伍永平1，2，皇甫靖宇1，解盘石1，2，胡博胜1，刘孔智1，3
(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; 3.重庆能源(贵州)煤电有限公司，贵州 毕节 551700)
摘 要:为了实现大范围岩层控制技术，提高大倾角煤层长壁工作面“R-S-F”系统稳定性，在分析区段采空区围岩失稳机制的基础上，建立区段间围岩失稳模型，研究了区段煤柱的应力分布规律和失稳破坏准则，确定了区段煤柱的合理尺寸。结果表明:大倾角煤层区段围岩联通运移可总结为“挤压-弯垮”与“压垮-倾倒”两种模式。而要实现大范围岩层控制技术，应使区段采空区围岩以“压垮-倾倒”模式进行失稳联通。覆岩结构以“梁-拱组合梁”形式存在时，区段煤柱强度决定了区段采空区的联通运移模式，以“双拱连续梁”形式存在时，区段煤柱尺寸决定了“压垮-倾倒”联通运移模式的矿压显现特征及变形破坏后的采空区三维空间形态。因而大范围岩层控制技术的关键在于区段煤柱的设计。结合区段煤柱自身强度及失稳破坏准则，确定其宽度k须在满足k>kZH条件的同时尽量满足k<kSK。最后以甘肃东峡煤矿大倾角煤层多区段开采为例，进行理论计算判定与相似模拟实验对比分析，从而对提出的区段煤柱失稳机理进行了验证。
关键词:大倾角煤层;区段大范围岩层控制;区段煤柱;稳定性
中图分类号:TD323
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3062-10
WU Yongping1,2，HUANGFU Jingyu1，XIE Panshi1,2，HU Bosheng1，LIU Kongzhi1,3
(1.School of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Key Laboratory of Western Mines and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China; 3.Chongqing Energy (Guizhou) Coal Co.,Ltd.,Bijie 551700，China)
Abstract:In order to achieve the technology for a large-scale ground control between sections and improve the stability of steeply dipping seam longwall face “Roof-Support-Floor” system,based on the analysis on the section of gob surrounding rock instability mechanism,this paper established an inter section rock instability model,researched the stress distribution law and instability criterion of the section coal pillar,and determined the rea-sonable size of the section coal pillar.The results show that the steeply dipping seam section of surrounding rock movement can be summarized as two modes of “extrusion-bend down” and “crush-dumping”.In order to realize this technology,the surrounding rock of the gob will lose stability in a “crush-dumping” mode.When the overburden structure exists in the form of “beam arch combined beam”,the strength of the section coal pillar determines the movement mode of the surrounding rock in the gob section.When the overburden structure is in the form of “double arch continuous beam”,the size of section pillar determines the pressure behavior characteristics of the “crush-dumping” mode and the gob’s three-dimensional spatial form after the deformation and failure.Thus the key of this technology lies in the design of the section coal pillar.According to the strength and instability criterion of the section coal pillar,it is determined that the width of k must satisfy the k>kZH condition and meet the k>kSK condition as much as possible.In a case study at the multi-section mining of steeply dipping seam in Gansu DONGXIA coal mine,the comparative analysis of the theoretical calculation and similar simulation experiment was carried out,and the mechanism of the pillar instability was verified.
Key words:steeply dipping seam;large-scale ground control between sections;Section coal pillar;stability
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伍永平，皇甫靖宇，解盘石，等.基于大范围岩层控制技术的大倾角煤层区段煤柱失稳机理[J].煤炭学报,2018,43(11):3062-3071.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1809
WU Yongping，HUANGFU Jingyu，XIE Panshi，et al.Mechanism of instability of section coal pillar in steeply dipping seam based on large-scale strata control technology[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3062-3071.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.1809
收稿日期:2017-12-21
修回日期:2018-04-19
责任编辑:郭晓炜
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(51634007);国家自然科学基金资助项目(51774230)
作者简介:伍永平(1962—)，男，陕西汉中人，教授，博士生导师，博士。E-mail:wuyp@xust.edu.cn
通讯作者:皇甫靖宇(1993—)，男，陕西白水人，硕士研究生。E-mail:2676349112@qq.com
大倾角煤层指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是采矿界公认的难采煤层[1]。大倾角煤层多区段开采时，上区段回采结束后形成下部密实充填、中部部分充填、上部悬空特性的采空区。进行下区段开采时，重复开采扰动下区段煤柱可能发生破坏，上区段垮落矸石及高位岩层会向下区段采空区运移充填，将下区段工作面非均匀充填区和悬空区域上移，扩大了下区段采空区充填范围，形成了“大工作面”。基于此，有学者提出了大倾角煤层区段大范围岩层控制(Large-scale Ground Control between Sections,LGCS)概念[2]，即在多区段工作面开采过程中，弱化区段煤柱的作用，使上区段经历采动的覆岩与垮落岩体参与到下区段工作面的岩层运动。LSCS有利于提高大倾角煤层“顶板(Roof)-支架(Support)-底板(Floor)”(R-S-F)系统的完整性和稳定性[1];同时瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体会向“大工作面”的上部悬空区转移，使下区段生产环境得到改善，利于安全回采[3]。
为了在大倾角煤层长壁开采工作面中成功实现LGCS技术，提高工作面“R-S-F”系统稳定性和改善工作面生产环境。必须掌握多区段开采时区段间围岩失稳机制，为大倾角煤层LGCS技术的工程应用提供理论依据。而分隔两区段采空区的区段煤柱，不仅对区段间围岩失稳联通具有直接意义，也影响着围岩破坏运移后的三维空间形态。国内学者也对相关问题进行了研究，如高玮[4-6]研究了条带煤柱稳定性与煤层倾角及岩体层面效应的关系，魏峰远[7]总结出了煤层埋藏、工作面采高及煤层倾角等对煤柱稳定性的影响，李小军[8]探讨了倾角变化对采场区段煤柱内应力分布的影响，屠洪盛[9]分析了区段煤柱处于不同倾角、不同宽度情况下区段煤柱的破坏特征和煤柱周围应力分布规律。但这些研究均未研究区段煤柱与区段间围岩失稳机制的影响关系。因此，本文着重的从大倾角煤层长壁工作面区段间围岩失稳机制入手，研究了区段煤柱的失稳机制，并基于以上进行了模型试验验证。为LGCS技术的工程应用以及大倾角煤层长壁工作面“支架-围岩”系统稳定性控制提供一种新的、科学的方法。
要实现大倾角煤层LGCS技术需要考虑两方面因素：一是相邻区段工作面采空区围岩的失稳联通方式的控制；二是采空区围岩破坏运移后的三维空间形态。前者是大范围岩层控制实施的基础，后者影响联通后上区段垮落矸石对下区段采空区的充填效果。通常区段间围岩失稳机制决定了围岩联通运移模式，围岩联通运移模式决定了围岩破坏运移后的三维空间形态。
相邻区段采场围岩的联通运移是一个复杂的过程，围岩结构应力状态与其自身的强度决定了结构首先破坏的所在位置与之后的运动形式及其整体的变形破坏分布。相邻区段采空区围岩结构如图1，2所示，可分为3个区域，即上区段采空区、区段煤柱区域和下区段采空区。
图1 下区段未周期来压时围空间结构
Fig.1 Spatial structure of surrounding rock when the lower section is not periodic weighting
图2 下区段周期来压后围空间结构
Fig.2 Spatial structure of the surrounding rock after the periodic weighting of the lower section
由于上区段采空区围岩结构在经历采动作用后已趋于稳定，且不受下区段工作面采动的直接影响，因此上区段采空区不会首先发生破坏，而区段煤柱区域或下区段采空区两者之一会首先破坏。根据围岩首先破坏区域发生的不同位置，综合围岩联通运移的时空逻辑，考虑首先破坏区位置对围岩失稳联通和破坏运移后三维空间形态的影响，可根据区段采空区围岩联通运移的过程，将区段间围岩联通运移总结为两种模式。
第1种是区段煤柱区域首先破坏时的围岩“挤压-弯垮”联通运移模式。即随下区段工作面回采，围岩应力状态改变，区段煤柱区域首先破坏失稳，导致煤柱上部岩层(图3中蓝线岩体)向底板方向运动挤压下区段采空区顶板覆岩产生破坏，区段围岩整体失稳，两区段采空区联通。从岩层控制理论的角度分析，“挤压-弯垮”联通运移模式的实质是下区段采空区顶板还未达到走向方向极限状态(未发生周期垮落)，区段煤柱区域便发生失稳，如图1所示。
第2种是下区段采空区首先破坏时，区段间围岩将发生“压垮-倾倒”联通运移模式。这种模式中的围岩运移过程如下:首先是回采后，下区段采空区基本顶垮落，形成特殊的覆岩空间“壳体结构”，此时上区段采空区覆岩结构近似于沿走向无变化的柱壳，如图2所示。然后区段煤柱区域或上下区段采空区覆岩空间结构发生失稳破坏，煤柱上部岩层沿煤层倾向向下运移，两区段采场围岩整体失稳，采空区联通。此模式实质是下区段采空区顶板首先发生周期垮落，形成新区段覆岩结构。区段煤柱区域或上下区段采空区覆岩空间结构在新区段覆岩结构状态下发生的失稳。
1.2.1 “挤压-弯垮”失稳模式
“挤压-弯垮”联通运移模式中，由于区段煤柱区域首先破坏，使下区段顶板岩层受挤压被动破断，无法形成稳定的单跨梁板结构。因而下区段顶板上方岩层未经历应力集中，岩体内部损伤发育不足，无法充分破断，故形成高位残余顶板结构(图3中绿线岩体)。同时，高位残余顶板结构的存在也导致覆岩应力无法充分向下方岩体传递，下区段采空区靠近工作面区域顶板不能充分破断，形成下部残余结构(图3中红线岩体)并承担部分荷载，使垮落体不能进行充分的滑移，充填状态无序化，令倾向各区域“R-S-F”系统完整性和稳定性更为混乱，充填效果不理想，如图3所示。
图3 “挤压-弯垮”失稳模式空间结构
Fig.3 Spatial structure diagram of “extrusion-bend down” instability mode
“挤压-弯垮”联通运移模式中这种高位与下部残余结构可能会形成无法预测时间与强度的大规模二次破断与二次充填，影响工作面支架上方顶板的力学状态，对回采工作造成危害。且这种二次破断充填的随机性，无法进行精准的预管理。故在大倾角煤层LGCS技术中应加以避免。
1.2.2 “压垮-倾倒”失稳模式
“压垮-倾倒”围岩失稳模式中，由于围岩运移分为两个阶段，采场相应的会经历两次矿压显现，对工作面的支架“R-S-F”系统产生两次影响。但因两次矿压显现的间隔时间由第2阶段的覆岩结构状态(即下文中的“双拱连续梁”覆岩结构)下的岩层层位的力学状态及强度决定(当其强度不能够承受应力状态时，第2阶段的围岩运移会立即开始;当其强度能够承受应力状态时，覆岩须经一段时间发生流变效应后，其强度不能承受应力状态时，才发生第2阶段的围岩运移)，故可通过对煤柱区域强度的控制实现对间隔时间的控制。
“压垮-倾倒”失稳模式因首先发生下区段顶板覆岩的周期来压，故下区段顶板岩层能够得到充分破断，在失稳联通后不易形成大规模的残余结构，因而不会产生残余结构的二次破断充填。所以此模式下的区段工作面充填效果优于“挤压-弯垮”失稳运动模式。
以上分析可知，“压垮-倾倒”失稳模式更有助于改善大倾角煤层长壁工作面“R-S-F”系统完整性和稳定性。因而在大倾角煤层LSCS技术中，应使区段采空区围岩以“压垮-倾倒”联通模式发生失稳联通。
“压垮-倾倒”联通运移模式中采空区覆岩会经历两种结构状态，一是“梁-拱组合梁”覆岩结构，如图4(a)所示，下区段工作面基本顶未来压破断形成一端固支的单垮梁结构，同时上区段采空区覆岩结构在倾向方向上呈非对称拱形[10]，两者组成两跨梁拱组合梁结构。随工作面的推进，若区段煤柱区域首先发生失稳，则围岩以“挤压-弯垮”联通运移模式进行失稳联通;若下区段基本顶首先发生破坏，则围岩以“压垮-倾倒”联通运移模式进行失稳联通。二是“双拱连续梁”覆岩结构，如图8(a)所示，当下区段工作面周期来压后，下区段采空区的覆岩空间“壳体结构”与上区段采空区空间非对称柱壳覆岩结构在倾向方向上形成了由两个非对称拱组成的两跨连续梁结构。
2.1.1 模型建立
在采空区距工作面约半个来压步距处(图1中T1截面，此处受前方煤壁及后方“大工作面”影响最小)，沿走向取单位宽度建立“梁-拱组合梁”覆岩结构模型并进行分析。建立如图4(b)所示的双跨梁ABCD模型。其中，下区段工作面A处为固定支座，B处为单铰支座，BCD段为倾向应力拱。煤层倾角为α，煤层厚度为h，上下区段工作面长度为L1和L2，设下区段基本顶厚度为A，弹性模量为E，惯性矩为I。两区段工作面上下煤柱塑性区宽度分别为ks1,ks2和kx1，kx2，区段煤柱弹性区宽度为k3，区段煤柱宽度为弹性区宽度k3加两侧塑性区宽度ks2，kx1。以B点为坐标原点，水平向右为x轴，垂直向上为y轴，建立坐标系Bxy。
由于相邻两工作面长度在垂直方向的投影远小于煤层埋深，因此将覆岩荷载简化为均布荷载q。上区段工作面垮落矸石充填区域为BCEXNB，休止角为β，并根据其非均匀充填特征，假设其对BC段的作用满足三角形载荷分布特征，即
(1)
其中PA为常量，设半拱BC段及CD段的轴线方程为
y1=y1(x),0≤x≤a
(2)
y2=y2(x),a≤x≤b
(3)
下区段采空区基本顶下部被直接顶垮落滑移矸石填充，并沿倾斜方向向上堆积逐渐松散[11-12]。故将矸石对顶板荷载简化为沿倾向法线向上的三角形分布，设充填区域倾向长度为Ls，矸石支撑力按照密实程度不同取上覆岩层载荷的0.4倍，即
(4)
图4 “梁-拱组合梁”覆岩结构模型
Fig.4 Overburden structure model of “beam arch combined beam”
2.1.2 区段煤柱处约束力求解
双跨梁ABCD为超静定结构，使用结构力学中的力法进行求解[13]，取隔离体如图5所示。对BCD段建立平衡方程，求出AB段对BCD段空间壳体结的约束力FBx1，FBy1以及上区段上部拱脚D处的约束力FDx，FDy[14]为
(5)
(6)
(7)
图5 “梁-拱组合梁”结构隔离体
Fig.5 Isolation body of “beam arch combined beam” structure
其中未知量a,f大小可由式(8)～(15)联立求得，式中φ，c0为区段煤柱的内摩擦角和黏聚力。
y1(x)=x{PA[a2(2c+f)-bfx2-3a2(bf+cx)+
ax(3bf+cx)]+3aq[acx-a2c+bf(b-x)]}/
[a2(a-b)(aPA-3bq)]
(8)
y2(x)={a2PA(ac-bf-cx+fx)+3xq
[acx-a2c+bf(b-x)]}/[a2(a-b)(aPA-3bq)]
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(λ-1)
y1dx+λ(
y2dx-SABQ)+
SMNT-SCDQT+SMXQT=0
(14)
FAx=FAytan φ+c0
(15)
下区段基本顶暨隔离体AB段受力情况如图6所示，FBx1，FBy1与FBx2，FBy2互为反力。将铰支座B去除，代以多余未知力X1，X2，建立力法的典型方程
(16)
图6 AB段基本体系
Fig.6 Primary frame of AB segment
根据图乘法求得各项系数和自由项。可求得X1，X2,即为煤柱对覆岩的约束力FBy3，FBx3。
(17)
FBx3=X2=-FBy2sin α-FBx2cos α-
(18)
2.1.3 区段煤柱应力状态
根据大倾角煤层LGCS技术的要求，在此种覆岩结构下，煤柱强度应当足够承担所受荷载。而煤柱形成煤柱上侧塑性破坏区、煤柱弹性区以及煤柱下侧塑性破坏区3部分，为简化计算，现进行合理放大，即假设外部荷载均作用于煤柱弹性区。
现建立区段煤柱倾斜力学模型(图7)对“梁-拱组合梁”覆岩结构时煤柱应力状态进行分析。设其中区段煤柱宽度k3=2k′、煤层厚度h=2h′。
图7 区段煤柱力学模型
Fig.7 Mechanical model of section coal pillar
通过对以往大倾角煤层开采的物理相似模拟实验现象进行总结[15-18]，发现在常规采高的情况下，由于上区段工作面顶板在垮落后沿倾向形成了砌体梁结构，阻挡了上区段采空区垮落矸石对区段煤柱侧方的挤压。故对垮落矸石的推力忽略不计。同时对煤柱自重省略不计。
覆岩亦对区段煤柱施加作用，其等效集中荷载与覆岩受到的约束力FBy3，FBx3互为反力。且由于力的传递和反作用，底板也对煤体形成了作用，其顶底板作用效果呈轴对称。故上下两侧均布荷载q′及面力Fx为
(19)
(20)
由于在上下边界(y=±h)上，挤压应力σy主要由垂直于煤层倾角的均布荷载引起。荷载大小q不随x而变化，因而可以假设应力分量σy只是y的函数
(21)
可得到应力函数的表达式为
(22)
应力分量的表达式可由应力函数求出，并根据区段煤柱的边界条件确定常数。经计算，得应力分量的最后解答为
σy=Fx(h2/4-y2)/xh-q′
τxy=2yFx/h
(23)
2.1.4 “梁-拱组合梁”结构区段煤柱失稳准则
将求得的应力分量式(23)代入主应力求解计算公式，即可得到区段煤柱内任意一点的主应力表达式
(24)
由于大倾角煤层开采的物理相似模拟实验中，区段煤柱产生滑剪现象，可以判断出区段煤柱的失稳模式以压剪破坏为主。根据莫尔强度理论
f(σ1,σ3)=(σ1-σ3)/[(σ1+σ3)sin φ+2c0cot φ][max(σ1，σ2)]
(25)
当函数f(σ1,σ3)=1时，区段煤柱处于临界破坏状态;当f(σ1,σ3)>1时，在对应的位置(xi,yi)发生压剪破坏。即区段煤柱受压失稳条件为
σZHmax>σZH
(26)
式中，sZHmax为覆岩“梁-拱组合梁”结构时区段煤柱内部的最大主应力;sZH为覆岩“梁-拱组合梁”结构应力状态时的区段煤柱强度。
2.2.1 模型建立
“压垮-倾倒”联通运移模式中的围岩运移的第2阶段中，在围岩结构的极限状态处(下区段采空区空间壳体结构走向垮落高度最高的壳肩截面处，即图2中T2截面)，沿走向取单位宽度建立“双拱连续梁”覆岩结构模型并进行分析。建立如图8(b)所示的双跨梁AC′D′BCD模型，图中各部位尺寸与“梁-拱组合梁”模型相同。下区段工作面非均匀充填特征与上区段类似，设垮落矸石充填区域休止角为β′。
图8 “双拱连续梁”覆岩结构模型
Fig.8 Overburden structure model of “double arch continuous beam”
2.2.2 区段煤柱处约束力求解
建立平衡方程，可求出AC′D′段在D′处的约束力FD′y，FD′y以及拱脚A处的约束力FAx，FAy，其表达式为
(27)
区段煤柱对覆岩BD′处的约束力Fx1，Fy1为
Fx1=FBysin α+FBxcos α-FD′xcos α-FD′ysin α
(28)
Fy1=FBycos α+FD′xsin α-FD′xcos α-FBysin α
(29)
2.2.3 区段煤柱应力状态
同样的建立区段煤柱倾斜力学模型，得区段煤柱上应力分量为
σy=-Fx1(h2/4-y2)/xh+Fy1/k3
τxy=-2yFx1/h
(30)
2.2.4 “双拱连续梁”结构区段煤柱失稳准则
同理可得区段煤柱受压失稳条件为
σSKmax>σSK
(31)
式中，σSKmax为覆岩“双拱连续梁”结构时区段煤柱内部的最大主应力;σSK为覆岩“双拱连续梁”结构应力状态时的区段煤柱强度。
第2节通过对两种覆岩结构的力学分析，得到了区段煤柱在各阶段内的失稳准则。现结合大倾角煤层LGCS技术的要求，对可能出现的3种应力情况进行分析:
(1)当σZHmax>σZH。此情况即覆岩“梁-拱组合梁”结构状态下区段煤柱中最大应力超过其强度，区段煤柱先于下区段基本顶失稳破坏，区段采空区围岩会以“挤压-弯垮”联通运移模式进行破坏联通充填。根据上文的分析，应避免此模式的失稳联通，需提高此状态下区段煤柱的强度。可加强区段煤柱的支护强度，也可根据上文计算过程，合理调整两区段工作面回采设计参数，如煤柱宽度、上下区段工作面长度等。
(2)当σZHmax<σZH，而σSKmax<σSK。此情况时区段采空区围岩会以“压垮-倾倒”联通运移模式进行失稳联通，但在“双拱连续梁”结构状态下，区段煤柱未立即失稳，两次垮落有时间间隔。故需在下区段顶板垮落后进行人为控制，降低区段煤柱强度。可对采空区的区段煤柱使用爆破或水压致裂等技术手段，控制区段煤柱失稳使围岩二次垮落。但由于需进行失稳作业的煤柱位于采空区中，且长度为一个周期来压步距，在技术实施上具有难度。
(3)当σZHmax<σZH，而σSKmax>σSK。此情况即为下区段基本顶先于区段煤柱发生破坏失稳后，区段煤柱随即失稳破坏，区段采空区以“压垮-倾倒”联通运移模式自主地进行失稳联通，不需人为干预，且填充效果好。
由上节分析可知，在大倾角煤层LGCS技术中区段煤柱强度必须在满足σZHmax<σZH条件的同时满足σSKmax>σSK，因此可以确定σ(即LGCS技术全过程中区段煤柱内部最大主应力的极值)的区间，即
σ=(σZH，σSK)
(32)
由于煤体的强度与其应力状态的变化过程有关，故区段煤柱的σZH，σSK并不相同，但可通过区段煤柱岩样的实验室应力状态模拟实验测得。同时结合两区段工作面参数，可计算出煤柱在两种覆岩结构状态下所受的垂直于煤层倾向的集中荷载FZH，FSK。
进行简化假设，认为煤柱在垂直于煤层倾向的集中荷载的作用下内部各处主应力值均为s。以此计算，可求得两种覆岩结构状态下的煤柱宽度的边界值kZH，kSK(kZH，kSK分别为覆岩“梁-拱组合梁”、“双拱连续梁”结构稳定状态时的区段煤柱最小宽度)，其公式为
(33)
式中，K为安全系数，可根据实验及工程实际总结确定;σZH，σSK分别为覆岩“梁-拱组合梁”、“双拱连续梁”结构稳定状态时的区段煤柱强度；1为单位宽度。
结合大倾角煤层LGCS技术要求，可确定区段煤柱宽度k须在满足k>kZH条件的同时尽量满足k<kSK。
为验证大倾角煤层LGCS技术中区段煤柱失稳判别公式的准确性,并揭示区段煤柱的失稳机理与采空区围岩联通运移模式之间的关系。现选取东峡煤矿大倾角特厚易燃煤层区段开采为例进行验证，上下区段工作面斜长110 m，走向长度1 118.5 m，倾角38°。
首先将东峡煤矿大倾角煤层区段工作面的实际参数代入区段煤柱失稳的理论判别公式中，其中区段煤柱宽度为40 m，经计算可求得σZHmax>σZH。此结果说明区段采空区围岩会以“压垮-倾倒”联通运移模式进行联通充填。
同时进行区段岩层控制物理相似模拟实验。结合实际参数，选用2 200 mm×2 000 mm×20 mm的平面模型架进行实验。并配合使用数码摄像机、PENTAX R-400NX型光学全站仪进行围岩破坏运移形态的记录、顶板覆岩移动量的监测,以此构建了区段岩层控制实验系统。实验模型及监测系统示意如图9所示。
图9 实验模型及监测系统
Fig.9 Experimental model and monitoring system
图10 围岩破坏状态演化过程
Fig.10 State of surrounding rock damage evolution process
对模型进行模拟开挖，在开采下区段过程中，区段煤柱破坏逐渐严重。当下区段采完时，区段煤柱已完全破坏，不能起到承担载荷的作用，但仍能阻挡上方破碎煤体或岩石向下滚(滑)动，如图10(a)所示。模型下区段采通时，由于区段煤柱完全失稳，因而煤柱上方岩层失稳并挤压下区段顶板岩层，引起顶板覆岩垮落，并在下区段覆岩较高位与下部形成残余结构，如图10(b)所示。一段时间后，较高位岩层的残余结构失稳向下区段采空区倾倒，对下部垮落矸石及残余结构产生作用，如图10(c)所示。这种采空区围岩的二次来压给下区段工作面带来随机性的作用，影响工作面“R-S-F”系统稳定性。
模型实验结果表明,在区段煤柱首先破坏失稳的情况下，采空区围岩的失稳联通过程符合区段间围岩“挤压-弯垮”联通运移模式下的围岩联通运移演化规律、矿压显现特征及变形破坏后的采空区三维空间形态(图11)。证明了本文提出的区段煤柱失稳机理分析对于区段采空区围岩控制的有效性。
图11 围岩变形破坏空间分布规律
Fig.11 Spatial distribution law of deformation and failure of surrounding rock
(1)以实现大范围岩层控制技术，提高工作面“R-S-F”系统稳定性为目的。在分析大倾角煤层长壁工作面多区段开采时采空区围岩联通运移规律基础上，建立了区段间围岩失稳模型，研究了区段煤柱受力状态，得到了区段煤柱的失稳破坏准则，确定了区段煤柱的合理宽度。
(2)大倾角煤层区段采空区的围岩失稳机制决定了围岩破坏运移后的三维空间形态，区段围岩联通运移可总结为“挤压-弯垮”与“压垮-倾倒”两种模式，而在大倾角煤层大范围岩层控制技术中，应使区段间采空区围岩以“压垮-倾倒”联通模式发生失稳联通,对“梁-拱组合梁”与“双拱连续梁”两种覆岩结构状态建立力学模型，分析得到相应状态下区段煤柱失稳准则，并结合大倾角煤层大范围岩层控制技术的要求进行分析，得出:区段煤柱宽度k须在满足k>kZH条件的同时尽量满足k<kSK。
(3)以东峡煤矿大倾角特厚易燃煤层区段开采为例进行判别计算，并实施物理相似模拟实验进行验证，证明了提出的区段煤柱失稳机理分析的有效性，为大范围岩层控制技术的工程应用提供了参考。
参考文献:
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