急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制：理論、技術(shù)與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中始終占據(jù)主導(dǎo)地位。在煤炭資源的賦存條件中，急斜煤層占有相當(dāng)比例。急斜煤層通常是指傾角大于45°的煤層，其開(kāi)采條件相較于緩傾斜煤層更為復(fù)雜和困難。我國(guó)急傾斜煤層分布廣泛，如新疆烏魯木齊礦區(qū)、川南煤田等，這些地區(qū)的急斜煤層儲(chǔ)量豐富，對(duì)于保障我國(guó)能源供應(yīng)具有重要意義。隨著煤炭需求的持續(xù)增長(zhǎng)以及淺部煤炭資源的逐漸減少，急斜煤層的高效開(kāi)采成為煤炭行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。大段高開(kāi)采作為一種提高急斜煤層開(kāi)采效率的重要手段，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)加大開(kāi)采段高，可以減少開(kāi)采分層數(shù)，降低巷道掘進(jìn)量，提高煤炭資源回收率，從而提高礦井的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。例如，在新疆烏魯木齊礦區(qū)，其開(kāi)采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，共含煤33層，可采27層，可采總厚度120-135m，傾角63-88°，采用水平分段放頂煤開(kāi)采方法，計(jì)劃將原分段高度從18m左右進(jìn)一步提至22-30m，以提升開(kāi)采效率。然而，大段高開(kāi)采也帶來(lái)了一系列嚴(yán)峻的問(wèn)題，其中圍巖控制問(wèn)題尤為突出。在急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層傾角大、開(kāi)采高度增加，圍巖所承受的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致圍巖變形和破壞機(jī)制更為復(fù)雜。頂板巖層在重力和采動(dòng)應(yīng)力的作用下，更容易發(fā)生垮落、滑落等失穩(wěn)現(xiàn)象；底板巖層則可能出現(xiàn)底鼓、滑移等破壞形式，這不僅嚴(yán)重威脅到采煤工作面和巷道的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。例如，巷道圍巖變形可能導(dǎo)致巷道斷面縮小，影響通風(fēng)、運(yùn)輸和行人安全；頂板垮落可能掩埋設(shè)備、堵塞巷道，甚至引發(fā)瓦斯爆炸、透水等重大事故，給人員生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，深入研究急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制基礎(chǔ)，對(duì)于保障礦井的安全高效開(kāi)采具有至關(guān)重要的意義。從理論層面來(lái)看，急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制涉及到巖石力學(xué)、采礦工程、材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，研究其圍巖控制基礎(chǔ)可以豐富和完善采礦工程學(xué)科的理論體系，揭示急斜煤層大段高開(kāi)采條件下圍巖變形和破壞的內(nèi)在規(guī)律，為后續(xù)的研究和工程實(shí)踐提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)圍巖控制基礎(chǔ)的研究，可以提出更加科學(xué)合理的圍巖控制技術(shù)和方法，優(yōu)化巷道布置和支護(hù)設(shè)計(jì)，提高圍巖的穩(wěn)定性，降低開(kāi)采過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)急斜煤層的安全高效開(kāi)采，促進(jìn)煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制一直是采礦領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員圍繞這一問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作，取得了一系列有價(jià)值的成果。國(guó)外在急斜煤層開(kāi)采技術(shù)方面起步較早，俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在急斜煤層開(kāi)采方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。俄羅斯學(xué)者通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)急斜煤層開(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究，提出了一些適用于急斜煤層開(kāi)采的礦山壓力計(jì)算方法和支護(hù)設(shè)計(jì)理論。烏克蘭在急斜煤層開(kāi)采中，采用了一些特殊的采煤方法和設(shè)備，如傾斜長(zhǎng)壁采煤法、急斜煤層專用采煤機(jī)等，有效提高了開(kāi)采效率和安全性。在圍巖控制方面，國(guó)外主要側(cè)重于從巖石力學(xué)和材料科學(xué)的角度出發(fā)，研究圍巖的變形破壞機(jī)制和新型支護(hù)材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。例如，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，分析不同地質(zhì)條件下圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；研發(fā)高強(qiáng)度、高韌性的支護(hù)材料，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。我國(guó)對(duì)急斜煤層開(kāi)采技術(shù)的研究也取得了顯著進(jìn)展。在采煤方法方面，我國(guó)先后發(fā)展了倒臺(tái)階采煤法、水平分層采煤法、掩護(hù)支架采煤法、放頂煤采煤法等多種適用于急傾斜煤層的采煤方法。其中，水平分段放頂煤采煤法在我國(guó)急傾斜特厚煤層開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用。如新疆烏魯木齊礦區(qū)采用水平分段放頂煤開(kāi)采方法，計(jì)劃進(jìn)一步提高分段高度以提升開(kāi)采效率。在圍巖控制技術(shù)方面，我國(guó)學(xué)者針對(duì)急斜煤層開(kāi)采中圍巖變形大、支護(hù)困難等問(wèn)題，開(kāi)展了大量的理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。例如，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中的礦壓顯現(xiàn)特征及圍巖變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大段高開(kāi)采條件下，支架的工作阻力并沒(méi)有隨著采深與段高的增加而大幅增加，工作面支架會(huì)受到其上方臨時(shí)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。在巷道支護(hù)方面，提出了多種有效的支護(hù)技術(shù)，如錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)、注漿加固支護(hù)、U型鋼支架支護(hù)等，并結(jié)合具體工程實(shí)際，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。川煤集團(tuán)所屬華榮公司牽頭的《急傾斜煤層巷道等效錨固關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用》項(xiàng)目，在急傾斜煤層巷道等效錨固穩(wěn)定性控制理論、圍巖低損傷控制技術(shù)等方面形成了系統(tǒng)的創(chuàng)新成果，為解決急傾斜煤層巷道圍巖控制技術(shù)難題提供了科學(xué)的實(shí)施路徑。盡管國(guó)內(nèi)外在急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，目前對(duì)于急斜煤層大段高開(kāi)采條件下圍巖的復(fù)雜力學(xué)行為和變形破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不夠深入，缺乏統(tǒng)一、完善的理論體系來(lái)準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定性。不同的理論模型和分析方法往往存在一定的局限性，難以全面考慮各種地質(zhì)因素和開(kāi)采條件對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。在技術(shù)應(yīng)用方面，現(xiàn)有的圍巖控制技術(shù)和支護(hù)方法在某些復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性還不夠強(qiáng)，支護(hù)效果有待進(jìn)一步提高。例如，在圍巖破碎、應(yīng)力集中等特殊情況下，傳統(tǒng)的支護(hù)方式可能無(wú)法有效控制圍巖變形，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)和安全事故的發(fā)生。此外，在急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)采與圍巖穩(wěn)定的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以及如何降低開(kāi)采成本和提高資源回收率等問(wèn)題，仍需要進(jìn)一步深入研究和探索。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖變形破壞機(jī)制研究：深入分析急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，圍巖在重力、采動(dòng)應(yīng)力以及地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力等多因素耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)，通過(guò)理論推導(dǎo)建立圍巖應(yīng)力分布和變形的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示圍巖變形破壞的內(nèi)在機(jī)制和演化規(guī)律，明確不同開(kāi)采條件下圍巖變形破壞的主要影響因素。急斜煤層大段高開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究：運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)獲取采煤工作面和巷道在開(kāi)采過(guò)程中的礦山壓力數(shù)據(jù)，包括支架工作阻力、頂板下沉量、巷道收斂變形等參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)急斜煤層大段高開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)特征，如周期來(lái)壓步距、來(lái)壓強(qiáng)度等，建立礦壓顯現(xiàn)的預(yù)測(cè)模型，為后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)和圍巖控制提供依據(jù)。急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制技術(shù)研究：基于對(duì)圍巖變形破壞機(jī)制和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究成果，提出針對(duì)性的圍巖控制技術(shù)方案。包括優(yōu)化巷道布置，選擇合理的巷道位置和斷面形狀，以減少采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道的影響；研發(fā)新型支護(hù)材料和支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高支護(hù)系統(tǒng)的承載能力和適應(yīng)性；研究注漿加固等圍巖強(qiáng)化技術(shù)，改善圍巖的力學(xué)性能，增強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力。急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制效果評(píng)價(jià)：建立圍巖控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮圍巖變形量、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、巷道穩(wěn)定性等因素，運(yùn)用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等數(shù)學(xué)方法，對(duì)不同圍巖控制技術(shù)方案的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，不斷優(yōu)化圍巖控制技術(shù)方案，確保急斜煤層大段高開(kāi)采的安全高效進(jìn)行。1.3.2研究方法理論分析：運(yùn)用巖石力學(xué)、采礦工程等學(xué)科的基本理論，對(duì)急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中的圍巖力學(xué)行為進(jìn)行分析。建立力學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，研究圍巖的應(yīng)力分布、變形規(guī)律以及破壞準(zhǔn)則。通過(guò)理論分析，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)研究：開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，制作相似材料模型，模擬急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)模型的變形、破壞情況以及應(yīng)力變化，獲取直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，揭示圍巖變形破壞的過(guò)程和機(jī)制。同時(shí)，進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定巖石的物理力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值模擬和理論分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：利用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值模擬軟件，建立急斜煤層大段高開(kāi)采的三維數(shù)值模型。通過(guò)數(shù)值模擬，分析不同開(kāi)采條件下圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，預(yù)測(cè)圍巖的變形和破壞趨勢(shì)。對(duì)比不同的開(kāi)采方案和支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化開(kāi)采工藝和支護(hù)設(shè)計(jì)，為工程實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)：選擇典型的急傾斜煤層大段高開(kāi)采礦井作為研究對(duì)象，在采煤工作面和巷道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)礦山壓力、圍巖變形等參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中圍巖的變形破壞特征和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，驗(yàn)證理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出改進(jìn)措施。二、急斜煤層大段高開(kāi)采特征及圍巖控制難點(diǎn)2.1急斜煤層大段高開(kāi)采特點(diǎn)2.1.1地質(zhì)條件復(fù)雜性急斜煤層的形成往往經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這使得其地質(zhì)條件相較于其他煤層更為復(fù)雜。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，強(qiáng)烈的擠壓、褶皺和斷裂作用導(dǎo)致煤層傾角急劇增大，通常大于45°，甚至在一些區(qū)域可達(dá)到近90°的直立狀態(tài)。同時(shí)，斷層和褶曲大量發(fā)育，使得煤層的連續(xù)性遭到破壞，形態(tài)變得極為不規(guī)則。例如，在新疆烏魯木齊礦區(qū)，由于受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，煤層傾角普遍在60°-80°之間，斷層密度大，平均每平方公里內(nèi)就有3-5條斷層，這給開(kāi)采工作帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。急斜煤層的穩(wěn)定性較差，厚度變化頻繁。在短距離內(nèi)，煤層厚度可能會(huì)出現(xiàn)大幅度的增減，甚至出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象。煤層結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，常常含有夾矸層，夾矸的厚度、層數(shù)和分布情況各不相同，進(jìn)一步增加了開(kāi)采的難度。在川南煤田，部分急斜煤層的厚度變化范圍可達(dá)2-10m，夾矸層數(shù)最多可達(dá)5層，夾矸厚度從幾厘米到幾十厘米不等，這使得在開(kāi)采過(guò)程中難以保證采煤設(shè)備的正常運(yùn)行和煤炭質(zhì)量的穩(wěn)定。此外，急斜煤層的頂?shù)装鍡l件也較為復(fù)雜。頂板巖層在重力和采動(dòng)應(yīng)力的作用下，更容易發(fā)生垮落、滑落等失穩(wěn)現(xiàn)象；底板巖層則可能出現(xiàn)底鼓、滑移等破壞形式。頂板巖石的完整性和強(qiáng)度受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育，導(dǎo)致其自穩(wěn)能力降低。底板若為軟巖，在高應(yīng)力作用下，更容易產(chǎn)生塑性變形和底鼓現(xiàn)象。如在攀枝花煤業(yè)集團(tuán)花山煤礦，其急斜煤層的頂板為砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，在開(kāi)采過(guò)程中頻繁發(fā)生頂板垮落事故；底板為泥巖，屬于軟巖，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道變形量大，維護(hù)困難。2.1.2開(kāi)采工藝特殊性大段高開(kāi)采在采煤工藝方面具有特殊要求。由于開(kāi)采高度的增加，傳統(tǒng)的采煤工藝難以滿足安全生產(chǎn)和高效開(kāi)采的需求。在落煤方式上，需要選擇合適的破煤設(shè)備和方法，以確保能夠順利將煤炭采下。對(duì)于硬度較大的煤層，采用爆破落煤時(shí)，需要精確計(jì)算爆破參數(shù)，控制爆破效果，避免對(duì)圍巖造成過(guò)大的破壞；采用采煤機(jī)落煤時(shí)，則需要選用大功率、高強(qiáng)度的采煤機(jī)，以適應(yīng)大段高開(kāi)采的要求。在裝煤和運(yùn)煤環(huán)節(jié)，由于急斜煤層的特殊性，煤巖塊會(huì)自動(dòng)下滑，這雖然有利于煤炭的運(yùn)輸，但也帶來(lái)了安全隱患，需要采取有效的防護(hù)措施，防止煤巖塊傷人或沖倒支架。在設(shè)備選型方面，大段高開(kāi)采需要選用專門的設(shè)備。液壓支架作為工作面的主要支護(hù)設(shè)備，需要具備足夠的支撐能力和穩(wěn)定性，以承受頂板的壓力和控制頂板的下沉。由于急斜煤層的頂板壓力分布不均勻，支架的受力狀態(tài)復(fù)雜，因此需要設(shè)計(jì)特殊的支架結(jié)構(gòu)，如增加支架的抗傾斜能力、提高支架的側(cè)向穩(wěn)定性等。采煤機(jī)需要具備良好的適應(yīng)性和可靠性，能夠在大段高、大傾角的條件下正常運(yùn)行。刮板輸送機(jī)需要具備較強(qiáng)的運(yùn)輸能力和抗沖擊能力，以適應(yīng)煤巖塊的快速下滑和沖擊。例如，在新疆烏魯木齊礦區(qū)的大段高開(kāi)采工作面，選用了ZY12000/28/62D型液壓支架，其工作阻力達(dá)到12000kN，能夠有效支撐頂板；采煤機(jī)選用了MG800/2040-WD型交流電牽引采煤機(jī)，功率大，截割能力強(qiáng)；刮板輸送機(jī)選用了SGZ1200/1575型刮板輸送機(jī)，運(yùn)輸能力可達(dá)2500t/h，滿足了大段高開(kāi)采的需求。此外，大段高開(kāi)采還對(duì)通風(fēng)、排水等系統(tǒng)提出了更高的要求。由于開(kāi)采高度增加，通風(fēng)阻力增大，需要合理優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，確保工作面有足夠的新鮮風(fēng)量，同時(shí)有效排出瓦斯等有害氣體。排水方面，需要加強(qiáng)排水能力，防止積水對(duì)開(kāi)采工作造成影響。在一些急斜煤層大段高開(kāi)采礦井中，通過(guò)增加通風(fēng)設(shè)備的功率、優(yōu)化通風(fēng)巷道的布置等措施，解決了通風(fēng)阻力大的問(wèn)題；通過(guò)增設(shè)排水泵、加大排水管路直徑等方法，提高了排水能力，保障了開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。2.2圍巖控制難點(diǎn)分析2.2.1礦壓顯現(xiàn)規(guī)律復(fù)雜急斜煤層大段高開(kāi)采時(shí)，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與緩傾斜煤層存在顯著差異。在緩傾斜煤層開(kāi)采中，礦山壓力主要源于上覆巖層的重量，其分布相對(duì)較為均勻，頂板的下沉和垮落具有一定的規(guī)律性，周期來(lái)壓步距和強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定。而在急斜煤層大段高開(kāi)采條件下，由于煤層傾角大，重力作用方向發(fā)生改變，頂板巖層不僅受到垂直方向的壓力，還受到沿傾斜方向的分力作用，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)規(guī)律變得極為復(fù)雜。在垂直方向上，隨著開(kāi)采高度的增加，上覆巖層的重量對(duì)頂板的壓力增大，使得頂板更容易發(fā)生下沉和垮落。由于急斜煤層的頂板壓力分布不均勻，在煤層上部和下部，頂板所承受的壓力大小和方向存在差異。在煤層上部，頂板所受垂直壓力相對(duì)較小，但沿傾斜方向的分力較大，容易導(dǎo)致頂板巖層沿傾斜方向滑動(dòng)；在煤層下部，頂板所受垂直壓力較大，容易發(fā)生垮落。這種壓力分布的不均勻性，使得頂板的垮落形式和周期來(lái)壓步距難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。沿傾斜方向的分力還會(huì)對(duì)支架產(chǎn)生較大的側(cè)向力，影響支架的穩(wěn)定性。支架在承受垂直壓力的同時(shí)，還需要抵抗側(cè)向力的作用，這對(duì)支架的結(jié)構(gòu)和支護(hù)能力提出了更高的要求。如果支架的抗側(cè)力能力不足，在側(cè)向力的作用下，支架可能會(huì)發(fā)生傾斜、扭曲甚至傾倒，從而無(wú)法有效地支撐頂板，導(dǎo)致頂板垮落事故的發(fā)生。此外，急斜煤層的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、褶曲等構(gòu)造的存在會(huì)進(jìn)一步改變礦壓的分布規(guī)律。在斷層附近，礦壓會(huì)發(fā)生集中，頂板的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，容易發(fā)生垮落；褶曲構(gòu)造會(huì)使煤層的賦存狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致礦壓分布不均勻，增加了圍巖控制的難度。2.2.2頂板控制難度大在急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，頂板控制面臨諸多難題。頂板巖層在重力和采動(dòng)應(yīng)力的共同作用下，極易發(fā)生垮落。由于煤層傾角大，頂板巖層所受的沿傾斜方向的分力增大，垂直于層面方向的分力減小，使得頂板巖層的穩(wěn)定性降低。頂板巖層在開(kāi)采過(guò)程中容易出現(xiàn)滑落、冒落等現(xiàn)象，且垮落的速度和范圍往往難以控制。頂板的支護(hù)難度較大。傳統(tǒng)的支護(hù)方式在急斜煤層大段高開(kāi)采中往往難以滿足支護(hù)要求。例如，錨桿支護(hù)在急斜煤層中，由于頂板巖層的滑動(dòng)和變形，錨桿的錨固力難以有效發(fā)揮，容易出現(xiàn)錨桿失效的情況；液壓支架在急傾斜煤層中，需要承受較大的側(cè)向力和不均勻的頂板壓力，對(duì)支架的穩(wěn)定性和承載能力要求極高，普通的液壓支架難以適應(yīng)這種復(fù)雜的受力條件。頂板垮落會(huì)帶來(lái)一系列嚴(yán)重的危害。頂板垮落可能會(huì)掩埋設(shè)備、堵塞巷道，影響正常的生產(chǎn)作業(yè)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?？迓涞捻敯暹€可能引發(fā)瓦斯爆炸、透水等重大事故，對(duì)人員生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在一些急斜煤層開(kāi)采礦井中，由于頂板垮落引發(fā)瓦斯積聚，遇到火源后發(fā)生爆炸，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2.2.3底板穩(wěn)定性問(wèn)題急斜煤層大段高開(kāi)采時(shí)，底板的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要問(wèn)題。在開(kāi)采過(guò)程中，底板巖層受到采動(dòng)應(yīng)力和上覆巖層壓力的作用，容易發(fā)生變形和滑移。由于煤層傾角大，底板巖層所受的沿傾斜方向的分力增大，使得底板更容易產(chǎn)生滑移破壞。在底板為軟巖的情況下，這種變形和滑移現(xiàn)象更為嚴(yán)重。底板的變形和滑移會(huì)對(duì)巷道和采煤工作面的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。底板變形會(huì)導(dǎo)致巷道底鼓，使巷道斷面縮小，影響通風(fēng)、運(yùn)輸和行人安全；底板滑移可能會(huì)導(dǎo)致巷道和采煤工作面的支架失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)頂板垮落等事故。在一些急斜煤層開(kāi)采礦井中，由于底板滑移，導(dǎo)致巷道支架變形、破壞，頂板出現(xiàn)垮落，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的隱患。此外，底板的穩(wěn)定性還會(huì)影響到采煤工藝的實(shí)施。如果底板不穩(wěn)定，采煤設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)晃動(dòng)、傾斜等情況，影響采煤效率和煤炭質(zhì)量。因此，在急斜煤層大段高開(kāi)采中，必須重視底板穩(wěn)定性問(wèn)題，采取有效的措施來(lái)提高底板的穩(wěn)定性。三、急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制理論基礎(chǔ)3.1巖石力學(xué)基本理論巖石力學(xué)是研究巖石在各種力場(chǎng)作用下的力學(xué)性狀的一門學(xué)科，其基本理論為急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制提供了重要的基礎(chǔ)。巖石作為一種天然的地質(zhì)材料，具有復(fù)雜的物理力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)對(duì)于理解圍巖在開(kāi)采過(guò)程中的變形和破壞行為至關(guān)重要。巖石的物理性質(zhì)是其力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，包括容重、比重、孔隙率、吸水率、膨脹性、崩解性等指標(biāo)。巖石的容重是指單位體積巖石（包括孔隙體積）的重量，它反映了巖石的密實(shí)程度。比重則是巖石固體部分重量與同體積水在4℃時(shí)重量的比值，與巖石的礦物成分密切相關(guān)。孔隙率是巖石中孔隙體積與總體積的比值，孔隙率的大小影響著巖石的力學(xué)性能和滲透性。吸水率體現(xiàn)了巖石吸收水分的能力，吸水率較高的巖石在遇水后可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)度降低等現(xiàn)象。膨脹性和崩解性描述了巖石在特定條件下（如遇水）體積膨脹和崩解破碎的特性，對(duì)于急斜煤層開(kāi)采中圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響。在新疆烏魯木齊礦區(qū)的急斜煤層中，頂板巖石的孔隙率較高，達(dá)到15%-20%，導(dǎo)致其強(qiáng)度相對(duì)較低，在開(kāi)采過(guò)程中更容易發(fā)生垮落。巖石的力學(xué)性質(zhì)主要包括變形性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)。在變形性質(zhì)方面，巖石在受力時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形、塑性變形和粘性變形等。彈性變形是指巖石在受力后能夠恢復(fù)到原來(lái)形狀和尺寸的變形，遵循胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。然而，巖石的彈性變形范圍相對(duì)較小，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定限度后，巖石會(huì)進(jìn)入塑性變形階段。在塑性變形階段，巖石發(fā)生不可逆的變形，即使卸載后也不能完全恢復(fù)原狀。粘性變形則是指巖石的變形與時(shí)間相關(guān)，表現(xiàn)出蠕變、松弛等現(xiàn)象。蠕變是指在恒定應(yīng)力作用下，巖石的應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增加的現(xiàn)象；松弛是指在恒定應(yīng)變條件下，巖石的應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小的現(xiàn)象。這些變形特性使得巖石在急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，其變形行為隨時(shí)間不斷變化，增加了圍巖控制的難度。巖石的強(qiáng)度性質(zhì)包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等?？箟簭?qiáng)度是巖石抵抗壓縮破壞的能力，通常遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。在急斜煤層開(kāi)采中，頂板和底板巖石會(huì)承受較大的壓力，其抗壓強(qiáng)度直接影響著圍巖的穩(wěn)定性?？估瓘?qiáng)度是巖石抵抗拉伸破壞的能力，由于巖石的抗拉強(qiáng)度較低，在開(kāi)采過(guò)程中，受拉區(qū)域容易出現(xiàn)裂縫和斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)?？辜魪?qiáng)度是巖石抵抗剪切破壞的能力，在急斜煤層中，由于煤層傾角大，圍巖受到的剪切力較大，抗剪強(qiáng)度對(duì)于判斷圍巖是否會(huì)發(fā)生剪切滑移破壞具有重要意義。在川南煤田的急斜煤層開(kāi)采中，由于底板巖石的抗剪強(qiáng)度較低，在采動(dòng)應(yīng)力作用下，經(jīng)常發(fā)生底板滑移現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了開(kāi)采的安全性。巖石的本構(gòu)關(guān)系是描述巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了巖石的力學(xué)性質(zhì)和變形規(guī)律。常見(jiàn)的巖石本構(gòu)模型包括彈性本構(gòu)模型、塑性本構(gòu)模型和流變本構(gòu)模型等。彈性本構(gòu)模型適用于巖石處于彈性變形階段，如線彈性本構(gòu)模型假設(shè)巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律，可用于初步分析巖石在小變形情況下的力學(xué)行為。然而，在實(shí)際的急斜煤層開(kāi)采中，巖石往往會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的受力過(guò)程，進(jìn)入塑性變形階段，此時(shí)彈性本構(gòu)模型不再適用。塑性本構(gòu)模型考慮了巖石的塑性變形特性，如Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型，通過(guò)引入屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)法則，能夠描述巖石在塑性階段的力學(xué)行為。流變本構(gòu)模型則考慮了時(shí)間因素對(duì)巖石變形的影響，對(duì)于研究急斜煤層大段高開(kāi)采中巖石的長(zhǎng)期變形和穩(wěn)定性具有重要意義。在分析急斜煤層巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性時(shí)，采用流變本構(gòu)模型可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)圍巖的變形隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供更可靠的依據(jù)。3.2采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型3.2.1傳統(tǒng)力學(xué)模型分析在采礦工程領(lǐng)域，針對(duì)采場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展出了多種力學(xué)模型，其中“砌體梁”理論是較為經(jīng)典且具有廣泛影響力的模型之一。該理論由錢鳴高院士于1982年提出，一經(jīng)問(wèn)世便得到國(guó)際公認(rèn)，為煤礦采場(chǎng)礦山壓力研究從定性假說(shuō)到定量理論的跨越發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。“砌體梁”理論采用“梁”“薄板”模型來(lái)分析基本頂破斷規(guī)律，揭示了頂板斷裂線位于采場(chǎng)煤壁前方這一重要現(xiàn)象。在采場(chǎng)中，隨著開(kāi)采的推進(jìn)，基本頂巖層在煤壁和矸石的支撐下，破斷巖塊會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)擠壓，并相互咬合形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。該理論還發(fā)現(xiàn)了“砌體梁”結(jié)構(gòu)存在滑落（S）失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)變形（R）失穩(wěn)兩種模式，并建立了S-R失穩(wěn)的力學(xué)條件，基于“砌體梁”結(jié)構(gòu)平衡提出了頂板壓力計(jì)算方法，首次實(shí)現(xiàn)了支架-圍巖關(guān)系的定量分析，對(duì)保障煤礦的安全和高產(chǎn)高效起到了重要作用。然而，“砌體梁”理論主要是基于緩傾斜、薄及中厚煤層條件建立的，對(duì)于急斜煤層大段高開(kāi)采并不完全適用。在急斜煤層中，由于煤層傾角大，其賦存狀態(tài)和開(kāi)采條件與緩傾斜煤層存在顯著差異。在重力作用下，急斜煤層頂板巖層所受的沿傾斜方向的分力增大，垂直于層面方向的分力減小，這使得頂板巖層的穩(wěn)定性降低，其破壞形式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與緩傾斜煤層不同。“砌體梁”理論中所假設(shè)的頂板破斷巖塊的回轉(zhuǎn)擠壓和咬合形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的條件在急斜煤層中難以滿足。由于急斜煤層頂板更容易發(fā)生滑落失穩(wěn)，破斷巖塊難以形成類似緩傾斜煤層中的穩(wěn)定“砌體梁”結(jié)構(gòu)。除“砌體梁”理論外，還有壓力拱假說(shuō)、懸臂梁假說(shuō)、鉸接巖塊假說(shuō)等傳統(tǒng)力學(xué)模型。壓力拱假說(shuō)認(rèn)為，在回采工作空間上方，由于巖層自然平衡的結(jié)果形成了一個(gè)“壓力拱”，在前后拱腳間形成了一個(gè)減壓區(qū)，回采工作面的支架只承受壓力拱內(nèi)巖石的重量。但在急斜煤層中，由于重力分力的影響，壓力拱的形狀和位置會(huì)發(fā)生改變，該假說(shuō)難以準(zhǔn)確描述急斜煤層采場(chǎng)的圍巖結(jié)構(gòu)和壓力分布。懸臂梁假說(shuō)認(rèn)為，工作面和采空區(qū)上方的頂板可視為為一端固定于煤壁前方巖體內(nèi)，另一端處于懸伸狀態(tài)的梁。然而，在急斜煤層中，頂板的受力狀態(tài)復(fù)雜，懸臂梁模型無(wú)法考慮沿傾斜方向的分力對(duì)頂板的影響，不能很好地解釋急斜煤層頂板的破壞機(jī)制。鉸接巖塊假說(shuō)認(rèn)為，工作面上覆巖層的破壞可分為垮落帶和規(guī)則移動(dòng)帶，但在急斜煤層中，由于頂板的特殊運(yùn)動(dòng)形式，該假說(shuō)也存在一定的局限性。3.2.2針對(duì)急斜煤層的模型構(gòu)建為了準(zhǔn)確描述急斜煤層大段高開(kāi)采條件下采場(chǎng)圍巖的結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為，需要構(gòu)建適用于急斜煤層的力學(xué)模型?？紤]到急斜煤層的特點(diǎn)，構(gòu)建的模型應(yīng)充分考慮重力沿傾斜方向的分力、頂板巖層的滑落失穩(wěn)以及底板巖層的滑移等因素。基于上述考慮，構(gòu)建一種“懸臂-滑移”力學(xué)模型。該模型將急斜煤層采場(chǎng)頂板視為一端固定于煤壁前方巖體內(nèi)，另一端在重力和采動(dòng)應(yīng)力作用下處于懸伸狀態(tài)的懸臂梁。由于煤層傾角大，頂板巖層在沿傾斜方向分力的作用下，具有向采空區(qū)滑落的趨勢(shì)。在模型中，引入滑落系數(shù)來(lái)表征頂板巖層的滑落趨勢(shì)，滑落系數(shù)與煤層傾角、頂板巖石的力學(xué)性質(zhì)以及采動(dòng)應(yīng)力等因素有關(guān)。通過(guò)理論分析和力學(xué)推導(dǎo)，可以得到頂板巖層的應(yīng)力分布和變形計(jì)算公式。對(duì)于底板巖層，考慮其在采動(dòng)應(yīng)力和上覆巖層壓力作用下的滑移破壞。建立底板滑移模型，分析底板巖層的滑移條件和滑移范圍。在模型中，考慮底板巖石的抗剪強(qiáng)度、采動(dòng)應(yīng)力的分布以及上覆巖層的壓力等因素，通過(guò)力學(xué)分析得到底板巖層的滑移判據(jù)和滑移量的計(jì)算方法。為了驗(yàn)證該模型的合理性和準(zhǔn)確性，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。利用FLAC3D等數(shù)值模擬軟件，建立急斜煤層大段高開(kāi)采的三維數(shù)值模型，模擬不同開(kāi)采條件下采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況以及頂板和底板的變形破壞過(guò)程。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件制作相似材料模型，模擬急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程，觀察頂板和底板的變形破壞現(xiàn)象，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證，進(jìn)一步完善模型。3.3圍巖變形與破壞機(jī)理3.3.1變形破壞過(guò)程分析在急斜煤層大段高開(kāi)采過(guò)程中，圍巖的變形與破壞是一個(gè)復(fù)雜且漸進(jìn)的過(guò)程，通?？蓜澐譃橐韵聨讉€(gè)階段：彈性變形階段：在開(kāi)采初期，當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力小于圍巖的彈性極限時(shí)，圍巖處于彈性變形階段。此時(shí)，圍巖的變形量較小，且變形具有可逆性，即當(dāng)應(yīng)力解除后，圍巖能夠恢復(fù)到原來(lái)的形狀和尺寸。在這個(gè)階段，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，巖石的顆粒之間僅發(fā)生微小的彈性位移。以某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面為例，在開(kāi)采初期，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板圍巖的下沉量較小，在一定時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算其變形量與理論彈性變形量相符。塑性變形階段：隨著開(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行，采動(dòng)應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)超過(guò)圍巖的彈性極限后，圍巖進(jìn)入塑性變形階段。在塑性變形階段，圍巖的變形量顯著增加，且變形具有不可逆性。此時(shí)，圍巖內(nèi)部的巖石顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，巖石的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，產(chǎn)生塑性流動(dòng)。在頂板圍巖中，會(huì)出現(xiàn)裂隙的擴(kuò)展和連通，形成局部的破碎區(qū)；在底板圍巖中，可能會(huì)出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，導(dǎo)致底板向上隆起。在某急斜煤層巷道中，當(dāng)開(kāi)采深度增加后，巷道底板出現(xiàn)明顯的底鼓，經(jīng)測(cè)量底鼓量達(dá)到300-500mm，通過(guò)對(duì)底板巖石的微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，巖石顆粒之間的聯(lián)結(jié)被破壞，發(fā)生了塑性流動(dòng)。破裂失穩(wěn)階段：當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力繼續(xù)增大，超過(guò)圍巖的強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖進(jìn)入破裂失穩(wěn)階段。在這個(gè)階段，圍巖內(nèi)部的裂隙迅速擴(kuò)展和貫通，形成宏觀的破裂面，導(dǎo)致圍巖失去承載能力，發(fā)生垮落、滑落等失穩(wěn)現(xiàn)象。在頂板圍巖中，可能會(huì)出現(xiàn)大面積的垮落，對(duì)采煤工作面和巷道造成嚴(yán)重威脅；在底板圍巖中，可能會(huì)發(fā)生滑移破壞，影響巷道和采煤工作面的穩(wěn)定性。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，由于頂板巖石的強(qiáng)度較低，在開(kāi)采過(guò)程中頂板突然發(fā)生大面積垮落，垮落面積達(dá)到工作面面積的30%以上，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)垮落頂板的分析，發(fā)現(xiàn)頂板巖石中形成了多條宏觀破裂面。3.3.2影響因素分析急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖變形破壞受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，使得圍巖的變形破壞機(jī)制更加復(fù)雜。地質(zhì)條件：煤層傾角是影響圍巖變形破壞的重要地質(zhì)因素之一。煤層傾角越大，重力沿傾斜方向的分力越大，垂直于層面方向的分力越小，導(dǎo)致頂板巖層更容易發(fā)生滑落失穩(wěn)，底板巖層更容易發(fā)生滑移破壞。在傾角為60°以上的急斜煤層中，頂板垮落和底板滑移的事故發(fā)生率明顯高于傾角較小的煤層。巖石性質(zhì)：頂板和底板巖石的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性質(zhì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。頂板巖石強(qiáng)度較低時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力作用下容易發(fā)生破碎和垮落；底板巖石強(qiáng)度較低時(shí)，容易出現(xiàn)底鼓和滑移現(xiàn)象。如頂板為泥巖等軟巖時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，在開(kāi)采過(guò)程中容易發(fā)生垮落；底板為頁(yè)巖等軟巖時(shí)，其抗剪強(qiáng)度較低，容易發(fā)生滑移。地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的存在會(huì)改變圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，增加圍巖變形破壞的可能性。在斷層附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，圍巖容易發(fā)生破裂和垮落；褶曲構(gòu)造會(huì)使煤層的賦存狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致圍巖受力不均，增加了圍巖控制的難度。在某急斜煤層開(kāi)采區(qū)域，存在一條正斷層，在開(kāi)采過(guò)程中，靠近斷層的巷道圍巖變形量明顯增大，出現(xiàn)了嚴(yán)重的片幫和頂板垮落現(xiàn)象。開(kāi)采工藝：開(kāi)采方法的選擇對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響。不同的開(kāi)采方法，如水平分段放頂煤開(kāi)采、傾斜長(zhǎng)壁采煤法等，其采動(dòng)應(yīng)力的分布和傳遞規(guī)律不同，導(dǎo)致圍巖的變形破壞特征也有所差異。水平分段放頂煤開(kāi)采時(shí)，由于分段高度較大，頂板巖層的懸露面積和時(shí)間增加，更容易發(fā)生垮落。開(kāi)采順序：合理的開(kāi)采順序可以有效減少采動(dòng)應(yīng)力的疊加和集中，降低圍巖變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)。先開(kāi)采的煤層會(huì)對(duì)后開(kāi)采煤層的圍巖產(chǎn)生影響，如果開(kāi)采順序不合理，可能會(huì)導(dǎo)致后開(kāi)采煤層的圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，增加變形破壞的可能性。在多煤層急斜煤層群開(kāi)采中，如果先開(kāi)采下部煤層，可能會(huì)導(dǎo)致上部煤層的圍巖應(yīng)力集中，增加上部煤層開(kāi)采時(shí)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。支護(hù)方式：支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性直接影響著圍巖的變形和破壞程度。合理的支護(hù)方式可以有效地限制圍巖的變形，提高圍巖的穩(wěn)定性。如采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，錨桿可以提供錨固力，錨索可以提供較大的拉力，網(wǎng)片可以防止巖石碎塊的掉落，三者相互配合，能夠提高支護(hù)效果。如果支護(hù)強(qiáng)度不足或支護(hù)方式不合理，在圍巖變形較大時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會(huì)失效，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。在某急斜煤層巷道中，采用了普通的錨桿支護(hù)，由于支護(hù)強(qiáng)度不足，在開(kāi)采過(guò)程中，巷道圍巖變形量不斷增大，最終導(dǎo)致錨桿斷裂，巷道發(fā)生垮塌。四、急斜煤層大段高開(kāi)采圍巖控制技術(shù)與方法4.1支護(hù)技術(shù)4.1.1傳統(tǒng)支護(hù)方式及局限性在急斜煤層開(kāi)采的早期階段，錨桿支護(hù)作為一種常用的支護(hù)方式，被廣泛應(yīng)用于巷道和采煤工作面的圍巖控制。錨桿支護(hù)的工作原理是通過(guò)將錨桿錨固在圍巖中，利用錨桿的錨固力將圍巖與穩(wěn)定的巖體連接在一起，從而達(dá)到支護(hù)的目的。錨桿可以提供懸吊作用，將不穩(wěn)定的巖石層懸吊在穩(wěn)定的巖層上；還能起到組合梁作用，將多層巖石組合成一個(gè)整體，提高其承載能力；同時(shí)，錨桿的擠壓加固作用可以使圍巖中的巖石顆粒相互擠壓，增強(qiáng)圍巖的整體性。然而，在急斜煤層大段高開(kāi)采中，錨桿支護(hù)存在明顯的局限性。由于急斜煤層的特殊賦存條件，頂板巖層在重力沿傾斜方向分力的作用下，容易發(fā)生滑動(dòng)和垮落。錨桿的錨固力在抵抗這種沿傾斜方向的滑動(dòng)時(shí)，往往難以有效發(fā)揮作用。在傾角較大的急斜煤層巷道中，頂板巖石的下滑力較大，錨桿的錨固力無(wú)法平衡這一力量，導(dǎo)致錨桿失效，頂板出現(xiàn)垮落現(xiàn)象。急斜煤層的地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石的完整性較差，節(jié)理、裂隙發(fā)育，這使得錨桿的錨固效果受到影響。在破碎的巖石中，錨桿難以形成有效的錨固，容易出現(xiàn)松動(dòng)和脫落的情況。錨索支護(hù)也是一種傳統(tǒng)的支護(hù)方式，它利用錨索的高強(qiáng)度和高錨固力，對(duì)圍巖進(jìn)行深部錨固，以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。錨索通常采用高強(qiáng)度的鋼絞線制作，通過(guò)專用的錨固裝置將其固定在圍巖中，能夠承受較大的拉力。在急斜煤層大段高開(kāi)采中，錨索支護(hù)同樣面臨挑戰(zhàn)。急斜煤層頂板的變形和破壞形式復(fù)雜，除了垂直方向的下沉外，還存在沿傾斜方向的滑移和旋轉(zhuǎn)。錨索在抵抗這些復(fù)雜的變形時(shí)，其受力狀態(tài)復(fù)雜，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致錨索斷裂或失效。錨索的安裝和施工要求較高，在急斜煤層的復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工難度較大。由于煤層傾角大，巷道的坡度和形狀不規(guī)則，給錨索的定位和安裝帶來(lái)困難，影響了錨索的支護(hù)效果。此外，傳統(tǒng)的錨桿、錨索支護(hù)在面對(duì)急斜煤層大段高開(kāi)采中圍巖的大變形時(shí)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性不足，不能適應(yīng)圍巖的變形，容易導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。在圍巖變形較大時(shí)，錨桿、錨索的延伸率有限，無(wú)法跟隨圍巖的變形而伸長(zhǎng)，從而使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的壓力，最終導(dǎo)致支護(hù)失效。4.1.2新型支護(hù)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用為了克服傳統(tǒng)支護(hù)方式在急斜煤層大段高開(kāi)采中的局限性，近年來(lái)，新型支護(hù)技術(shù)不斷涌現(xiàn)并得到應(yīng)用。在支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，研發(fā)了自適應(yīng)可拉伸錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用特殊的設(shè)計(jì)，使錨桿和錨索在承受一定拉力時(shí)能夠發(fā)生拉伸變形，從而適應(yīng)圍巖的大變形。當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，錨桿錨索的拉伸變形可以吸收能量，緩解圍巖的壓力，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的突然破壞。在某急斜煤層大段高開(kāi)采巷道中，采用自適應(yīng)可拉伸錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)后，有效地控制了巷道圍巖的變形，減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)的損壞，提高了巷道的穩(wěn)定性。在材料方面，高強(qiáng)度、高韌性的支護(hù)材料得到廣泛應(yīng)用。如采用高強(qiáng)度的螺紋鋼制作錨桿，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比普通錨桿有顯著提高，能夠承受更大的荷載。新型的錨索材料采用高性能的合金鋼，其強(qiáng)度和韌性得到增強(qiáng)，提高了錨索的錨固效果和抗破壞能力。采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作支護(hù)構(gòu)件，這種材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作的支架，其重量比傳統(tǒng)的鋼支架減輕了30%，但承載能力卻提高了20%，同時(shí)耐腐蝕性能良好，延長(zhǎng)了支架的使用壽命。在支護(hù)方式上，聯(lián)合支護(hù)技術(shù)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)是一種常見(jiàn)的聯(lián)合支護(hù)方式，它將錨桿、錨索和金屬網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高支護(hù)效果。錨桿提供淺層錨固力，錨索提供深層錨固力，金屬網(wǎng)則可以防止巖石碎塊的掉落，增強(qiáng)圍巖的整體性。在某急斜煤層大段高開(kāi)采巷道中，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后，巷道圍巖的變形量明顯減小，頂板垮落和片幫現(xiàn)象得到有效控制。此外，注漿加固支護(hù)也是一種有效的聯(lián)合支護(hù)方式。通過(guò)向圍巖中注入漿液，使?jié){液滲透到巖石的裂隙中，填充裂隙，提高巖石的強(qiáng)度和整體性。在某急斜煤層大段高開(kāi)采區(qū)域，對(duì)破碎的頂板和底板進(jìn)行注漿加固支護(hù)，注漿后，頂板和底板巖石的強(qiáng)度提高了30%-50%，圍巖的穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)。4.2充填技術(shù)4.2.1充填材料選擇充填材料的選擇是急斜煤層大段高開(kāi)采充填技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能、適用性及優(yōu)缺點(diǎn)直接影響到充填效果和圍巖控制的成敗。常見(jiàn)的充填材料主要包括矸石、粉煤灰、膠結(jié)材料以及一些新型復(fù)合材料等。矸石作為一種常見(jiàn)的充填材料，具有來(lái)源廣泛、成本較低的顯著優(yōu)勢(shì)。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的矸石，將其用于充填采空區(qū)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物的資源化利用，減少矸石的堆積對(duì)環(huán)境造成的壓力，還能降低充填成本。在某急斜煤層大段高開(kāi)采礦井中，通過(guò)對(duì)周邊矸石資源的調(diào)研和分析，發(fā)現(xiàn)矸石的儲(chǔ)量豐富，能夠滿足該礦井長(zhǎng)期的充填需求。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的破碎和篩選處理后，矸石即可作為充填材料使用，有效降低了充填成本。矸石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較差，在充填過(guò)程中，難以保證充填體的均勻性和密實(shí)度。由于矸石的顆粒形狀和大小不一，在堆積過(guò)程中容易出現(xiàn)空隙，導(dǎo)致充填體的承載能力不足，無(wú)法有效地支撐圍巖。矸石的滲透性較大，在受到地下水或其他水源的影響時(shí)，容易發(fā)生淋濾現(xiàn)象，可能會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成污染。粉煤灰也是一種常用的充填材料，它是火力發(fā)電廠燃煤鍋爐排放的廢棄物。粉煤灰具有顆粒細(xì)小、活性較高的特點(diǎn)，在與適量的膠凝材料混合后，能夠形成具有一定強(qiáng)度的充填體。在某地區(qū)的急斜煤層大段高開(kāi)采中，充分利用附近火力發(fā)電廠產(chǎn)生的粉煤灰作為充填材料。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，確定了粉煤灰與水泥等膠凝材料的最佳配比，使得充填體的強(qiáng)度能夠滿足工程要求。粉煤灰的充填體具有較好的可塑性和流動(dòng)性，能夠較好地填充采空區(qū)的復(fù)雜空間，提高充填體與圍巖的接觸面積，增強(qiáng)充填效果。粉煤灰的使用還可以減少對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。粉煤灰的產(chǎn)量受到發(fā)電廠生產(chǎn)規(guī)模的限制，供應(yīng)穩(wěn)定性較差。在某些地區(qū)，如果發(fā)電廠的粉煤灰產(chǎn)量不足，可能無(wú)法滿足礦井大規(guī)模充填的需求。粉煤灰充填體的早期強(qiáng)度較低，需要一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，這可能會(huì)影響開(kāi)采進(jìn)度。膠結(jié)材料在充填技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)⑵渌涮畈牧夏z結(jié)成一個(gè)整體，提高充填體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。常用的膠結(jié)材料有水泥、石膏、石灰等。水泥是最常用的膠結(jié)材料之一，其具有凝結(jié)硬化快、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠使充填體在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的強(qiáng)度，有效地支撐圍巖。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，采用水泥作為膠結(jié)材料，與矸石、粉煤灰等混合制備充填材料。通過(guò)合理控制水泥的用量和配合比，使得充填體的強(qiáng)度滿足了工作面圍巖控制的要求，有效地減少了頂板的下沉和垮落。水泥的成本相對(duì)較高，大量使用會(huì)增加充填成本。在一些對(duì)成本控制較為嚴(yán)格的礦井中，過(guò)高的水泥用量可能會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的不合理。為了克服傳統(tǒng)充填材料的局限性，近年來(lái)，一些新型復(fù)合材料被研發(fā)并應(yīng)用于急斜煤層大段高開(kāi)采的充填中。例如，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它是在傳統(tǒng)充填材料中添加纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維等，以提高充填體的強(qiáng)度和韌性。在某急斜煤層大段高開(kāi)采的研究中，將玻璃纖維添加到矸石-水泥充填材料中，制備出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加玻璃纖維后的充填體，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了20%和30%，韌性也得到了顯著增強(qiáng)。這種復(fù)合材料能夠更好地適應(yīng)急斜煤層大段高開(kāi)采中復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，有效控制圍巖的變形和破壞。然而，新型復(fù)合材料的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，目前在實(shí)際應(yīng)用中還受到一定的限制。4.2.2充填工藝與效果分析常見(jiàn)的充填工藝主要包括自溜充填、機(jī)械充填、泵送充填等，每種工藝都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用條件，對(duì)圍巖控制和地表沉陷的控制效果也各不相同。自溜充填是一種較為簡(jiǎn)單的充填工藝，它主要利用矸石等充填材料在重力作用下能夠自動(dòng)下滑的特性，將充填材料從高處輸送到采空區(qū)進(jìn)行充填。在急斜煤層大段高開(kāi)采中，由于煤層傾角大，這為自溜充填提供了有利條件。在某急斜煤層大段高開(kāi)采礦井中，通過(guò)在采空區(qū)上方設(shè)置矸石溜槽，將矸石從地面或井下矸石堆放點(diǎn)經(jīng)溜槽直接輸送到采空區(qū)。這種充填工藝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，不需要復(fù)雜的輸送設(shè)備和動(dòng)力系統(tǒng)。自溜充填能夠充分利用自然條件，減少能源消耗。自溜充填的充填效率相對(duì)較低，難以保證充填體的均勻性和密實(shí)度。由于充填材料是依靠重力下滑，在充填過(guò)程中容易出現(xiàn)堆積不均勻的情況，導(dǎo)致采空區(qū)部分區(qū)域充填不足，影響圍巖控制效果。自溜充填對(duì)充填材料的粒度和形狀有一定要求，較大的顆?；虿灰?guī)則形狀的材料可能會(huì)導(dǎo)致溜槽堵塞，影響充填作業(yè)的正常進(jìn)行。機(jī)械充填是利用機(jī)械設(shè)備將充填材料輸送到采空區(qū)進(jìn)行充填的工藝。常用的機(jī)械設(shè)備有刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、拋?lái)窓C(jī)等。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，采用刮板輸送機(jī)將矸石從矸石堆放點(diǎn)輸送到采空區(qū)，然后利用拋?lái)窓C(jī)將矸石均勻地拋撒在采空區(qū)內(nèi)。機(jī)械充填的優(yōu)點(diǎn)是充填效率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)充填作業(yè)，提高了充填速度。機(jī)械充填可以根據(jù)采空區(qū)的形狀和大小，靈活調(diào)整充填材料的輸送和分布，保證充填體的均勻性和密實(shí)度。然而，機(jī)械充填設(shè)備投資較大，需要配備專門的輸送和充填設(shè)備，增加了設(shè)備購(gòu)置和維護(hù)成本。機(jī)械充填對(duì)作業(yè)空間和環(huán)境要求較高，在急斜煤層大段高開(kāi)采中，由于巷道坡度大、空間狹窄，可能會(huì)限制機(jī)械充填設(shè)備的使用。泵送充填是將充填材料制備成漿體，通過(guò)泵送設(shè)備經(jīng)管道輸送到采空區(qū)進(jìn)行充填的工藝。泵送充填適用于各種充填材料，尤其是對(duì)于一些細(xì)顆粒的充填材料，如粉煤灰、尾砂等，具有良好的輸送效果。在某急斜煤層大段高開(kāi)采礦井中，采用泵送充填工藝，將粉煤灰、水泥和水按照一定比例混合制備成充填漿體，通過(guò)高壓泵送設(shè)備經(jīng)管道輸送到采空區(qū)。泵送充填的優(yōu)點(diǎn)是充填材料輸送距離遠(yuǎn)、充填效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的充填作業(yè)。泵送充填可以實(shí)現(xiàn)充填過(guò)程的自動(dòng)化控制，提高了充填作業(yè)的精度和可靠性。泵送充填對(duì)充填材料的粒度和流動(dòng)性要求較高，需要對(duì)充填材料進(jìn)行預(yù)處理，增加了充填工藝的復(fù)雜性。泵送充填設(shè)備和管道的磨損較大，需要定期更換和維護(hù)，增加了運(yùn)營(yíng)成本。不同充填工藝對(duì)圍巖控制和地表沉陷的控制效果存在差異。自溜充填由于充填體的均勻性和密實(shí)度較差，對(duì)圍巖的支撐作用相對(duì)較弱，在控制圍巖變形和地表沉陷方面的效果有限。機(jī)械充填能夠保證充填體的均勻性和密實(shí)度，對(duì)圍巖的支撐作用較好，能夠有效控制圍巖的變形和地表沉陷。泵送充填由于能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的充填作業(yè)，且充填體的質(zhì)量可控，在控制圍巖變形和地表沉陷方面具有較好的效果。在某急斜煤層大段高開(kāi)采區(qū)域，通過(guò)對(duì)采用不同充填工藝的工作面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)采用機(jī)械充填和泵送充填的工作面，其頂板下沉量和地表沉陷量明顯小于采用自溜充填的工作面。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、開(kāi)采要求和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的充填工藝，以達(dá)到最佳的圍巖控制和地表沉陷控制效果。4.3開(kāi)采順序與方法優(yōu)化4.3.1合理開(kāi)采順序確定開(kāi)采順序?qū)毙泵簩哟蠖胃唛_(kāi)采圍巖穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。不同的開(kāi)采順序會(huì)導(dǎo)致采動(dòng)應(yīng)力在圍巖中的分布和傳遞方式不同，進(jìn)而影響圍巖的變形和破壞程度。在確定合理開(kāi)采順序時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素，包括煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖力學(xué)性質(zhì)以及開(kāi)采工藝等。對(duì)于急斜煤層群的開(kāi)采，上行式開(kāi)采和下行式開(kāi)采是兩種常見(jiàn)的開(kāi)采順序。下行式開(kāi)采是指先開(kāi)采上部煤層，再依次向下開(kāi)采下部煤層。這種開(kāi)采順序的優(yōu)點(diǎn)是上部煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)可以為下部煤層開(kāi)采提供一定的卸壓作用，降低下部煤層開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力集中程度。在某急斜煤層群開(kāi)采中，采用下行式開(kāi)采，上部煤層開(kāi)采后，下部煤層開(kāi)采時(shí)的頂板壓力明顯降低，圍巖變形量減小。下行式開(kāi)采也存在一些缺點(diǎn)，上部煤層開(kāi)采后，采空區(qū)的垮落和變形可能會(huì)對(duì)下部煤層的開(kāi)采造成一定的影響，增加了開(kāi)采的難度和風(fēng)險(xiǎn)。上行式開(kāi)采則是先開(kāi)采下部煤層，再向上開(kāi)采上部煤層。這種開(kāi)采順序的優(yōu)點(diǎn)是可以避免上部煤層開(kāi)采對(duì)下部煤層的影響，有利于下部煤層的安全開(kāi)采。在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的急斜煤層群中，采用上行式開(kāi)采可以有效地減少開(kāi)采過(guò)程中的安全隱患。然而，上行式開(kāi)采也需要注意一些問(wèn)題，由于下部煤層開(kāi)采后，上覆巖層的應(yīng)力重新分布，可能會(huì)導(dǎo)致上部煤層開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，對(duì)上部煤層的圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。除了考慮煤層群的開(kāi)采順序外，在同一煤層的大段高開(kāi)采中，也需要合理確定開(kāi)采順序。對(duì)于分段開(kāi)采的急斜煤層，采用由下向上的分段開(kāi)采順序可以利用重力作用，使采下的煤巖自動(dòng)下滑，便于運(yùn)輸和充填。在某急斜煤層大段高開(kāi)采中，采用由下向上的分段開(kāi)采順序，煤巖的運(yùn)輸效率得到了提高，同時(shí)也減少了對(duì)頂板的擾動(dòng)，有利于頂板的控制。由上向下的分段開(kāi)采順序則可以在一定程度上減少下部煤層開(kāi)采時(shí)的頂板壓力，降低頂板垮落的風(fēng)險(xiǎn)。為了確定最優(yōu)的開(kāi)采順序，采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法。利用FLAC3D等數(shù)值模擬軟件，建立急斜煤層大段高開(kāi)采的三維數(shù)值模型，模擬不同開(kāi)采順序下圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況以及變形和破壞過(guò)程。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，對(duì)比不同開(kāi)采順序下圍巖的穩(wěn)定性指標(biāo)，如頂板下沉量、巷道收斂變形量、圍巖塑性區(qū)范圍等，從而確定出合理的開(kāi)采順序。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工程中，通過(guò)數(shù)值模擬分析，對(duì)比了上行式開(kāi)采和下行式開(kāi)采兩種順序下圍巖的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，在該地質(zhì)條件下，下行式開(kāi)采順序下圍巖的穩(wěn)定性更好，因此最終確定采用下行式開(kāi)采順序。同時(shí)，結(jié)合巖石力學(xué)理論和礦山壓力理論，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行理論分析，進(jìn)一步驗(yàn)證開(kāi)采順序的合理性。4.3.2開(kāi)采方法適應(yīng)性研究不同的開(kāi)采方法在急斜煤層大段高開(kāi)采中具有不同的適應(yīng)性，其對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響也各不相同。目前，常見(jiàn)的急斜煤層大段高開(kāi)采方法主要有水平分段放頂煤開(kāi)采法、偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法、傾斜長(zhǎng)壁采煤法等。水平分段放頂煤開(kāi)采法是將急斜煤層沿走向劃分成若干個(gè)分段，在每個(gè)分段內(nèi)，先采出底部的煤，然后放落頂部的煤。這種開(kāi)采方法具有開(kāi)采效率高、巷道掘進(jìn)量少等優(yōu)點(diǎn)，在急傾斜特厚煤層開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在水平分段放頂煤開(kāi)采過(guò)程中，由于分段高度較大，頂板巖層的懸露面積和時(shí)間增加，容易導(dǎo)致頂板垮落。在新疆烏魯木齊礦區(qū)的急斜煤層大段高開(kāi)采中，采用水平分段放頂煤開(kāi)采法，當(dāng)分段高度達(dá)到30m時(shí)，頂板垮落事故頻繁發(fā)生。因此，在采用該方法時(shí)，需要加強(qiáng)頂板支護(hù)和管理，合理控制放煤工藝，以確保圍巖的穩(wěn)定性。偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法是在急斜煤層中布置偽傾斜的掩護(hù)支架，將采空區(qū)與采煤工作空間隔開(kāi)，采煤工作在掩護(hù)支架的保護(hù)下進(jìn)行。該方法適用于煤層厚度較穩(wěn)定、頂?shù)装遢^平整的急斜煤層。在某急斜煤層開(kāi)采中，采用偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法，有效地避免了頂板垮落和煤巖塊下滑對(duì)人員和設(shè)備的傷害，提高了開(kāi)采的安全性。由于掩護(hù)支架的安裝和拆除工作較為復(fù)雜，對(duì)開(kāi)采工藝要求較高，且該方法對(duì)煤層地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對(duì)較弱，在煤層厚度變化較大或頂?shù)装宀黄秸那闆r下，應(yīng)用受到一定限制。傾斜長(zhǎng)壁采煤法是將工作面布置成與煤層走向成一定角度的傾斜狀態(tài)，采煤工作沿傾斜方向推進(jìn)。這種開(kāi)采方法具有采煤工作面長(zhǎng)度大、生產(chǎn)能力高、巷道系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在某急斜煤層大段高開(kāi)采中，采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，通過(guò)優(yōu)化工作面布置和采煤工藝，提高了開(kāi)采效率和資源回收率。傾斜長(zhǎng)壁采煤法對(duì)設(shè)備的適應(yīng)性要求較高，需要選用適合大傾角開(kāi)采的采煤設(shè)備，且在開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層傾角大，設(shè)備的穩(wěn)定性和防滑問(wèn)題較為突出，需要采取有效的防滑措施。為了研究不同開(kāi)采方法在急斜煤層大段高開(kāi)采中的適應(yīng)性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行分析。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，選擇不同開(kāi)采方法的急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，布置監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的變形、支架的工作阻力等參數(shù)，分析不同開(kāi)采方法下圍巖的穩(wěn)定性和礦壓顯現(xiàn)特征。在某急斜煤層大段高開(kāi)采工作面，采用水平分段放頂煤開(kāi)采法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板下沉量和支架工作阻力隨開(kāi)采時(shí)間的增加而逐漸增大，在放煤過(guò)程中，頂板下沉量會(huì)出現(xiàn)突然增大的情況。利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同開(kāi)采方法進(jìn)行模擬分析，對(duì)比不同開(kāi)采方法下圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況以及變形和破壞趨勢(shì)，評(píng)估不同開(kāi)采方法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同的地質(zhì)條件下，傾斜長(zhǎng)壁采煤法下圍巖的塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，說(shuō)明該方法對(duì)圍巖的破壞程度相對(duì)較小。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件制作相似材料模型，模擬不同開(kāi)采方法的開(kāi)采過(guò)程，觀察模型的變形和破壞情況，驗(yàn)證數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果。通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，直觀地觀察到了不同開(kāi)采方法下頂板的垮落形式和底板的變形情況，為開(kāi)采方法的選擇提供了重要依據(jù)。五、案例分析5.1工程背景介紹本次案例分析選取新疆烏魯木齊礦區(qū)某急斜煤層大段高開(kāi)采礦井作為研究對(duì)象。該礦區(qū)開(kāi)采煤層為中侏羅統(tǒng)西山窯組（J?x），煤層賦存條件復(fù)雜，具有典型的急斜煤層特征。該煤層共含煤33層，其中可采27層，可采總厚度在120-135m之間，屬于特厚煤層。煤層走向?yàn)?2-65°，傾向322-335°，傾角高達(dá)63-88°，平均傾角約75°，屬于急斜煤層。在地質(zhì)構(gòu)造方面，該區(qū)域受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，斷層和褶曲較為發(fā)育。經(jīng)地質(zhì)勘探查明，礦區(qū)內(nèi)存在多條正斷層和逆斷層，斷層落差在5-30m不等，這對(duì)煤層的連續(xù)性和穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重破壞。褶曲構(gòu)造使得煤層的形態(tài)發(fā)生變化，部分區(qū)域煤層出現(xiàn)扭曲和起伏，增加了開(kāi)采難度。該礦井目前采用水平分段放頂煤開(kāi)采方法，這是礦區(qū)當(dāng)前唯一采用的開(kāi)采方法。2007年7月，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局特批該礦區(qū)急斜特厚煤層采用水平分段綜采放頂煤開(kāi)采時(shí)，采放比最大不超過(guò)1:8。目前，該礦井計(jì)劃在工作面原分段高度（基本在18m左右）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將段高提至22-30m，以提高開(kāi)采效率。隨著開(kāi)采深度的增加，目前部分區(qū)域的開(kāi)采深度已達(dá)到500-800m，地應(yīng)力明顯增大。在大段高開(kāi)采過(guò)程中，其上方槽形采空區(qū)域?qū)⒂蓢鷰r破壞后的巖石垮落體與地表黃土體所充填。在開(kāi)采過(guò)程中，該礦井面臨著諸多問(wèn)題。由于煤層傾角大，頂板巖層在重力作用下容易發(fā)生垮落和滑落，頂板控制難度極大。在以往的開(kāi)采中，多次出現(xiàn)頂板垮落事故，造成了設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷。底板巖層也容易出現(xiàn)滑移和底鼓現(xiàn)象，影響巷道的穩(wěn)定性和正常使用。隨著開(kāi)采深度的增加，地應(yīng)力增大，礦壓顯現(xiàn)規(guī)律變得更加復(fù)雜，給支護(hù)設(shè)計(jì)和圍巖控制帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。瓦斯含量較高，部分區(qū)域瓦斯涌出量達(dá)到5-10m3/min，瓦斯治理工作也成為礦井安全生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。5.2圍巖控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)施針對(duì)該礦井急斜煤層大段高開(kāi)采面臨的圍巖控制難題，設(shè)計(jì)了一套綜合的圍巖控制方案，并嚴(yán)格按照方案實(shí)施，以確保開(kāi)采的安全和高效。在支護(hù)技術(shù)方面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)與注漿加固相結(jié)合的方式。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，首先進(jìn)行錨桿支護(hù)。選用高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿，直徑為22mm，長(zhǎng)度為2.5m，間排距為800mm×800mm。錨桿的錨固力不小于100kN，通過(guò)樹(shù)脂錨固劑將錨桿牢固地錨固在圍巖中，提供初始的錨固力，防止圍巖表面的松動(dòng)和剝落。在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。金屬網(wǎng)采用φ6mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格尺寸為100mm×100mm，能夠有效地防止巖石碎塊的掉落，增強(qiáng)圍巖的整體性。隨后，安裝錨索。錨索采用1×7股的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，直徑為17.8mm，長(zhǎng)度根據(jù)巷道的具體情況確定，一般為6-8m。錨索的錨固力不小于200kN，通過(guò)錨索將深部的穩(wěn)定巖層與巷道圍巖連接在一起，提高圍巖的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高圍巖的強(qiáng)度和整體性，采用注漿加固技術(shù)。選用水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水玻璃的濃度為35-40Be’，模數(shù)為2.4-3.0。注漿壓力控制在2-4MPa，通過(guò)注漿將漿液注入到圍巖的裂隙中，填充裂隙，膠結(jié)破碎的巖石，提高圍巖的強(qiáng)度和粘結(jié)力。在某巷道中，注漿加固后，圍巖的抗壓強(qiáng)度提高了30%-50%，巷道的變形量明顯減小。在充填技術(shù)方面，考慮到該礦井周邊矸石資源豐富，決定采用矸石作為主要充填材料。在采空區(qū)上方設(shè)置矸石溜槽，利用矸石在重力作用下自動(dòng)下滑的特性，將矸石從地面或井下矸石堆放點(diǎn)經(jīng)溜槽輸送到采空區(qū)進(jìn)行自溜充填。為了提高充填體的密實(shí)度，在充填過(guò)程中，采用振動(dòng)設(shè)備對(duì)矸石進(jìn)行振搗，使矸石堆積更加緊密。在某采空區(qū)，經(jīng)過(guò)振搗后，充填體的密實(shí)度達(dá)到了85%以上，有效地支撐了頂板，減少了頂板的下沉和垮落。在開(kāi)采順序與方法優(yōu)化方面，通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析，確定采用下行式開(kāi)采順序。先開(kāi)采上部煤層，利用上部煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)為下部煤層開(kāi)采提供卸壓作用，降低下部煤層開(kāi)采時(shí)的應(yīng)力集中程度。在同一煤層的大段高開(kāi)采中，采用由下向上的分段開(kāi)采順序，利用重力作用使采下的煤巖自動(dòng)下滑，便于運(yùn)輸和充填。在開(kāi)采方法上，對(duì)現(xiàn)有的水平分段放頂煤開(kāi)采方法進(jìn)行優(yōu)化。合理控制放煤工藝，采用多輪順序放煤方式，每次放煤量控制在一定范圍內(nèi)，避免頂板突然垮落。加強(qiáng)對(duì)放煤過(guò)程的監(jiān)測(cè)，通過(guò)安裝在支架上的壓力傳感器和頂板位移監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板的壓力和位移變化，及時(shí)調(diào)整放煤參數(shù)。在某工作面，優(yōu)化放煤工藝后，頂板垮落事故明顯減少，煤炭回收率提高了5%-8%。5.3實(shí)施效果監(jiān)測(cè)與分析為了全面評(píng)估圍巖控制方案的實(shí)施效果，在該礦井的多個(gè)采煤工作面和巷道內(nèi)布置了一系列監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在支護(hù)效果監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)安裝在錨桿、錨索和支架上的壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)與注漿加固相結(jié)合的方式后，錨桿的錨固力保持在80-100kN之間，錨索的錨固力保持在180-200kN之間，支架的工作阻力也在合理范圍內(nèi)。巷道圍巖的變形得到了有效控制，頂板下沉量和巷道收斂變形量明顯減小。在某巷道中，實(shí)施控制方案前，頂板下沉量每月可達(dá)200-300mm，巷道收斂變形量每月可達(dá)150-200mm；實(shí)施控制方案后，頂板下沉量每月控制在50-80mm，巷道收斂變形量每月控制在30-50mm，支護(hù)效果顯著。在充填效果監(jiān)測(cè)方面，利用全站儀和水準(zhǔn)儀對(duì)充填體的高度和密實(shí)度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，采用矸石自溜充填并結(jié)合振搗措施后，充填體的密實(shí)度達(dá)到了85%以上，能夠有效地支撐頂板。通過(guò)對(duì)充填體的力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)充填體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了5-8MPa，滿足了采空區(qū)支護(hù)的要求。在某采空區(qū)，充填后頂板的下沉量明顯減小，由充填前的每月150-200mm減小到充填后的每月30-50m