沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究

2020-09-14王宏志刘洪林宋帅帅陈运财

中国矿业 2020年9期

王宏志，刘洪林，宋帅帅，陈运财

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.矿产资源生态环境保护性开采自治区教育厅普通本科高校重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046)

我国西部矿区地表多为黄土高原、丘陵沟谷发育区，受风蚀水蚀严重，坡体产状变化大[1-2]。浅埋煤层沟谷下开采时常会出现工作面压架、大面积冒顶及煤柱倾倒等动载矿压灾害，严重威胁矿井的安全高效开采[3-5]。因此，采矿界专家学者开始逐渐重视地形地貌对煤矿井下开采的影响，进行了系统深入的研究，取得了较为丰富的研究成果。PAN等[6-8]研究了地形地貌对下部各向同性岩体自重应力场的影响，认为地表附近的应力在一定程度上受到地形的影响，从而导致在沟谷底部和山脚处形成应力集中，进而研究了不同地形地貌情况下的应力分布规律。张志强等[9]结合神东矿区活鸡兔井沟谷地形下煤层条件，通过对不同坡角、沟深模拟实验得出：沟谷坡角越大矿压显现越强烈，当坡角小于15°时工作面矿压显现一般不明显；沟深越大工作面在沟谷上坡段动载矿压显现越强烈，反之，块体结构不易形成稳定的砌体梁结构，矿压显现强度不大。王方田等[10]分析了不同采高条件下采场围岩应力及变形规律，得出矿压显现剧烈程度呈现“背沟段>向沟段>沟底段>正常开段”的特征，应用加强矿压监测预报、局部降低采高、工作面快速推进等措施，确保冲沟下浅埋煤层的安全高效开采。

纵观当前的研究成果，大多数都是围绕以神东矿区为代表的典型浅埋煤层开展的，由于浅埋煤层基岩厚度较薄，埋深浅，仅有单一的关键层结构，因此地表起伏变化对煤层开采具有较大影响。但对于基岩厚度大、松散层厚度较小、具有双关键层结构的近浅埋煤层，沟谷对其工作面矿压显现影响的敏感性如何，现有的研究还很少涉及。为此，本文结合河东煤田王家岭煤矿的地质条件，分析了沟谷地形下近浅埋煤层工作面的矿压显现规律。

1 工程地质与生产条件

王家岭煤矿位于山西省乡宁矿区南部，区内山峦起伏，沟壑纵横，植被稀疏，地表形态复杂多变，为强烈侵蚀的低-中山区地貌。20105工作面位于王家岭煤矿首采盘区，地表大部分被厚黄土层覆盖，黄土层厚度10～125 m，地表冲沟多呈“V”型，交错发育，坡体角度大多在10°～35°之间，冲沟坡体下存在基岩，但并无外露，工作面地表形态特征如图1所示。20105工作面走向长1 231 m，倾向长249 m，地面标高750～885.5 m，主采2#煤层底板标高554.6～582.9 m，煤层厚5.90～6.45 m，平均6.16 m，煤层倾角2°～4°，采用走向长壁综采放顶煤技术开采，ZFY8000/22/35型液压支架支护顶板，全部垮落法管理采空区。

2 地表平缓区工作面矿压显现特征

2.1 工作面测站布置

为掌握沟谷地形下工作面的来压规律，20105工作面安装了顶板动态监测系统，布置21台支架压力监测分站，从4号支架开始安装1号测站，后每隔6架布置一测站，并沿工作面倾向划分为上部测区(4#、11#、18#、25#、32#、39#、46#)、中部测区(53#、60#、67#、74#、81#、88#、95#)、下部测区(102#、109#、116#、123#、130#、137#、144#)，测站布置如图2所示。

图1 工作面地表形态特征Fig.1 Morphological characteristics of the work face

图2 工作面测站布置Fig.2 Layout of the observation station

2.2 工作面矿压显现规律

根据在线监测系统的实测数据及井下顶板破断情况，20105工作面初次来压及周期来压特征见表1和表2。由表1和表2可以看出，沿工作面倾向不同区域，工作面来压步距、持续时间及来压强度均存在较大差异。初次来压期间，工作面上部、中部、下部的平均来压步距分别为61.2 m、54.7 m、50.4 m，持续时间分别为24 h、26 h、23 h，动载系数分别为1.52、1.76、1.34。工作面中部的来压强度及持续时间超过工作面两侧的特征值。

周期来压期间，工作面上部、中部、下部的平均来压步距分别为29.1 m、31.1 m、32.6 m，影响范围为6.1 m、7.0 m、5.4 m，持续时间为18.7 h、21.6 h、19.8 h。工作面中部的来压影响范围、持续时间及来压强度均大于工作面两端的来压特征值。

表1 工作面初次来压特征Table 1 Characteristics of first weighting at work face

表2 工作面周期来压特征Table 2 Characteristics of periodic weighting at work face

3 沟谷地形区工作面矿压显现特征

图3 岩层综合柱状Fig.3 Stratigraphic columns of the strata

前期的研究表明[11-12]，冲沟发育矿区典型浅埋煤层(埋深不超过150 m)开采时，地表起伏变化对覆岩破断及矿压显现具有较大影响，支架工作阻力与沟谷垂深h0、坡体角度α、煤层埋藏深度H密切相关，提出采用冲沟切割系数k(k=h0/H)对沟谷影响支架阻力敏感性进行分类的方法，有效指导了浅埋煤层开采的工程实践。由于王家岭矿区煤层埋藏深度为180～260 m，基岩厚度大，松散层厚度较小、具有双关键层结构(综合柱状如图3所示)，沟谷对其矿压显现的影响有别于典型浅埋煤层。因此，本文基于上述研究提出的方法，结合20105工作面地表形态特征，选取了8个典型垂直剖面，其中，3个沿工作面推进方向，5个沿工作面倾向方向，对比分析不同坡体下支架工作面阻力的变化特性，沟谷剖面位置如图4所示。

图4 冲沟坡体剖面位置选取Fig.4 Location of the profile about gullies

3.1 沿工作面走向支架阻力分布特征

在上部测区、中部测区和下部测区分别沿工作面推进方向作剖面a-a、b-b、c-c，对比工作面通过不同产状沟谷时井下对应支架工作阻力的变化情况。沟谷剖面形状如图5所示，其中,a-a沟谷对应井下18#支架、25#支架、32#支架;b-b沟谷对应67#支架、74#支架、81#支架;c-c沟谷对应116#支架、123#支架、130#支架。

表3列出了沿工作面推进方向三个沟谷的产状及相应的支架工作阻力值。上部测区的沟谷垂深106 m，切割系数0.406，支架最大工作阻力7 763 kN，较地势平缓区阻力值增大8.0%，沟谷对阻力值的影响较为明显。中部测区的沟谷垂深72 m，切割系数0.294，支架最大工作阻力较地势平缓区阻力值增大4.9%，沟谷对阻力值存在一定影响。下部测区的冲沟切割系数为0.197，最大工作阻力较地势平缓区阻力值增大2.1%，沟谷对支架阻力的影响较小。可以看出，三个冲沟坡体角度近似相同，冲沟切割系数越大，工作面支架支护阻力变化越明显。

图5 沿工作面走向三个沟谷剖面形状Fig.5 Profile of gullies along the advance direction

表3 沟谷产状及支架压力特征Table 3 Gully parameters and support resistance

3.2 沿工作面倾向支架阻力分布特征

沿工作面倾向方向选取的5个典型剖面，各剖面距切眼的距离依次为280 m、630 m、860 m、960 m、1 150 m，各剖面如图6所示。表4列出了沟谷产状及对应的支架工作阻力情况。

由图6和表4可知，A-A段沟谷及D-D段沟谷切割系数分别为0.098、0.166，坡体角度为32°、29°，

图6 沿工作面倾向方向沟谷剖面Fig.6 Gully profile along the dip direction of work face

表4 沟谷产状及支架压力特征Table 4 Gully parameters and support resistance

工作面通过两沟谷时，支架工作阻力最大值分别为7 383 kN、7 522 kN，较地势平缓区阻力值变化率仅为±1%左右，沟谷对阻力值的影响不明显。C-C段沟谷及E-E段沟谷切割系数分别为0.314、0.306，沟谷坡体角度为42°、21°，工作面通过两沟谷时，支架工作阻力最大值分别为7 685 kN、7 648 kN，较地势平缓区阻力值变化率分别为3.2%、2.7%，沟谷对阻力值的影响较小。当工作面通过B-B段沟谷时，沟谷切割系数0.423，坡体角度34°，支架工作阻力最大值为8 094 kN，较地势平缓区阻力值增大了8.7%，沟谷对阻力值的影响比较显著。

可以看出，A-A段沟谷、B-B段沟谷、D-D段沟谷坡角大致相同，冲沟切割系数越大，支架阻力增量越大；C-C段沟谷、E-E段沟谷切割系数近似相等，坡角越大，支架阻力增量越大。

3.3 沟谷地形对支架阻力的影响特征

上述分析结果表明，地表沟谷地形对近浅埋煤层开采的矿压显现具有一定影响。冲沟坡体产状不同，支架支护阻力受影响程度不同，相对于沟谷垂深h0及坡体角度α，冲沟切割系数k是影响井下矿压显现的主要因素。冲沟切割系数与支架支护阻力的变化量的关系见表5。

表5 冲沟切割系数与支护阻力变化关系Table 5 Relationship between k and support resistance

沟谷地形下浅埋煤层开采时，单一关键层破断后不易形成稳定的“砌体梁”结构，主要的失稳方式为滑落失稳，垮落岩块的载荷将迅速传递到工作面支架上，地表沟谷的起伏进一步增大了上覆岩层载荷的不均匀性，导致工作面出现动载矿压现象。相比之下，王家岭煤矿煤层埋深增大，上覆岩层数量增多且具有双关键层结构，地表沟谷起伏形成的不均匀载荷在向下传递过程中会逐渐减弱，因此对支架阻力的影响程度相对较低。王家岭煤矿地表大部分冲沟的切割系数不超过0.40，支架阻力增量一般在8%以下。