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Study on ground pressure behavior law of fully－mechanized top－coal caving mining in shallow buried two－way inclined working face
大倾角工作面回采过程中，煤层倾角增大使采煤过程中回采巷道围岩的力学特征和矿山压力显现规律与倾斜、缓倾斜煤层有很大差异［1－3］。 我国大倾角和急倾斜煤层占全国煤炭储量的15%～20%，其年产量占全国煤炭总产量的10%左右。 由于倾角大，设备稳定性差，再加上特殊的矿压显现，顶板控制复杂，安全问题难以保证，使开采大倾角煤层非常困难［4－7］。
我国煤炭赋存条件复杂，大倾角煤层分布广泛，与缓倾斜煤层相比，大倾角煤层的采场顶板运移规律有很大不同。 目前我国的矿压研究大多是针对缓倾斜煤层进行的，对大倾角煤层研究较少［10］。 大倾角煤层条件下，采场顶板岩层的变形、破坏、运动形式（包括沿层面的运动和垂直层面的下沉运动）不同于缓斜煤层［8－11］。 目前对于综采特别是综放大倾角煤层工作面开采采场围岩矿压分布规律相关研究较多，但涉及到双倾斜工作面整体较少，且由于不同矿井煤层赋存采矿地质条件不同，开采方法各异，深入系统地开展相关研究工作需持续进行，以满足现场工程技术需求［12］。 神华亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿216 采区内5 个工作面中部有构造隆起，导致工作面走向和倾向方向上都存在不同程度的倾角，形成双向倾斜综放工作面，尤其是216上01工作面开采过程中，面临大坡度俯采条件，对综放工作面的设备稳定性产生影响，同时也给顶煤放出和采场矿压控制带来挑战。 对双向倾斜工作面矿压显现规律以及放煤规律进行了数值模拟，研究了浅埋双向倾斜工作面综放开采矿压显现规律和放煤规律，同时根据数值模拟结果进行理论分析，掌握了矿压显现规律和顶煤放出规律，对现场支护存在问题提出了管控措施，优化并确定了黄玉川煤矿的放煤方式及放煤工艺。
黄玉川煤矿位于内蒙古准格尔煤田中西部，井田面积42.68 km2，设计生产能力为年产1 000 万t。井田地层区域划分属于华北地层区、鄂尔多斯地层分区，属晚古生代石炭二叠纪煤田。 井田整体为一单斜构造，东高西低，中小构造较为发育，主要表现为褶皱构造和断裂构造。
地层总体为倾角约15°向NW 倾斜的单斜构造，井田中部存在田家石畔挠曲，轴向NNE，受其影响，矿井建设和生产准备过程中，在先期开采范围，经井巷工程实践，先后发现落差15 m 以上断层1条，落差10 m 以上断层4 条，落差大于5 m 断层2条，矿井中小构造较为发育，对采区合理划分和工作面连续推进有一定影响。 黄玉川煤矿煤层顶底板较平整，煤岩层裂隙较为发育，顶板较完整，煤岩层倾角0°～15°，偶有陷落柱，不存在冲击地压、地热等地质灾害危险［8－9］。
我国煤炭赋存条件复杂，大倾角煤层分布广泛，与缓倾斜煤层相比，大倾角煤层的采场顶板运移规律有很大不同。 目前我国的矿压研究大多是针对缓倾斜煤层进行的，对大倾角煤层研究较少，特别是走向长壁综采工作面，对矿压显现规律还没有形成系统的认识［10］。
通过地质调查与勘探，对黄玉川矿216 和226采区的地质构造进行了分析评价，对采区内综放工作面的开采技术条件进行了评估，得到了6上煤层底板等高线如图1 所示。
图1 煤层底板等高线立体示意
Fig.1 Three－dimensional schematic diagram of seam floor contour
由图1 可得，216 采区内5 个工作面中部有构造隆起，导致工作面走向和倾向方向上都存在不同程度的倾角，形成双向倾斜综放工作面，尤其是216上01 工作面开采过程中，面临大坡度俯采条件，对综放工作面的设备稳定性产生影响，同时也给顶煤放出和采场矿压控制带来挑战。
利用FLAC3D有限差分析软件，结合黄玉川煤矿216上01 工作面为工程背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。 该工作面长度250 m，平均推进长度1 252 m，煤层埋深约为245 m，平均厚度12 m，煤层最大倾角16°，煤层俯角为5°～25°，平均为15°，可采储量411.8 万t，采用综采放顶煤方法开采，工作面直接顶为砂质泥岩，直接底为泥岩。 煤层上部无松散层，均为岩层，上覆4、5 号层，下伏6、9号层。 煤层顶底板段各岩体物理力学参数见表1。
表1 基岩段各岩体物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section
岩层 密度／（kg·m－3）体积模量／GPa剪切模量／GPa内摩擦角／（°）抗拉强度／MPa黏聚力／MPa泥岩 1 760 8.50 6.47 28.4 0.800 6.85砂质泥岩 1 720 10.34 6.05 30.81 0.605 1.36 4 煤 1 605 6.43 1.22 34.4 0.420 2.36泥岩 1 760 8.50 6.47 28.4 0.800 6.85 5 煤 1 610 6.48 1.28 34.8 0.440 2.39砂质泥岩 1 720 10.34 6.05 30.81 0.605 1.36粗砂岩 2 380 14.28 7.36 44.13 0.808 2.24含砾中砂岩 2 460 25.13 10.94 43.69 1.330 3.89细砾岩 2 560 15.36 7.82 45.36 0.840 2.35粗砂岩 2 380 14.28 7.36 44.13 0.808 2.24砂质泥岩 1 720 10.34 6.05 30.81 0.605 1.36 6上煤 1 600 6.53 1.36 35.9 0.410 2.38泥岩 1 760 8.50 6.47 28.4 0.800 6.85 6 煤 1 620 6.59 1.39 36.2 0.470 2.44泥岩 1 760 8.50 6.47 28.4 0.800 6.85
类似双向倾斜特厚煤层综放工作面这种大角度俯采工作面的情况并不多见，目前还不能很好地用力学解析方法求解其力学变化与破坏过程。 为了研究和掌握开采过程中顶板的力学变化过程及对工作面的力学作用等，运用合理的数值方法与软件进行计算和分析以及预测是目前行之有效的方法之一。
研究采用数值计算软件FLAC3D对216上01 工作面进行计算分析，通过研究不同推进距离和工作面是否为双向倾斜情况下的垂直应力场分布规律、垂直位移场分布规律和塑性区分布规律。 数值模拟模型参数如下：
根据216上01 工作面的煤层底板等高线，在Rhino 软件中绘制出底板等高线点云图后导入FLAC3D数模拟软件中，建立浅埋双向倾斜综放工作面的计算机数值模拟三维模型，如图2 所示。 通过模拟工作面的回采过程，观察采场围岩应力分布的变化情况。 为了方便对比，同时建立了近水平工作面模型，回采强度完全相同，如图3 所示。
图2 用于矿压分析的216上01 工作面三维数值模型
Fig.2 3D numerical model of 216 upper No.01 working face for ground pressure analysis
图3 用于对比的2 种不同条件模拟模型
Fig.3 Two simulation models with different conditions for comparison
工作面的开采将会引起应力场重新分布，在工作面前方会形成垂直应力和水平应力集中，垂直应力集中后形成超前支承压力。 通过分析工作面应力场的分布，有助于更好掌握矿山压力的显现规律。 当煤层被开采后，采空区上下围岩形成应力释放区。 采空区正中间处顶板及底板应力释放最为充分，几乎为0（图4 中红色部分区域），并以此为中心，向外围形成圆弧状的应力递增圈，上下呈对称分布。 图4 中应力均为负值，表明岩体均受压应力的作用。
图4a、图4b 为工作面倾向垂直应力场，沿工作面倾斜方向，煤层采场围岩中有动态应力拱的存在。 通过对比图4a、图4b 可以看出应力拱存在着明显的非对称性特征，顶板应力拱外形轮廓线逐渐发生偏移。 由此可见，工作面方向倾斜时，煤层工作面支架所承受的力较大，支架稳定性降低。采动影响下，在工作面下端头形成明显的应力集中区，而在工作面上端头，垂直应力集中现象不明显。 随着工作面的推进，在工作面推进方向上工作面的垂直应力会在上下两端头形成不同程度的应力集中现象。 工作面推进方向角度越大，下端头应力集中越大，上端头应力集中越小。 下端头处围岩破坏程度较为严重，在开采过程中应该加强其支护强度。
图4 倾向、走向垂直应力场
Fig.4 Inclination and strike vertical stress field
综放开采是特厚煤层开采的主要方式之一，综放开采过程中放煤方式的选择对顶煤的冒落形态及顶煤回收产生直接影响，放煤方式包括放煤口打开的顺序、次数以及不同数量支架间的组合等。
结合黄玉川煤矿216上01 综放工作面的煤层赋存特征建立离散元数值模拟模型，利用PFC2D 软件模拟11.6 m 厚煤层放顶煤开采过程中顶煤流动规律及冒落情况，掌握顶煤流动及放出规律，重点研究不同放煤工艺下顶煤采出率及顶煤放出量规律，从而确定最优的放煤工艺，为进一步提高顶煤采出率提供保障。
结合黄玉川煤矿216上01 综放工作面的煤层赋存特征来建立数值模拟模型，研究11.6 m 特厚煤层开采顶煤冒落规律。 模型煤层厚度取11.6 m，采高取3.7 m，顶煤厚度为7.9 m，具体的煤岩体细观参数结果见表2。10°、20°的条件下，顶煤颗粒放出的形态和规律都遵循了“切割变异椭球体”理论，放出体各部分发展不均衡，其前部一直超出椭球体的范围，发育最快。 但也可以明显看出，当推进方向角度为20°时，在液压支架上方的终止煤岩分界面向左侧（采空区方向）凸出的趋势最为明显，同时出现煤颗粒和矸石颗粒混合的区域也向左侧偏移的最多。 而在放煤过程中，液压支架上方附近的煤颗粒很难被放出，因此，当推进方向角度为20°时，此区域的煤量也最多。
表2 煤岩相关参数
Table 2 Related parameters of coal and rock
岩层 粒径／mm密度／（kg·m－3）法向刚度／（N·m－1）切向刚度／（N·m－1）摩擦因数矸石 100～380 2 500 4.0×108 4.0×108 0.4顶煤 60～190 1 450 2.0×108 2.0×108 0.4
数值模拟中216上01 工作面煤以及其上覆岩层用二维颗粒模型建模，模型沿工作面支架布置方向，如图5 所示，图中下部绿色颗粒为煤，上部蓝色颗粒为破碎顶板，模型长度、宽度分别为60、36 m。
图5 模型初始状态
Fig.5 Model initial state diagram
模拟结果如图6 所示，在推进方向角度为0°、当推进方向角度为0°时，煤颗粒和矸石颗粒混合的区域在放煤口的正上方，能够被顺利放出的煤颗粒也就越多。 所以一般在俯斜综放开采时，会发现其采出率较低。
图6 不同俯采角条件下放煤见矸时刻终止煤岩分界面的形态
Fig.6 Shape of coal rock interface at time of coal gangue in different dip angles
随着工作面向前推进，移架后开始放煤的初始位置也是在上一轮放煤结束时的终止煤岩分界面处，上一轮在液压支架掩护梁和顶梁上方未顺利放出损失的煤颗粒会在本轮放出，本轮的煤颗粒放出量会得到增加，总体来看连续移架后放出的总煤量也没有减少。 但值得注意的是，当推进方向角度（俯采角）过大时，移架放煤过程中容易顶板破碎岩块过早混入煤体，在实际的生产作业过程中就会过早执行“见矸关门”的操作，从而导致放出煤量减少，所以俯斜综放开采的采出率较低，并且俯采角度越大，损失的煤量越多。
模拟过程中选取了单轮顺序放煤、单轮间隔放煤、两轮顺序放煤和三轮顺序放煤共4 种放煤工艺进行对比分析，如图7 所示（顶煤放出量为放出煤颗粒数量）。 模拟结果表明，两轮或三轮顺序放煤方式条件下，顶煤的采出率高，说明多轮放煤可以让顶煤缓慢均匀下沉，最大限度减少顶板矸石的混入。根据模拟结果和现场可操作性最终确定了黄玉川矿的放煤方式是一刀一放、两轮顺序放煤。
图7 不同放煤工艺的顶煤放出情况对比
Fig.7 Comparison of top－coal drawing with different drawing processes
综放工作面回风巷回采处于上覆4 煤采空区下方，4、6上煤煤层平均间隙75 m 且采动间隔时间短（不足1 a），受二次采动影响，矿压显现非常剧烈，巷道变形量大（最严重区域顶底形变量超过2 m），按照以往回采经验，采用单体支柱＋柱靴（柱帽）支护，单体支柱每排支护4 根，支护强度偏小，主动支护效果较差，导致巷道变形量大，严重影响安全生产。
通过FLAC3D对双向倾斜工作面综放开采的数值模拟分析，掌握了黄玉川煤矿216上01 综放工作面的矿压显现规律，并对现场提出了管控措施。 现场管控效果如图8 所示。
图8 现场管控效果
Fig.8 Field control effect chart
针对回风巷受二次采动影响、巷道变形量大，提出“一梁六柱”的支护方式，同时加大超前支护距离。 具体为：采用π 型钢梁＋单体支柱支护，每排支护6 根单体支柱，排距为1 m（间距为550、550、1 100、550、550 mm），巷道压力大时可将排距减小为800 mm，将超前支护距离增大为50 m 以上，有效主动支护回风巷顶板，显著减小了巷道变形量（图9）。
图9 回风巷支护设计
Fig.9 Design drawing of tailentry support
考虑回风巷单体支柱打设较多，打设难度系数大，一般单体支柱质量均在100 kg 以上需要多人配合进行支设，费时费力且安全隐患较多，矿井回风巷坡度为12°～16°，最大坡度达18°，在坡度段时支设难度尤为突出。 为有效解决该问题自行研究设计了自移迈步式单体支柱支护车，该单体支柱车通过使用废旧阀组、工字钢及液压油缸，利用阀组集中控制液压油缸伸缩运动的特性，设计制作了集迈步移动、存储及支护单体支柱于一体的自移迈步式单体支柱支护车，有效保障作业人员的人身安全解决了坡度段支护时单体支柱容易倒落伤人的安全隐患；同时因使用单体支柱车固定、调整单体支柱的支设位置，大幅减轻了人员的作业强度和难度。 与此同时加强了双向倾斜综放工作面运输巷的支护和对支架侧护板的改造。
1）通过FLAC3D 对黄玉川矿216上01 工作面矿压显现规律模拟研究，发现近水平综放工作面开采过程中，采场周边的垂直应力在倾斜方向上是呈现对称分布的，并且在走向方向上有规律波动，而双向倾斜综放工作面则是不均衡分布和无规则变化的。因此可以判断出双向倾斜综放工作面的开采容易造成顶板的偏应力集中，低水平位置的回采巷道矿压显现会更加剧烈，需要加强支护和管理。 随着工作面方向角度从0°增加到15°，工作面下端头最大垂直应力从18 MPa 逐渐增加到24 MPa；随着工作面推进方向俯采角度从0°增加到15°，工作面煤壁前方最大垂直应力从24 MPa 逐渐增加到27 MPa，说明工作面倾角对下端头的应力集中和煤壁前方的应力集中程度都有显著的影响。
2）通过对黄玉川煤矿特厚煤层工作面放煤规律的研究，发现顶煤采出率随着俯采角的增大基本呈现出逐步减小的变化趋势，因此在现场生产中，应当对大倾角综放开采放煤工艺进行针对性的优化。例如采用控制初始放煤量，增大放煤步距的方法以提高大倾角条件下放煤的均衡性和采出率。 同时在两轮或三轮顺序放煤方式条件下，顶煤的采出率高，说明多轮放煤可以让顶煤缓慢均匀下沉，最大限度减少顶板矸石的混入。 根据模拟结果和现场可操作性最终确定了黄玉川矿的放煤方式是一刀一放、两轮顺序放煤。
3）在掌握了黄玉川煤矿双向倾斜综放工作面矿压显现规律后，针对现场提出了管控措施，对特殊地质条件下工作面设备防倒防滑进行了管控和研究。
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