梯阶关键层，一般可分为二级梯阶，其层位低、厚度小、稳定性差，且具有周期性破断特征。工作面中上部的二级梯阶失稳是诱发区段煤柱、覆岩、支架失稳的主要因素，是采场顶板关键岩层结构;

2)低位梯阶关键层受覆岩及上方采空区矸石的法向与切向力作用，其中，法向力易导致其发生拉伸破坏失稳，切方向力易诱发压剪破坏失稳，二者共同作用则发生先压剪后拉伸的复合型失稳;

3)下层煤区段煤柱处于梯阶结构群叠加作用下，随着低位梯阶关键层失稳，区段煤柱在集中应力作用下发生压剪失稳，引发上方梯阶结构群发生大范围破坏。低位梯阶关键层破坏后以倾斜砌体结构形式存在。

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