溝谷地形下近淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

王宏志，劉洪林，宋帥帥，陳運財

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護性開采自治區(qū)教育廳普通本科高校重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830046)

我國西部礦區(qū)地表多為黃土高原、丘陵溝谷發(fā)育區(qū)，受風蝕水蝕嚴重，坡體產(chǎn)狀變化大[1-2]。淺埋煤層溝谷下開采時常會出現(xiàn)工作面壓架、大面積冒頂及煤柱傾倒等動載礦壓災(zāi)害，嚴重威脅礦井的安全高效開采[3-5]。因此，采礦界專家學者開始逐漸重視地形地貌對煤礦井下開采的影響，進行了系統(tǒng)深入的研究，取得了較為豐富的研究成果。PAN等[6-8]研究了地形地貌對下部各向同性巖體自重應(yīng)力場的影響，認為地表附近的應(yīng)力在一定程度上受到地形的影響，從而導致在溝谷底部和山腳處形成應(yīng)力集中，進而研究了不同地形地貌情況下的應(yīng)力分布規(guī)律。張志強等[9]結(jié)合神東礦區(qū)活雞兔井溝谷地形下煤層條件，通過對不同坡角、溝深模擬實驗得出：溝谷坡角越大礦壓顯現(xiàn)越強烈，當坡角小于15°時工作面礦壓顯現(xiàn)一般不明顯；溝深越大工作面在溝谷上坡段動載礦壓顯現(xiàn)越強烈，反之，塊體結(jié)構(gòu)不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)強度不大。王方田等[10]分析了不同采高條件下采場圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律，得出礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背溝段>向溝段>溝底段>正常開段”的特征，應(yīng)用加強礦壓監(jiān)測預報、局部降低采高、工作面快速推進等措施，確保沖溝下淺埋煤層的安全高效開采。

縱觀當前的研究成果，大多數(shù)都是圍繞以神東礦區(qū)為代表的典型淺埋煤層開展的，由于淺埋煤層基巖厚度較薄，埋深淺，僅有單一的關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，因此地表起伏變化對煤層開采具有較大影響。但對于基巖厚度大、松散層厚度較小、具有雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的近淺埋煤層，溝谷對其工作面礦壓顯現(xiàn)影響的敏感性如何，現(xiàn)有的研究還很少涉及。為此，本文結(jié)合河東煤田王家?guī)X煤礦的地質(zhì)條件，分析了溝谷地形下近淺埋煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 工程地質(zhì)與生產(chǎn)條件

王家?guī)X煤礦位于山西省鄉(xiāng)寧礦區(qū)南部，區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝壑縱橫，植被稀疏，地表形態(tài)復雜多變，為強烈侵蝕的低-中山區(qū)地貌。20105工作面位于王家?guī)X煤礦首采盤區(qū)，地表大部分被厚黃土層覆蓋，黃土層厚度10～125 m，地表沖溝多呈“V”型，交錯發(fā)育，坡體角度大多在10°～35°之間，沖溝坡體下存在基巖，但并無外露，工作面地表形態(tài)特征如圖1所示。20105工作面走向長1 231 m，傾向長249 m，地面標高750～885.5 m，主采2#煤層底板標高554.6～582.9 m，煤層厚5.90～6.45 m，平均6.16 m，煤層傾角2°～4°，采用走向長壁綜采放頂煤技術(shù)開采，ZFY8000/22/35型液壓支架支護頂板，全部垮落法管理采空區(qū)。

2 地表平緩區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)特征

2.1 工作面測站布置

為掌握溝谷地形下工作面的來壓規(guī)律，20105工作面安裝了頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，布置21臺支架壓力監(jiān)測分站，從4號支架開始安裝1號測站，后每隔6架布置一測站，并沿工作面傾向劃分為上部測區(qū)(4#、11#、18#、25#、32#、39#、46#)、中部測區(qū)(53#、60#、67#、74#、81#、88#、95#)、下部測區(qū)(102#、109#、116#、123#、130#、137#、144#)，測站布置如圖2所示。

圖1 工作面地表形態(tài)特征Fig.1 Morphological characteristics of the work face

圖2 工作面測站布置Fig.2 Layout of the observation station

2.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)及井下頂板破斷情況，20105工作面初次來壓及周期來壓特征見表1和表2。由表1和表2可以看出，沿工作面傾向不同區(qū)域，工作面來壓步距、持續(xù)時間及來壓強度均存在較大差異。初次來壓期間，工作面上部、中部、下部的平均來壓步距分別為61.2 m、54.7 m、50.4 m，持續(xù)時間分別為24 h、26 h、23 h，動載系數(shù)分別為1.52、1.76、1.34。工作面中部的來壓強度及持續(xù)時間超過工作面兩側(cè)的特征值。

周期來壓期間，工作面上部、中部、下部的平均來壓步距分別為29.1 m、31.1 m、32.6 m，影響范圍為6.1 m、7.0 m、5.4 m，持續(xù)時間為18.7 h、21.6 h、19.8 h。工作面中部的來壓影響范圍、持續(xù)時間及來壓強度均大于工作面兩端的來壓特征值。

表1 工作面初次來壓特征Table 1 Characteristics of first weighting at work face

表2 工作面周期來壓特征Table 2 Characteristics of periodic weighting at work face

3 溝谷地形區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)特征

圖3 巖層綜合柱狀Fig.3 Stratigraphic columns of the strata

前期的研究表明[11-12]，沖溝發(fā)育礦區(qū)典型淺埋煤層(埋深不超過150 m)開采時，地表起伏變化對覆巖破斷及礦壓顯現(xiàn)具有較大影響，支架工作阻力與溝谷垂深h0、坡體角度α、煤層埋藏深度H密切相關(guān)，提出采用沖溝切割系數(shù)k(k=h0/H)對溝谷影響支架阻力敏感性進行分類的方法，有效指導了淺埋煤層開采的工程實踐。由于王家?guī)X礦區(qū)煤層埋藏深度為180～260 m，基巖厚度大，松散層厚度較小、具有雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)(綜合柱狀如圖3所示)，溝谷對其礦壓顯現(xiàn)的影響有別于典型淺埋煤層。因此，本文基于上述研究提出的方法，結(jié)合20105工作面地表形態(tài)特征，選取了8個典型垂直剖面，其中，3個沿工作面推進方向，5個沿工作面傾向方向，對比分析不同坡體下支架工作面阻力的變化特性，溝谷剖面位置如圖4所示。

圖4 沖溝坡體剖面位置選取Fig.4 Location of the profile about gullies

3.1 沿工作面走向支架阻力分布特征

在上部測區(qū)、中部測區(qū)和下部測區(qū)分別沿工作面推進方向作剖面a-a、b-b、c-c，對比工作面通過不同產(chǎn)狀溝谷時井下對應(yīng)支架工作阻力的變化情況。溝谷剖面形狀如圖5所示，其中,a-a溝谷對應(yīng)井下18#支架、25#支架、32#支架;b-b溝谷對應(yīng)67#支架、74#支架、81#支架;c-c溝谷對應(yīng)116#支架、123#支架、130#支架。

表3列出了沿工作面推進方向三個溝谷的產(chǎn)狀及相應(yīng)的支架工作阻力值。 上部測區(qū)的溝谷垂深106 m，切割系數(shù)0.406，支架最大工作阻力7 763 kN，較地勢平緩區(qū)阻力值增大8.0%，溝谷對阻力值的影響較為明顯。中部測區(qū)的溝谷垂深72 m，切割系數(shù)0.294，支架最大工作阻力較地勢平緩區(qū)阻力值增大4.9%，溝谷對阻力值存在一定影響。下部測區(qū)的沖溝切割系數(shù)為0.197，最大工作阻力較地勢平緩區(qū)阻力值增大2.1%，溝谷對支架阻力的影響較小。可以看出，三個沖溝坡體角度近似相同，沖溝切割系數(shù)越大，工作面支架支護阻力變化越明顯。

圖5 沿工作面走向三個溝谷剖面形狀Fig.5 Profile of gullies along the advance direction

表3 溝谷產(chǎn)狀及支架壓力特征Table 3 Gully parameters and support resistance

3.2 沿工作面傾向支架阻力分布特征

沿工作面傾向方向選取的5個典型剖面，各剖面距切眼的距離依次為280 m、630 m、860 m、960 m、1 150 m，各剖面如圖6所示。表4列出了溝谷產(chǎn)狀及對應(yīng)的支架工作阻力情況。

由圖6和表4可知，A-A段溝谷及D-D段溝谷切割系數(shù)分別為0.098、0.166， 坡體角度為32°、29°，

圖6 沿工作面傾向方向溝谷剖面Fig.6 Gully profile along the dip direction of work face

表4 溝谷產(chǎn)狀及支架壓力特征Table 4 Gully parameters and support resistance

工作面通過兩溝谷時，支架工作阻力最大值分別為7 383 kN、7 522 kN，較地勢平緩區(qū)阻力值變化率僅為±1%左右，溝谷對阻力值的影響不明顯。C-C段溝谷及E-E段溝谷切割系數(shù)分別為0.314、0.306，溝谷坡體角度為42°、21°，工作面通過兩溝谷時，支架工作阻力最大值分別為7 685 kN、7 648 kN，較地勢平緩區(qū)阻力值變化率分別為3.2%、2.7%，溝谷對阻力值的影響較小。當工作面通過B-B段溝谷時，溝谷切割系數(shù)0.423，坡體角度34°，支架工作阻力最大值為8 094 kN，較地勢平緩區(qū)阻力值增大了8.7%，溝谷對阻力值的影響比較顯著。

可以看出，A-A段溝谷、B-B段溝谷、D-D段溝谷坡角大致相同，沖溝切割系數(shù)越大，支架阻力增量越大；C-C段溝谷、E-E段溝谷切割系數(shù)近似相等，坡角越大，支架阻力增量越大。

3.3 溝谷地形對支架阻力的影響特征

上述分析結(jié)果表明，地表溝谷地形對近淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)具有一定影響。沖溝坡體產(chǎn)狀不同，支架支護阻力受影響程度不同，相對于溝谷垂深h0及坡體角度α，沖溝切割系數(shù)k是影響井下礦壓顯現(xiàn)的主要因素。沖溝切割系數(shù)與支架支護阻力的變化量的關(guān)系見表5。

表5 沖溝切割系數(shù)與支護阻力變化關(guān)系Table 5 Relationship between k and support resistance

溝谷地形下淺埋煤層開采時，單一關(guān)鍵層破斷后不易形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，主要的失穩(wěn)方式為滑落失穩(wěn)，垮落巖塊的載荷將迅速傳遞到工作面支架上，地表溝谷的起伏進一步增大了上覆巖層載荷的不均勻性，導致工作面出現(xiàn)動載礦壓現(xiàn)象。相比之下，王家?guī)X煤礦煤層埋深增大，上覆巖層數(shù)量增多且具有雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，地表溝谷起伏形成的不均勻載荷在向下傳遞過程中會逐漸減弱，因此對支架阻力的影響程度相對較低。王家?guī)X煤礦地表大部分沖溝的切割系數(shù)不超過0.40，支架阻力增量一般在8%以下。

4 結(jié) 論

1) 王家?guī)X煤礦工作面傾向不同區(qū)域的來壓步距、持續(xù)時間及來壓強度不同，工作面中部初次來壓與周期來壓的持續(xù)時間及來壓強度均大于工作面兩端的來壓特征值。

2) 溝谷地形對工作面走向、傾向的礦壓顯現(xiàn)均存在一定的影響，沖溝坡體產(chǎn)狀不同，支架支護阻力受影響程度不同；沖溝切割系數(shù)是決定影響程度的主要因素，坡角及溝谷垂深的影響程度較小。

3) 沖溝切割系數(shù)大于0.40時，支架阻力增量超過8%，沖溝切割系數(shù)小于0.17時，支架阻力無明顯變化；溝谷地形對近淺埋煤層工作面支架阻力的影響程度相對較低。