大倾角煤层是指埋藏倾角为35°～55°的煤层，是国内外采矿界公认的难采煤层[1]。我国大倾角煤层占有15%～20%的储量，且50%以上的大倾角煤层为优质焦煤和无烟煤，广泛分布于我国各大矿区，是我国保护性开采的稀缺煤种[2]。
在大倾角煤层开采中，煤层厚度超过3.5 m的一般均采用综放开采，但开采效率低、开采工艺复杂等问题一直未能得到有效解决，综采一次采全高方法可有效克服上述难题[3-4]。厚煤层一次采全高采煤方法在我国许多大中型矿井的一般倾角煤层开采中得到广泛运用，具有生产能力大、资源采出率高等优点[5-6];但随着采高的增大，煤壁片帮、架前与架间漏冒等问题尤为突出，成为厚煤层开采亟须解决的技术难题[7]。在一般倾角大采高煤层开采中，顶板对煤壁的压力和煤壁自身的物理力学性质是影响煤壁片帮的主要因素[8];但在大倾角大采高煤层开采中，受煤层倾角影响，围岩采动应力场的分布规律、围岩的变形破坏特征及所形成围岩结构的空间形态等均呈现出非对称特性[9-11]，煤层倾角、采高、周期来压、仰伪斜角等都会对煤壁的稳定性造成不同程度的影响，煤壁始终处于一个非均衡的复杂受力环境中，造成在大倾角大采高煤层开采中煤壁片帮的形成机理及其基本特征等远较一般倾角煤层开采时复杂，除了具有一般倾角大采高煤层开采中出现的频次高、范围大、分区域等基本特征外[12-13]，在煤层倾角影响下还具有蔓延性与滑冒等特点[14]，导致煤壁片帮防治难度加大，不能像炮采工作面那样通过打贴帮柱来解决，而且片帮后极易导致端面顶板垮落，影响工作面正常推进并带来安全隐患[15]。
本文在已有研究工作基础上，以新疆焦煤集团2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为工程背景，采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测相结合的综合研究方法，对大倾角大采高综采工作面煤壁的受载与失稳特征展开研究，并在此基础上提出煤壁片帮的防控措施，为解决该类煤层采场岩层控制关键技术难题提供理论依据。
1 工程概况
2130煤矿25221工作面位于二采区5号煤层，该工作面位于15号沟以西，16线以东153 m，地表为高山沟壑，呈东西狭长分布，西高东低。25221工作面开采标高为+2 047～+2 120 m，工作面设计走向长2 098 m，工作面倾向长105 m。工作面煤层倾角36°～46°，平均44°，煤容重1.35 t/m3，煤层赋存稳定。25221工作面回采范围煤层内向西、向下煤层厚度逐渐变薄，煤层结构中部简单，东西部较复杂，煤层厚度3.58～9.77 m，平均厚度5.77 m，含3～5层夹矸，煤矸互层1.4～2.5 m，煤的硬度系数f=0.3～0.5。工作面直接顶板为泥质胶结、风化易碎的灰白色中砂岩，厚度2.32 m。其上为以石英为主、抗风化能力强但层面发育的灰白色中砂岩，厚度16.59 m，单向抗压强度为79.9～100.2 MPa。工作面底板为粗砂岩，灰白色，以石英为主，矿质胶结为主，厚度为17.06 m。
工作面水文地质条件简单，涌水主要来自地面和顶板裂隙水及河床渗水，根据该工作面涌水量实际检测，涌水量为4.72～9.3 m3/h。工作面煤层瓦斯含量高，绝对瓦斯涌出量为24.43 m3/min，相对瓦斯涌出量为25.14 m3/t。煤层自燃性指标，按自燃倾向分类等级二级为自燃煤层。
2 大倾角大采高煤壁分区受载特征
2.1 覆岩的非对称破坏运移特征
在大倾角大采高煤层开采中，受煤层倾角影响，顶底板采动应力场的分布规律呈现出非对称特征，在顶底板岩层中分别形成非对称拱形和反拱形应力释放区，顶板岩层在回风巷一侧形成应力集中区，底板岩层在运输巷一侧形成应力集中区;且随着采高的增大，工作面倾向下端顶底板岩层采动应力释放区范围及应力集中区的应力值逐渐减小，而工作面倾向上端应力集中区范围则逐渐增大，如图1所示。
图1 不同采高条件下工作面倾向垂直应力分布
Fig.1 Distribution of vertical stress along inclination under different mining height
在煤层倾角影响下，围岩的变形、破坏和运移亦呈现出非对称特征，且受采高增大影响，围岩的运移空间及围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开采时显著增大，基本顶失稳形成冲击载荷的频次和量级增大，覆岩破坏范围和破碎程度严重，顶板冒落矸石向工作面下方的滚、滑运动特征明显，工作面倾向下部区域采空区充填密实程度增大，顶板破断垮落后所形成围岩结构的非对称特征明显，且具有下部层位低、中上部层位高的多阶梯岩体结构特征，工作面中上部区域空顶范围增大，如图2所示。
图2 覆岩垮落充填特征
Fig.2 Characteristic of overburden caving and filling
2.2 非均匀充填效应下的煤壁受载特征
在大倾角大采高煤层开采中，围岩的破断运移不仅在工作面倾向有明显的时序性和非对称特性，在工作面走向也呈现出异性。沿采空区倾向自下而上，顶板冒落矸石与支架的距离呈现出由近及远的特征，即顶板冒落矸石与底板形成的直线和支架与底板的接触线在工作面倾向形成一定的夹角(一般倾角煤层开采中二者为平行线)，如图3所示。受采高增大影响，顶板冒落矸石滚动下滑的幅度和剧烈程度增大，工作面倾向下部区域采空区充填密实程度增大，顶底板岩层稳定性增强，支架—围岩系统较稳定;工作面倾向中、上部区域采空区处于充填不实或半充填状态，顶底板岩层运动的幅度和剧烈程度增大，支架—围岩关系复杂。按照工作面倾向矿压显现规律的差异，自下而上可依次分为稳定区、过渡区和活跃区。
图3 大倾角煤层开采覆岩剖视图
Fig.3 Sectional view of cover rock in steeply dipping seam
在工作面倾向下部区域，工作面后方采空区始终处于填满状态，且受采高增大影响，充填较为密实，基本顶破断后能形成较稳定的铰接岩梁结构，其对应的支架—围岩关系如图4所示。根据平衡条件，取岩块B为研究对象，并对铰接点O取矩，则倾向下部区域煤壁支承压力P1可表示为
(1)
式中，Q为支架工作阻力;T为基本顶破断岩块铰接点水平推力;Fs为基本顶破断岩块铰接点摩擦力;qu为基本顶上部岩层作用载荷;qd为冒落矸石支承载荷;Lu为基本顶破断岩块长度;Ld为冒落矸石对岩块B的有效作用长度;LQ为支架等效作用载荷到破断点O的距离;LP为煤壁支承压力到破断点O的距离;h为基本顶厚度;r为基本顶重度。
图4 倾向下部区域支架围岩关系
Fig.4 Relationship between support and surrounding rock in lower area of inclination direction
图5 倾向中部区域支架围岩关系
Fig.5 Relationship between support and surrounding rock in central area of inclination direction
在工作面倾向中部区域，工作面后方采空区处于半充填状态，充填密实程度较下部区域弱，基本顶破断垮落后亦能形成铰接岩梁结构，但其稳定性亦较下部区域弱，其对应的支架—围岩关系如图5所示。根据平衡条件，倾向中部区域煤壁支承压力P2可表示为
(2)
对比式(1)，(2)及图4，5可以看出，由于中部区域的破断基本顶岩块B无矸石支承载荷qd，且摩擦力Fs亦较下部区域小，为保持支架—围岩系统稳定，支架等效载荷Q作用位置需后移(LQ减小)，造成该区域基本顶下沉量、支架工作阻力和煤壁支承压力等均较下部区域大。
在工作面倾向上部区域，工作面后方采空区无充填或充填矸石离工作面相对较远，基本顶破断垮落后向工作面中、下部区域滚(滑)动，不能形成铰接岩梁结构，基本顶破断岩块间的水平推力T和摩擦力Fs均可忽略，其对应的支架—围岩关系如图6所示。根据平衡条件，倾向上部区域的煤壁支承压力P3可表示为
(3)
由于该区域破断基本顶后方无约束，在工作面推进过程中，基本顶后方的悬露长度和回转角逐渐增大，易发生回转失稳并形成空顶现象，支架稳定性控制难度亦随之加大，且在此过程中支承压力向煤壁面深部转移，煤壁支承压力减小。
图6 倾向上部区域支架围岩关系
Fig.6 Relationship between support and surrounding rock in upper area of inclination direction
可以看出，受冒落矸石非均匀充填效应影响，沿工作面倾向不同区域的支架—围岩关系存在显著差异，煤壁支撑压力随支架工作阻力的增大而减小，煤壁支承压力在工作面倾向呈现为中部最大、上部次之、下部最小的非对称特性，且随着采高增大，煤壁支承压力的非对称特性会越发明显。工作面倾向中部区域煤壁处于高围压环境，最易出现煤壁片帮，适当提高该区域支架工作阻力，可有效降低煤壁片帮发生的概率。
3 大倾角大采高煤壁变形失稳特征
3.1 煤壁变形破坏特征
采动过程中顶板变形破坏、应力释放形成矿山压力，并通过顶板层间传递作用在煤壁前方形成超前支承压力，对煤壁的稳定性产生影响。随着采高的增大，顶板岩层运移的幅度和剧烈程度增大，顶板应力释放充分，如图7所示。顶板应力的释放过程亦为工作面煤壁吸收能量的过程，顶板对煤壁的作用增大，煤壁位移随之增大，如图8所示。同时，随着采高的增大，煤壁的失稳空间、自由面及破裂区亦随之增大，煤壁稳定性降低。
图7 不同采高时超前支承压力分布
Fig.7 Distribution of advance abutment pressure under different mining height
图8 不同采高条件煤壁位移曲线
Fig.8 Displacement of coal wall at different mining height
当煤壁所受载荷超过其承载极限时，煤壁前方1.5～6 m范围内产生超前裂隙，伴随着裂隙的发育、扩展和贯通，煤壁内部形成较明显的宏观裂隙，煤壁开裂并伴随形成不同形态的滑移体，如图9所示。当滑移体所受主动力大于周围煤体对滑移体的临界约束力时(即当滑移体周围煤体被采出时滑移部分约束被解除或来压期间煤壁支撑压力增大时)，滑移体沿滑移面滑移，形成片帮。在垂直煤层方向，煤壁变形非对称，煤壁位移量中上部大于下部，下部容易出现负位移，靠近顶板区域是片帮的高发地带，这与一般倾角煤层开采时的煤壁片帮特征一致;但与其不同的是，当煤壁局部区域发生片帮后，片帮区域倾向上部煤体在其外侧和倾向下方处于无约束状态，在基于煤层倾角的重力效益影响下，易形成片帮区域不断向倾向上部蔓延。
图9 煤壁裂隙扩展演化
Fig.9 Evolution of crack propagation in coal wall
3.2 煤壁失稳特征力学分析
煤壁的破坏与煤体的承载能力和支承压力密切相关，根据工作面前方煤壁的受载与破坏特征，可将煤壁分为松弛区、塑形承载区和弹性区[13]。煤壁片帮发生于松弛区，松弛区煤壁在支承压力作用下出现开裂，如图10(a)所示。图中，H为煤层厚度;Hh为互帮板作用区域;pz(y)为的顶板作用载荷;q2为护帮板作用载荷。
图10 煤壁岩梁力学模型
Fig.10 Vertical Mechanical model of coal wall
在大倾角煤层开采中，受煤层倾角影响，煤壁沿重力方向的高度为煤层厚度的1/cos α(一般倾角煤层开采中二者相等)，为此建立如图10(b)所示的沿重力方向的煤壁岩梁力学模型。z轴表示重力方向，其与垂直煤层方向的夹角为煤层倾角α;H0=H/cos α，为煤层厚度H在重力方向的投影长度;H1=Hh/cos α，为互帮区域Hh在重力方向的投影长度;P为煤壁岩梁重力方向支承压力;q1为煤壁内部挤压载荷;q2为护帮板作用载荷，假设其为三角形分布载荷，可表示为
(4)
式中q0为常量。
根据纵横弯曲理论，煤壁岩梁AB段(0≤z≤H0-H1)的挠曲线近似微分方程可表示为
(5)
BC段(H0-H1≤z≤H0)的挠曲线近似微分方程可表示为
(6)
式中，E为弹性模量;I为惯性矩;F为煤壁岩梁C截面处的约束力。根据煤壁岩梁AB段和BC段的受力特征与约束条件，其对应的边界条件和连续性条件可表示为
xAB|z=0=0,θAB|z=0=0,xAB|z=H0-H1=xBC|z=H0-H1,
xBC|z=H0=0,θAB|z=H0-H1=θBC|z=H0-H1
(7)
则煤壁岩梁AB段和BC段的挠曲线方程可表示为
(8)
(6EIq1H1-6FPzH1-3q1Pz2H1+6FPH0H1+
(9)
式中，积分常数C1，C2，C3，C4和截面C处的约束力F可依次表示为
由式(8)，(9)并结合新疆焦煤集团2130煤矿25221工作面的开采情况，可得煤壁沿重力方向的挠度和弯矩分布如图11所示。由图11中可以看出，煤壁沿垂直煤层方向的变形亦非对称，其最大变形量位于采高的0.6倍处，同时除煤壁底部外该区域的弯矩也最大，该区域即为煤壁最容易破坏的位置。
图11 煤壁挠度和弯矩沿重力方向的变化规律
Fig.11 Variation of deflection and bending moment along vertical direction of coal wall
4 煤壁片帮现场监测结果分析
25221大倾角大采高综采工作面现场监测结果显示，工作面初次来压和周期性来压较一般采高大倾角煤层开采而言呈现出来压步距小、来压强度大的特征，初次来压步距40 m，周期来压步距13 m，来压持续时间2～3 d[16]，且在来压期间煤壁片帮次数明显增加、片帮区域明显增大。工作面矿山压力显现具有时序性，工作面来压呈现出“先中部、次上部、再下部”的基本特征;矿压显现沿倾向分区特征明显，工作面支架载荷(工作阻力)呈现出中部区域大，上部区域次之，下部区域最小的非对称特征，工作面上部区域支架载荷约为中部区域的95%，下部区域支架载荷约为中部区域的82%。
工作面发生片帮的煤壁宽度超过工作面面长的60%，且工作面倾向中部区域是煤壁片帮多发区域，上部区域次之，下部区域最少，如图12所示[17]，这与工作面煤壁的非对称受载特征相吻合。工作面煤壁片帮影响因素较多，除受煤体自身强度和支承压力影响外，主要还受工作面煤层倾角、采高、周期来压、回采工艺、仰伪斜角、工作面推进速度和采场顶板坚硬程度等因素的影响，且一般表现为工作面煤层倾角、采高、仰伪斜角越大及推进速度越小，工作面煤壁发生片帮的可能性、影响范围和强度就越大，煤壁片帮发生频次也越高。当煤壁局部发生片帮时，垮落煤体在其自重倾向分量的作用下沿工作面倾向下方滑移，煤壁片帮会向倾向上部煤壁及垂直煤层上部顶板扩展，形成蔓延和滑冒特征[14]。现场实测数据分析与理论研究结果一致。
图12 工作面煤壁片帮现场监测统计
Fig.12 Statistics of rib spalling of coal wall
5 煤壁片帮防控措施
结合已有研究成果[14,17-18]，基于大倾角煤层长壁大采高综采工作面煤壁失稳特征和新疆焦煤集团2130煤矿25221大倾角煤层长壁大采高综采工作面的生产实际情况，提出大倾角煤层长壁大采高综采工作面片帮应遵循的防治原则如下:
(1)提高支架初撑力和工作阻力(尤其是倾向中部区域)，支架初撑力应达到其工作阻力的80%。及时带压移架，调整支架位态，使支架顶梁顶住煤壁。提高护帮板的使用率，在机组割煤移架后，立即打开护帮板护帮。改造支架柔性顶梁结构，将柔性顶梁与固定顶梁刚性固定在一起，减小顶梁对煤壁的控制距离。实现工作面煤壁、顶底板与支架在接触、受载状态上的耦合，确保工作面“支架—围岩”系统稳定，降低煤壁受力。
(2)采用坚硬顶板超前松动预爆破弱化技术，及时准确的观测工作面顶板分层、厚度变化、裂隙分布、倾角变化等情况，有针对性的调整回风巷、运输巷循环放顶炮孔的布置角度、装药量及装药分段数等参数，以保证良好的放顶效果，防止工作面煤壁局部区域支承压力过高，导致工作面煤壁片帮、冒顶。
(3)在工作面上、下端头超前钻孔，并利用报废的瓦斯抽放孔，对煤壁采面走向和倾向孔进行直接或超前注浆加固，甚至可采用易切割的锚杆对工作面进行及时支护，改善工作面煤壁物理力学性能，提高煤体自身的承载能力。
(4)尽可能地降低工作面仰伪斜角度，并严格控制工作面伪斜角度小于3°，以减少采面仰伪斜布置导致煤壁片帮的可能性。
(5)通过布置智能矿压监测仪等，对工作面实施全方位连续动态矿压监测，以便掌握工作面矿山压力显现规律，保证准确地对不同阶段煤壁片帮可能性进行预报。对片帮严重区域可通过提高工作面推进速度(大于3 m/d)、降低采高(3.5 m左右)来降低煤壁片帮的概率。
6 结 论
(1)在大倾角大采高煤层开采中，受煤层倾角影响，围岩的变形、破坏和运移呈现出非对称特性，且受采高增大影响，围岩运移空间增大，冒落矸石的滚、滑运动特征明显，采空区下部区域充填密实程度增大，煤壁支承压力在工作面倾向呈现为中部最大、上部次之、下部最小的非对称特征，且随着煤层倾角和采高的增大，煤壁支承压力的非对称特征会越发明显。
(2)采动过程中煤壁力学性质逐步劣化，伴随着裂隙的逐步发育、扩展和贯通，煤壁开裂并形成滑移体，当滑移体周围约束解除或支承压力增大时，滑移体将沿滑移面滑移，形成煤壁片帮。局部区域煤壁片帮后，片帮区域倾向上部煤体在其外侧和倾向下方处于无约束状态，易形成片帮区域不断向倾向上部蔓延。
(3)在工作面倾向，中部区域是煤壁片帮的高发区域，上部次之，下部最少，这与煤壁的非对称受载特征相吻合。在垂直煤层方向，煤壁变形亦非对称，煤壁位移量中上部大于下部，靠近顶板区域易发生煤壁片帮，这与一般倾角煤层开采时的片帮特征相一致。
(4)大倾角大采高综采工作面应以“严控工作面‘顶板—帮体—支架—底板’系统稳定、坚硬顶板超前松动预爆破弱化、工作面煤壁超前预加固、小仰伪斜角度工作面布置、全时动态工作面矿压监测”为原则制定煤壁片帮的综合防控技术，确保工作面安全高效生产。
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