麻地梁煤矿沟谷地形浅埋煤层矿压显现规律

肖国刚，姚文博

( 1. 内蒙古智能煤炭有限责任公司，内蒙古 准格尔旗 010400；2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116 )

我国煤炭资源开发正处于“西移”阶段[1]，据国家统计局数据显示，2019年山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等5省( 自治区 )原煤产量约29.5亿t，占全国总产量( 37.5亿t )的78.7%，为保障能源战略安全的重要煤炭生产基地[2]。我国西部地区地表普遍为黄土高原、丘陵沟谷发育，受风蚀水蚀严重，坡体千汇万状[3]，且赋存大量的浅埋煤层，可采厚度较大[4]。而随着浅埋深综放工作面开采空间的增大，覆岩悬露面积增加，伴随产生的采场强矿压问题也越来越凸显[5]，开采期间易发生片帮、冒顶和支架频繁压死等强烈动载矿压现象[6]。因而，有必要对综放开采浅埋深煤层过程中的工作面矿压显现规律进行研究。

当前，众多学者针对浅埋薄基岩厚松散层煤层的岩层运移和矿压显现规律进行了研究。许家林[7]等对浅埋煤层覆岩结构特征进行了分类，并探讨了各类结构失稳的特点；周勇[8]等着眼于载荷性质，研究其在覆岩结构中的传递特征，并以此作为矿压显现的演变依据；方刚[9]等利用现场实测、理论推导及数值模拟等方法建立了浅埋煤层煤柱稳定性评价体系，分析了影响老( 采 )空区安全的重要因素；杨登峰[10]等通过构建浅埋煤层隐伏断层倾角断裂力学模型，重点分析了断层倾角对来压步距和支架工作阻力的影响；李磊[11]从陕北地区采矿地质条件出发，揭示了浅埋深厚松散层薄基岩覆岩破坏特征；黄庆享[12]等对浅埋大采高工作面超前支承压力峰值演化规律进行了研究，得到了支承压力峰值位置计算公式，并在实测中得到了验证；刘全明[13]等通过现场监测和实验室相似模拟试验相结合的方法，重点分析浅埋深条件下的工作面顶板覆岩结构特征，发现基岩厚度的不同促使综放工作面的基岩结构出现差异，进而影响工作面上覆岩层整体矿压显现规律；蓝航[14]等对浅埋深条件下采煤工作面冲击地压机理及防治进行了研究，并就安全开采提出了及时切顶、煤体卸压以及提高支架初撑力等有效措施。

纵观当前的研究成果，多是针对浅埋深大采高工作面顶板结构以及覆岩运动规律，而对薄基岩、厚松散层，尤其是浅埋煤层工作面地表为沟谷特征的矿压显现规律研究较少。因此，为掌握沟谷地形下浅埋煤层工作面的矿压显现规律，笔者以内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿507工作面为例，采用现场监测与理论分析相结合的方法，对沟谷地形下浅埋煤层工作面的矿压显现规律进行了研究。

1 工程概况

麻地梁煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东段的准格尔旗东南隅，行政区划隶属准格尔旗龙口镇。煤矿设计生产能力为500 t/a，主采5煤层，位于二叠系山西组地层的底部。507工作面为麻地梁煤矿首采工作面，设计走向长度2 782 m，倾斜宽度250 m，面积6.96万m2。主采煤层厚度3.5～15.6 m，平均煤厚10.34 m( 含夹矸厚度 )，煤层倾角3°～7°，局部高达16°，平均5°。工作面采用全部垮落法采煤，采煤高度3.8 m，放煤高度6.6 m，采放比为1∶1.74。

工作面直接顶为灰～灰黑色泥岩，厚0～2.9 m，岩石强度均匀性和稳定性较差，易吸水软化。局部直接顶不发育；基本顶为粗砂岩，厚6.8～13.2 m，灰色～灰白色，泥质胶结，较疏松，成分以石英为主( 局部为含砾粗砂岩 )；直接底为泥岩或砂质泥岩，厚1.0～10.7 m，深灰色，泥质胶结，成分为长石、石英，含少量云母和暗色矿物；基本底为粗砂岩，厚0～18.9 m，水平层理，分选性差，泥质胶结，较疏松。具体情况如图1所示。

图1 岩层综合柱状 Fig. 1 Comprehensive columnar structure of strata

507综放工作面上覆地表形态复杂多变，沟壑纵横，植被稀疏，属于典型的沟谷地形。煤层顶板距地表102.7～245 m，平均185.8 m，最小处约86 m，其中基岩厚度79.1～149.0 m，平均107.0 m。具体地貌及等高线特征如图2所示，其中红色虚线内为浅埋深阶段。

图2 507工作面地貌特征 Fig. 2 Geomorphic characteristics of 507 working face

2 工作面一般矿压显现特征

2.1 测站布置方案

507工作面共安装140架ZF21000/29/45D型液压 支架，为全面掌握工作面的矿压显现规律，工作面内等间距设置矿压测站。即：每隔5个支架设立1个测站，第5号支架设立1号测站，第10号支架设立2号测站……，以此类推，至第140号支架为28号测站，并沿工作面倾向划分为上部测区( 115，120，125，130，135，140号 )、中部测区( 35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100，105，110号 )和下部测区( 5，10，15，20，25，30号 )。工作面矿压监测站具体布置如图3所示。

图3 507工作面矿压监测站布置 Fig. 3 Layout of mine pressure monitoring station in 507 working face

2.2 工作面矿压显现规律

507工作面开采进度如图4所示。自2020年9月24日起，507工作面进入浅埋深区域，根据矿方生产安排，采煤方式由每天6刀变为每天8刀，且只采不放。由图4( a )可知，2020年9月24日至12月12日，工 作面开采范围为721.4～1 115.9 m，累计推进394.5 m；由图4( b )可知，整个浅埋深阶段内，507工作 面开采速度维持在5 m/d左右，无较大波动。

图4 507工作面开采进度 Fig. 4 Mining progress of 507 working face

根据在线监测系统的实测数据，507工作面2020年9月24日至12月12日期间工作面液压支架推进距离-工作阻力云图及典型液压支架推进距离-工作阻力关系曲线如图5，6所示。

图5 工作面液压支架推进距离-工作阻力云图 Fig. 5 Working face hydraulic support advancing distance-working resistance nephogram

图6 典型液压支架工作阻力-推进距离关系曲线 Fig. 6 Working resistance-propulsion distance curves of typical hydraulic support

图5中，红色代表高应力区，绿色代表低应力区。从工作面倾向分析，较为连续的红色高应力区即为工作面来压。由图5，6可知，周期来压主要体现在工作面中部，呈现明显的“分区性”，即来压顺序为先中部、次上部、后下部，这与507工作面非浅埋深区域的矿压显现特征相似[6]。中部测区典型液压支架工作阻力变化显著，周期性特征明显；上、下部测区尤其是下部 测区的典型支架工作阻力波动幅度较小，前期无来压或来压特征不明显，总体来压次数少于中部测区。

507工作面周期来压特征见表1。

表1 工作面周期来压特征 Table 1 Periodic weighting characteristics of working face

由表1可知，沿工作面倾向及走向的不同区域，工作面来压步距、持续时间以及来压强度均存在较大差异。721.4～895 m范围内，工作面来压步距11～18 m，平均14.38 m；持续距离5～10 m，平均8 m；动载系数1.13～1.25，平均1.20，均属于较小程度范围。而895～1 115.9 m范围内，工作面来压步距14～30 m，平均21.20 m；持续距离16～25 m，平均22 m；动载系数1.31～1.42，平均1.36，来压步距增加，持续距离增长，动载系数亦有所上升。笔者认为这主要是由于该区域对应地表沿走向方向存在1条斜谷( 图7 )，895 m以前区域对应地表位于斜谷谷顶，覆岩厚度大，而895 m以后区域对应地表则位于斜谷谷底，覆岩厚度相对较小，致使煤层上覆岩层无法形成稳定结构，周期来压时随基本顶几乎同时垮落，进而导致工作面周期来压强度加大。

图7 浅埋深区域地表示意 Fig. 7 Surface sketch of shallow buried area

3 沟谷地形对工作面矿压显现特征的影响

507工作面浅埋深区域内煤层距地表覆岩厚度为86～146 m，平均120 m，最小处约86 m。根据前人研究经验[3,11-15]，埋深不超过150 m的冲沟发育矿区煤层开采时，地表起伏变化对矿压显现规律有较大影响，沟谷垂深h0、坡体角度α、煤层埋深H均与支架工作阻力密切相关，且冲沟切割系数k(k=h0/H)的提出有效指导了浅埋煤层矿压显现特征的研究和分析工作。而507工作面浅埋深区域煤层距地表的覆岩厚度均小于150 m的临界值，且为单关键层结构，与典型浅埋煤层地质特征类似。因此，笔者基于上述研究提出的方法，以507工作面浅埋深区域为研究对象，分别沿工作面倾向和走向方向各选取4个典型垂直剖面，对比研究不同坡体下支架工作阻力的变化特性，典型剖面位置选取如图8所示。

图8 典型剖面位置选取 Fig. 8 Selection of typical section location

3.1 沿工作面走向方向支架阻力特征

沿工作面走向方向，分别作剖面a—a，b—b，c—c和d—d，对比工作面处于不同产状沟谷时液压支架工作阻力的变化情况。沟谷剖面如图9所示，其中，a—a剖面位于下部测区，对应井下30～35号支架；b—b与c—c剖面位于中部测区，分别对应井下50～55号支架与65～70号支架；d—d位于上部测区，对应井下130～135号支架。

图9 走向方向典型剖面 Fig. 9 Typical section of strike direction

表2为沿工作面走向方向的沟谷产状及井下支架工作阻力。由表2可知，下部测区即a—a剖面沟谷垂深为23.9 m，切割系数为0.23，最大工作阻力为39.50 MPa，较非沟谷区增加约4.1%，沟谷对工作阻力的影响作用较小；中部测区即b—b与c—c剖面沟 谷垂深分别为45.9，59.8 m，切割系数分别为0.47，0.65，最大工作阻力为42.10，44.51 MPa，较平缓区分别增加了8.6%和11.3%，沟谷地形的影响效应显著；上部测区即d—d剖面沟谷垂深37.1 m，切割系数0.40，最大工作阻力为39.28 MPa，工作阻力变化率约为5.3%，沟谷地形影响作用一般。由此可见，切割系数k在所有影响因素中占主导作用，a—a，b—b，c—c剖面的沟谷坡角较为接近，而液压支架的工作阻力变化率则随冲沟切割系数的增长显著增加。

表2 走向方向沟谷产状及支架工作阻力特征 Table 2 Gully occurrence and support pressure characteristics of strike direction

3.2 沿工作面倾向方向支架阻力特征

沿工作面倾向方向选取的4个剖面，距507工作面浅埋深结束端的距离分别为35，110，325，370 m，沟谷剖面如图10所示。表3为沿工作面倾向方向各沟谷产状及井下液压支架工作阻力。

图10 倾向方向典型剖面 Fig. 10 Typical section of dip direction

由图10和表3可知，A—A，D—D剖面沟谷切割系数分别为0.23，0.28，沟谷坡角分别为22°和2°，工作面通过2个沟谷时，井下液压支架最大工作阻力分别为39.27，40.02 MPa，工作阻力较非沟谷地形区分别增加4.3%和3.8%，相差不超过1%。由此可见，当切割系数接近时，沟谷坡角越大，支架工作阻力变 化率越大，但增强效果不显著。B—B，C—C剖面沟谷坡角分别为29°和20°，切割系数分别为0.45，0.68，当工作面通过2个沟谷时，液压支架最大工作阻力分别为42.10，43.88 MPa，工作阻力较非沟谷地形区分别增加7.9%和10.5%。尽管B—B剖面的沟谷坡角大于C—C剖面，但其支架工作阻力变化率仍显著低于C—C剖面。由此可见，当切割系数存在明显差异时，沟谷坡角的影响作用被削弱，而切割系数占主导地位。

表3 倾向方向沟谷产状及支架工作阻力特征 Table 3 Gully occurrence and support pressure characteristics of dip direction

结合上述分析结果，去除特殊情况，可得出基于麻地梁煤矿地质条件的冲沟切割系数与支架工作阻力变化率的基本对照关系，见表4。相对于沟谷坡角，冲沟切割系数k对支架工作阻力的影响显著。k＜0.40时，支架工作阻力增量小于5%；k为0.40～0.65时，支架工作阻力增量处于5%～10%之间；而k＞0.65时，支架工作阻力增量超过10%。由此可见，当冲沟切割系数k＞0.65时，沟谷地形对工作面矿压显现规律产生显著影响，此时工作面应尽量加快推进速度，降低放顶煤的高度，必要时“只采不放”，并且应避免工作面出现长时间停采的情况，防止局部区域出现压架、冒顶等事故。

表4 冲沟切割系数与支架工作阻力变化率的关系 Table 4 Relationship between gully cutting coefficient and variation rate of support working resistance

4 结 论

( 1 ) 麻地梁煤矿507工作面浅埋深区域周期来压呈现明显的“分区性”，来压主要体现在中部测区，上、下部测区来压特征不显著，且总体来压次数少于中部。来压特征与煤层距地表的距离有关，随着覆岩厚度的减小，来压步距增大，持续距离延长，动载系数亦有所增加。

( 2 ) 沟谷地形对浅埋深工作面走向、倾向方向的矿压显现规律均有影响。对于井下液压支架的工作阻力变化率的影响作用，冲沟切割系数k占主导地位，沟谷坡角次之。随着二者的增加，支架工作阻力变化率均有所增加。

( 3 ) 基于麻地梁煤矿地质条件，得出冲沟切割系数k与支架工作阻力变化率的基本对照关系。冲沟系数k＞0.65时，支架工作阻力增量超过10%；冲沟系数k为0.40～0.65时，支架工作阻力增量处于5%～10%之间；冲沟切割系数k＜0.40时，支架工作阻力增量小于5%。