麻地梁煤礦溝谷地形淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

肖國剛，姚文博

( 1. 內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司，內(nèi)蒙古 準格爾旗 010400；2. 中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116 )

我國煤炭資源開發(fā)正處于“西移”階段[1]，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等5省( 自治區(qū) )原煤產(chǎn)量約29.5億t，占全國總產(chǎn)量( 37.5億t )的78.7%，為保障能源戰(zhàn)略安全的重要煤炭生產(chǎn)基地[2]。我國西部地區(qū)地表普遍為黃土高原、丘陵溝谷發(fā)育，受風蝕水蝕嚴重，坡體千匯萬狀[3]，且賦存大量的淺埋煤層，可采厚度較大[4]。而隨著淺埋深綜放工作面開采空間的增大，覆巖懸露面積增加，伴隨產(chǎn)生的采場強礦壓問題也越來越凸顯[5]，開采期間易發(fā)生片幫、冒頂和支架頻繁壓死等強烈動載礦壓現(xiàn)象[6]。因而，有必要對綜放開采淺埋深煤層過程中的工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行研究。

當前，眾多學者針對淺埋薄基巖厚松散層煤層的巖層運移和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。許家林[7]等對淺埋煤層覆巖結(jié)構特征進行了分類，并探討了各類結(jié)構失穩(wěn)的特點；周勇[8]等著眼于載荷性質(zhì)，研究其在覆巖結(jié)構中的傳遞特征，并以此作為礦壓顯現(xiàn)的演變依據(jù)；方剛[9]等利用現(xiàn)場實測、理論推導及數(shù)值模擬等方法建立了淺埋煤層煤柱穩(wěn)定性評價體系，分析了影響老( 采 )空區(qū)安全的重要因素；楊登峰[10]等通過構建淺埋煤層隱伏斷層傾角斷裂力學模型，重點分析了斷層傾角對來壓步距和支架工作阻力的影響；李磊[11]從陜北地區(qū)采礦地質(zhì)條件出發(fā)，揭示了淺埋深厚松散層薄基巖覆巖破壞特征；黃慶享[12]等對淺埋大采高工作面超前支承壓力峰值演化規(guī)律進行了研究，得到了支承壓力峰值位置計算公式，并在實測中得到了驗證；劉全明[13]等通過現(xiàn)場監(jiān)測和實驗室相似模擬試驗相結(jié)合的方法，重點分析淺埋深條件下的工作面頂板覆巖結(jié)構特征，發(fā)現(xiàn)基巖厚度的不同促使綜放工作面的基巖結(jié)構出現(xiàn)差異，進而影響工作面上覆巖層整體礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；藍航[14]等對淺埋深條件下采煤工作面沖擊地壓機理及防治進行了研究，并就安全開采提出了及時切頂、煤體卸壓以及提高支架初撐力等有效措施。

縱觀當前的研究成果，多是針對淺埋深大采高工作面頂板結(jié)構以及覆巖運動規(guī)律，而對薄基巖、厚松散層，尤其是淺埋煤層工作面地表為溝谷特征的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少。因此，為掌握溝谷地形下淺埋煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，筆者以內(nèi)蒙古智能煤炭有限責任公司麻地梁煤礦507工作面為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測與理論分析相結(jié)合的方法，對溝谷地形下淺埋煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。

1 工程概況

麻地梁煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東段的準格爾旗東南隅，行政區(qū)劃隸屬準格爾旗龍口鎮(zhèn)。煤礦設計生產(chǎn)能力為500 t/a，主采5煤層，位于二疊系山西組地層的底部。507工作面為麻地梁煤礦首采工作面，設計走向長度2 782 m，傾斜寬度250 m，面積6.96萬m2。主采煤層厚度3.5～15.6 m，平均煤厚10.34 m( 含夾矸厚度 )，煤層傾角3°～7°，局部高達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，采放比為1∶1.74。

工作面直接頂為灰～灰黑色泥巖，厚0～2.9 m，巖石強度均勻性和穩(wěn)定性較差，易吸水軟化。局部直接頂不發(fā)育；基本頂為粗砂巖，厚6.8～13.2 m，灰色～灰白色，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松，成分以石英為主( 局部為含礫粗砂巖 )；直接底為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚1.0～10.7 m，深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，成分為長石、石英，含少量云母和暗色礦物；基本底為粗砂巖，厚0～18.9 m，水平層理，分選性差，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松。具體情況如圖1所示。

圖1 巖層綜合柱狀 Fig. 1 Comprehensive columnar structure of strata

507綜放工作面上覆地表形態(tài)復雜多變，溝壑縱橫，植被稀疏，屬于典型的溝谷地形。煤層頂板距地表102.7～245 m，平均185.8 m，最小處約86 m，其中基巖厚度79.1～149.0 m，平均107.0 m。具體地貌及等高線特征如圖2所示，其中紅色虛線內(nèi)為淺埋深階段。

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

2 工作面一般礦壓顯現(xiàn)特征

2.1 測站布置方案

507工作面共安裝140架ZF21000/29/45D型液壓 支架，為全面掌握工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，工作面內(nèi)等間距設置礦壓測站。即：每隔5個支架設立1個測站，第5號支架設立1號測站，第10號支架設立2號測站……，以此類推，至第140號支架為28號測站，并沿工作面傾向劃分為上部測區(qū)( 115，120，125，130，135，140號 )、中部測區(qū)( 35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100，105，110號 )和下部測區(qū)( 5，10，15，20，25，30號 )。工作面礦壓監(jiān)測站具體布置如圖3所示。

圖3 507工作面礦壓監(jiān)測站布置 Fig. 3 Layout of mine pressure monitoring station in 507 working face

2.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

507工作面開采進度如圖4所示。自2020年9月24日起，507工作面進入淺埋深區(qū)域，根據(jù)礦方生產(chǎn)安排，采煤方式由每天6刀變?yōu)槊刻?刀，且只采不放。由圖4( a )可知，2020年9月24日至12月12日，工 作面開采范圍為721.4～1 115.9 m，累計推進394.5 m；由圖4( b )可知，整個淺埋深階段內(nèi)，507工作 面開采速度維持在5 m/d左右，無較大波動。

圖4 507工作面開采進度 Fig. 4 Mining progress of 507 working face

根據(jù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，507工作面2020年9月24日至12月12日期間工作面液壓支架推進距離-工作阻力云圖及典型液壓支架推進距離-工作阻力關系曲線如圖5，6所示。

圖5 工作面液壓支架推進距離-工作阻力云圖 Fig. 5 Working face hydraulic support advancing distance-working resistance nephogram

圖6 典型液壓支架工作阻力-推進距離關系曲線 Fig. 6 Working resistance-propulsion distance curves of typical hydraulic support

圖5中，紅色代表高應力區(qū)，綠色代表低應力區(qū)。從工作面傾向分析，較為連續(xù)的紅色高應力區(qū)即為工作面來壓。由圖5，6可知，周期來壓主要體現(xiàn)在工作面中部，呈現(xiàn)明顯的“分區(qū)性”，即來壓順序為先中部、次上部、后下部，這與507工作面非淺埋深區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)特征相似[6]。中部測區(qū)典型液壓支架工作阻力變化顯著，周期性特征明顯；上、下部測區(qū)尤其是下部 測區(qū)的典型支架工作阻力波動幅度較小，前期無來壓或來壓特征不明顯，總體來壓次數(shù)少于中部測區(qū)。

507工作面周期來壓特征見表1。

表1 工作面周期來壓特征 Table 1 Periodic weighting characteristics of working face

由表1可知，沿工作面傾向及走向的不同區(qū)域，工作面來壓步距、持續(xù)時間以及來壓強度均存在較大差異。721.4～895 m范圍內(nèi)，工作面來壓步距11～18 m，平均14.38 m；持續(xù)距離5～10 m，平均8 m；動載系數(shù)1.13～1.25，平均1.20，均屬于較小程度范圍。而895～1 115.9 m范圍內(nèi)，工作面來壓步距14～30 m，平均21.20 m；持續(xù)距離16～25 m，平均22 m；動載系數(shù)1.31～1.42，平均1.36，來壓步距增加，持續(xù)距離增長，動載系數(shù)亦有所上升。筆者認為這主要是由于該區(qū)域?qū)乇硌刈呦蚍较虼嬖?條斜谷( 圖7 )，895 m以前區(qū)域?qū)乇砦挥谛惫裙软?，覆巖厚度大，而895 m以后區(qū)域?qū)乇韯t位于斜谷谷底，覆巖厚度相對較小，致使煤層上覆巖層無法形成穩(wěn)定結(jié)構，周期來壓時隨基本頂幾乎同時垮落，進而導致工作面周期來壓強度加大。

圖7 淺埋深區(qū)域地表示意 Fig. 7 Surface sketch of shallow buried area

3 溝谷地形對工作面礦壓顯現(xiàn)特征的影響

507工作面淺埋深區(qū)域內(nèi)煤層距地表覆巖厚度為86～146 m，平均120 m，最小處約86 m。根據(jù)前人研究經(jīng)驗[3,11-15]，埋深不超過150 m的沖溝發(fā)育礦區(qū)煤層開采時，地表起伏變化對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有較大影響，溝谷垂深h0、坡體角度α、煤層埋深H均與支架工作阻力密切相關，且沖溝切割系數(shù)k(k=h0/H)的提出有效指導了淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)特征的研究和分析工作。而507工作面淺埋深區(qū)域煤層距地表的覆巖厚度均小于150 m的臨界值，且為單關鍵層結(jié)構，與典型淺埋煤層地質(zhì)特征類似。因此，筆者基于上述研究提出的方法，以507工作面淺埋深區(qū)域為研究對象，分別沿工作面傾向和走向方向各選取4個典型垂直剖面，對比研究不同坡體下支架工作阻力的變化特性，典型剖面位置選取如圖8所示。

圖8 典型剖面位置選取 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，分別作剖面a—a，b—b，c—c和d—d，對比工作面處于不同產(chǎn)狀溝谷時液壓支架工作阻力的變化情況。溝谷剖面如圖9所示，其中，a—a剖面位于下部測區(qū)，對應井下30～35號支架；b—b與c—c剖面位于中部測區(qū)，分別對應井下50～55號支架與65～70號支架；d—d位于上部測區(qū)，對應井下130～135號支架。

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

表2為沿工作面走向方向的溝谷產(chǎn)狀及井下支架工作阻力。由表2可知，下部測區(qū)即a—a剖面溝谷垂深為23.9 m，切割系數(shù)為0.23，最大工作阻力為39.50 MPa，較非溝谷區(qū)增加約4.1%，溝谷對工作阻力的影響作用較??；中部測區(qū)即b—b與c—c剖面溝 谷垂深分別為45.9，59.8 m，切割系數(shù)分別為0.47，0.65，最大工作阻力為42.10，44.51 MPa，較平緩區(qū)分別增加了8.6%和11.3%，溝谷地形的影響效應顯著；上部測區(qū)即d—d剖面溝谷垂深37.1 m，切割系數(shù)0.40，最大工作阻力為39.28 MPa，工作阻力變化率約為5.3%，溝谷地形影響作用一般。由此可見，切割系數(shù)k在所有影響因素中占主導作用，a—a，b—b，c—c剖面的溝谷坡角較為接近，而液壓支架的工作阻力變化率則隨沖溝切割系數(shù)的增長顯著增加。

表2 走向方向溝谷產(chǎn)狀及支架工作阻力特征 Table 2 Gully occurrence and support pressure characteristics of strike direction

3.2 沿工作面傾向方向支架阻力特征

沿工作面傾向方向選取的4個剖面，距507工作面淺埋深結(jié)束端的距離分別為35，110，325，370 m，溝谷剖面如圖10所示。表3為沿工作面傾向方向各溝谷產(chǎn)狀及井下液壓支架工作阻力。

圖10 傾向方向典型剖面 Fig. 10 Typical section of dip direction

由圖10和表3可知，A—A，D—D剖面溝谷切割系數(shù)分別為0.23，0.28，溝谷坡角分別為22°和2°，工作面通過2個溝谷時，井下液壓支架最大工作阻力分別為39.27，40.02 MPa，工作阻力較非溝谷地形區(qū)分別增加4.3%和3.8%，相差不超過1%。由此可見，當切割系數(shù)接近時，溝谷坡角越大，支架工作阻力變 化率越大，但增強效果不顯著。B—B，C—C剖面溝谷坡角分別為29°和20°，切割系數(shù)分別為0.45，0.68，當工作面通過2個溝谷時，液壓支架最大工作阻力分別為42.10，43.88 MPa，工作阻力較非溝谷地形區(qū)分別增加7.9%和10.5%。盡管B—B剖面的溝谷坡角大于C—C剖面，但其支架工作阻力變化率仍顯著低于C—C剖面。由此可見，當切割系數(shù)存在明顯差異時，溝谷坡角的影響作用被削弱，而切割系數(shù)占主導地位。

表3 傾向方向溝谷產(chǎn)狀及支架工作阻力特征 Table 3 Gully occurrence and support pressure characteristics of dip direction

結(jié)合上述分析結(jié)果，去除特殊情況，可得出基于麻地梁煤礦地質(zhì)條件的沖溝切割系數(shù)與支架工作阻力變化率的基本對照關系，見表4。相對于溝谷坡角，沖溝切割系數(shù)k對支架工作阻力的影響顯著。k＜0.40時，支架工作阻力增量小于5%；k為0.40～0.65時，支架工作阻力增量處于5%～10%之間；而k＞0.65時，支架工作阻力增量超過10%。由此可見，當沖溝切割系數(shù)k＞0.65時，溝谷地形對工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律產(chǎn)生顯著影響，此時工作面應盡量加快推進速度，降低放頂煤的高度，必要時“只采不放”，并且應避免工作面出現(xiàn)長時間停采的情況，防止局部區(qū)域出現(xiàn)壓架、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

表4 沖溝切割系數(shù)與支架工作阻力變化率的關系 Table 4 Relationship between gully cutting coefficient and variation rate of support working resistance

4 結(jié) 論

( 1 ) 麻地梁煤礦507工作面淺埋深區(qū)域周期來壓呈現(xiàn)明顯的“分區(qū)性”，來壓主要體現(xiàn)在中部測區(qū)，上、下部測區(qū)來壓特征不顯著，且總體來壓次數(shù)少于中部。來壓特征與煤層距地表的距離有關，隨著覆巖厚度的減小，來壓步距增大，持續(xù)距離延長，動載系數(shù)亦有所增加。

( 2 ) 溝谷地形對淺埋深工作面走向、傾向方向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均有影響。對于井下液壓支架的工作阻力變化率的影響作用，沖溝切割系數(shù)k占主導地位，溝谷坡角次之。隨著二者的增加，支架工作阻力變化率均有所增加。

( 3 ) 基于麻地梁煤礦地質(zhì)條件，得出沖溝切割系數(shù)k與支架工作阻力變化率的基本對照關系。沖溝系數(shù)k＞0.65時，支架工作阻力增量超過10%；沖溝系數(shù)k為0.40～0.65時，支架工作阻力增量處于5%～10%之間；沖溝切割系數(shù)k＜0.40時，支架工作阻力增量小于5%。