地表溝谷對上灣煤礦超大采高工作面礦壓顯現規律影響分析

徐 濤 賀海濤

(神華集團有限責任公司，北京市東城區，100011)

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地表溝谷對上灣煤礦超大采高工作面礦壓顯現規律影響分析

徐 濤 賀海濤

(神華集團有限責任公司，北京市東城區，100011)

采用實地測量、遙感分析、理論計算等方法，就神東礦區地表石灰溝對上灣煤礦8 m超大采高工作面開采礦壓顯現影響進行了分析研究。結果表明，石灰溝對工作面整體影響范圍約為950 m，可劃分為正常回采區、溝谷影響區、溝谷影響危險區等3個區域；工作面覆巖存在2個關鍵層，其中主關鍵層與石灰溝溝底垂直距離約為17.7 m，主關鍵層受溝谷地貌的侵蝕影響程度不明顯，主關鍵層保持完整且破斷后容易形成穩定的“砌體梁”結構，預計工作面發生明顯動載礦壓災害的危險性較小。鑒于超大采高工作面上覆巖層運移規律、礦壓顯現規律、頂板控制、巷道圍巖控制均呈現新特點，提出了礦壓監控與預測、主關鍵層強化、開采技術方案優化、工作面支護質量提升等系列超大采高工作面過溝谷地貌動載礦壓防范措施。

溝谷地貌 超大采高工作面 關鍵層 礦壓顯現規律 上灣煤礦

隨著煤炭工業結構調整和轉型升級不斷推進，年產1500 Mt、2000 Mt的高產高效工作面建設已成為煤炭工業發展主流方向。神華神東集團已在大柳塔、補連塔、上灣等生產礦井先后建設了多個7 m 大采高工作面，并在補連塔煤礦實施了8 m超大采高工作面建設工作，超大采高工作面開采技術與裝備體系日趨成熟。基于成熟開采技術儲備并結合神東集團發展需要，擬在上灣煤礦4盤區首采工作面開展8 m以上超大采高工作面開采關鍵技術與裝備試驗驗證工作。王海軍等已對上灣煤礦8 m以上超大采高綜采工作面實現的可能性進行了分析和論證。

上灣煤礦為神東集團主力生產礦井之一，地處蒙陜交界的神東礦區。神東礦區具有淺埋深、薄基巖、厚松散層等特點，礦區地表植被較為稀疏，受降水、河流等侵蝕嚴重且地表溝谷較為發育，地形起伏落差可達70～80 m，部分溝谷呈基巖裸露狀態。大量的工作面開采實踐表明，復雜的溝谷地貌對工作面回采過程中礦壓顯現規律具有重要影響。當工作面推過溝谷地貌時礦壓顯現異常劇烈，易出現工作面切頂冒頂、煤壁大范圍片幫、液壓支架支撐立柱急劇壓縮等動載礦壓災害，工作面巷道圍巖變形控制困難，對工作面安全高效推進構成重大威脅。當工作面推過溝谷區域后，礦壓顯現逐步趨于正常。8 m以上超大采高工作面采場空間增大，工作面上覆巖層運移規律、礦壓顯現規律、頂板控制、巷道圍巖控制均呈現新的特點，為防止工作面開采過地表溝谷過程中出現動載礦壓災害，開展地表溝谷對超大采高工作面礦壓顯現規律影響分析十分必要。許家林、張志強等學者已就工作面推過地表溝谷地貌時動載礦壓顯現機理、主要影響因素等開展了大量研究，為預防礦壓災害、指導安全高效開采提供了有力支撐。

1 礦井及工作面概況

神東集團上灣煤礦井田基本構造形態為單斜構造，總體呈北西高、南東低的趨勢，其最高處位于井田西北部，海拔標高為+1347.0 m；最低處位于井田東南邊緣的活雞兔溝內，海拔標高為+1116.6 m，井田內地勢標高一般在+1150～+1300 m 之間，地貌特征多為丘陵地區，無明顯山地。區域內溝谷縱橫呈樹枝狀分布，主要溝谷為井田南端呈東西向展布的活雞兔溝，及呈北偏西方向展布的爾林兔溝、張家溝、巴圖敖包溝及石灰溝。地表多被新生界松散層覆蓋，各大溝內均有地下水出露，基巖出露部分長期遭受不同程度的風化剝蝕作用，淺部基巖疏松易碎、硬度較低，深部巖石致密堅硬。

區內可采煤層有1-2上煤層、1-2煤層、1-2下煤層、2-2煤層、3-1煤層，煤層總厚度為16.50 m，其中主采煤層3層，總厚度為13.96 m。12401工作面為4盤區首采面，是上灣煤礦首個8 m以上超大采高工作面，位于石灰溝正下方且推進方向與石灰溝展布方向斜交。

2 地質調查分析

根據神東礦區上灣煤礦井田邊界拐點坐標，在12401綜采工作面范圍內沿著推進方向在地面對應布置5個觀測點，開展野外實地地貌考察及衛星遙感影像分析工作，觀測點位置及部分觀測點實景如圖1所示。

圖1 野外觀測點位置及部分觀測點實景圖

基于12401工作面地表地貌野外考察工作，結合錄像、照片及實地測量等多源數據，提取了礦區范圍內地貌形態特征，掌握了12401工作面范圍內地表溝谷、河流發育情況，繪制完成了神東礦區井田及12401工作面含地表等高線三維效果圖。為了對12401工作面地表地貌特征進行詳盡分析，在12401工作面運輸巷外側100 m、工作面中部、回風巷外側100 m地表投影線處分別做C-C′剖面、A-A′剖面、B-B′剖面，各剖面線布置如圖2所示，剖面生成效果如圖3所示。

圖2 12041工作面剖面線位置

圖3 12401工作面及巷道剖面圖

由圖2和圖3可知，12401工作面推進過程中會斜穿過石灰溝，沿工作面推進方向地表高程總體呈下降趨勢，地表高程最高點在工作面開切眼附近(C、A、B點處)，地表標高約為+1320 m；地表高程最低點在石灰溝溝底處(C-C′剖面曲線最低點)，地表標高約為+1170 m，最高點、最低點高程差約為150 m；在工作面停采線附近，地表標高約為+1230 m，工作面切眼與停采線地表相對落差約為90 m。

根據石灰溝對工作面推進礦壓顯現的影響程度，可將12401工作面劃分為正常回采區、溝谷影響區、溝谷影響危險區3個區域，具體見圖4。12401工作面總長度約為5600 m，當工作面推進至2800 m時，工作面的回風巷最先進入石灰溝底部，地表標高約為+1160 m，與開切眼標高相差約160 m；當工作面推進至3300 m時，工作面中間進入石灰溝底部，對應地表標高約為+1145 m，與開切眼標高相差約175 m；當工作面推進約3600 m 時，工作面運輸巷進入石灰溝底部，對應地表標高約為+1140 m，與開切眼標高相差約180 m；當工作面推進至約3650 m時，工作面完全推過溝谷底部，因此，石灰溝對工作面推進方向上整體影響范圍約為950 m。

3 工作面上覆關鍵層評定

研究表明，過溝谷地貌時工作面發生動載礦壓的先決條件是溝谷段覆巖主關鍵層缺失。當溝谷地貌下方工作面主關鍵層受到溝谷侵蝕缺失后，鄰近溝谷斷面的主關鍵層塊體因缺少鄰溝水平方向約束力而不易形成穩定“砌體梁”結構，關鍵層塊體結構滑落失穩易導致切頂現象發生，工作面發生動載礦壓事故的概率增大。因此，可以通過判別工作面過溝谷段覆巖主關鍵層是否缺失來分析工作面推過溝谷段時是否存在動載礦壓顯現的危險性。

根據錢鳴高院士及相關專家針對關鍵層判別取得的系列研究成果，可采用“三步法”確定上覆巖層中關鍵層的具體位置，即自下而上依次判別覆巖中存在的相對較硬巖層、分別計算已判別相對較硬巖層的破斷距、比較硬巖層破斷距以分別確定亞關鍵層和主關鍵層。

3.1 工作面覆巖特征

根據上灣煤礦1-2煤層4盤區鉆孔取芯巖層柱狀資料，1-2煤層至地表之間上覆巖層41層，其中以粗粒砂巖、中粒砂巖、粉砂巖互層為主，覆巖特征如表1所示。

圖4 沿12401工作面推進方向溝谷影響區域劃分

序號巖層名稱實際厚度/m體積力/kN·m-3抗拉強度/MPa彈性模量/GPaY41風積砂20.8517.0Y40砂質泥巖1.6524.13.6018Y39粉砂巖6.0523.84.4535Y38砂質泥巖4.5024.13.6018Y37粉砂巖9.7623.84.4535Y36細粒砂巖2.4423.97.2032Y35粉砂巖2.1923.84.4535Y34中粒砂巖1.5024.86.1338Y33砂質泥巖4.2724.13.6018Y32粉砂巖4.2523.84.4535Y31中粒砂巖3.8524.86.1338Y30粉砂巖1.9023.84.4535Y29細粒砂巖1.1023.97.2032Y28砂質泥巖5.2024.13.6018Y27粉砂巖11.5023.84.4535Y26細粒砂巖2.8023.97.2032Y25粉砂巖9.5023.84.4535Y24中粒砂巖8.1424.86.1338Y23細粒砂巖3.5023.97.2032Y22粉砂巖1.1623.84.4535Y21細粒砂巖3.5023.97.2032Y20粉砂巖4.7723.84.4535Y19細粒砂巖1.4023.97.2032Y18粉砂巖5.8223.84.4535Y17細粒砂巖2.1623.97.2032Y16中粒砂巖2.2324.86.1338Y15粉砂巖2.2523.84.4535Y14細粒砂巖1.3023.97.2032Y13粉砂巖6.1323.84.4535Y12細粒砂巖2.0023.97.2032Y11粉砂巖5.2623.84.4535Y10砂質泥巖2.5224.13.6018Y9細粒砂巖1.4023.97.2032Y8粉砂巖12.0923.84.4535Y7細粒砂巖1.6923.97.2032Y6粉砂巖0.9023.84.4535Y5細粒砂巖3.4723.97.2032Y4泥巖0.7524.66.2221Y3中粒砂巖13.7124.86.1338Y2粉砂巖1.2823.84.4535Y1細粒砂巖8.0523.97.20321-2煤層8.8014.72.384

3.2 工作面上覆相對較硬巖層位置判別

根據關鍵層判別條件和計算式，以Qn表示第n層巖層自身載荷，以Qm/n表示第n～m層整體對第n層巖層作用載荷，則有：

(1)

式中：En——第n層巖層彈性模量，GPa；

hn——第n層巖層實際厚度，m；

γi——第i層巖層體積力，kN/m3。

自下而上逐層計算各上覆巖層載荷并判定關鍵層，關鍵層計算邊界至地表風積砂層為止。計算前n層分別對第1層的作用載荷Q1、Q2/1……Q(n-)/1、Qn/1，當Qn/1

經計算，Q3/1=81.81 kPa，Q2/1=221.88 kPa，Q3/1

3.3 相對較硬巖層簡化模型下破斷距計算及比較

相對較硬巖層破斷是彈性基礎上板的破斷問題，為便于計算，將相對較硬巖層的破斷簡化為兩端固支形式下梁的破斷形式，則第i層相對較硬覆巖的簡化破斷距離li為：

(1)

式中：hi——第i層相對較硬巖層的實際厚度，m；

σt——第i層相對較硬巖層的抗拉強度，Pa；

qi——上覆巖層對第i層相對較硬巖層的作用載荷，Pa。

4 溝谷對工作面礦壓顯現影響分析及應對措施

4.1 溝谷與工作面關鍵層位置對應關系

12401工作面地表平均標高約為+1260 m，石灰溝溝底地表標高約為+1170 m，在石灰溝溝底附近圈定1-2煤層埋深約為103 m，1-2煤層覆巖主關鍵層為1-2煤層上方85.3 m的中粒砂巖，則石灰溝溝底與主關鍵層垂直距離約為17.7 m，石灰溝溝底與關鍵層垂直層位剖面如圖5所示。

圖5 石灰溝溝底與關鍵層垂直層位剖面圖

結合1-2煤層關鍵層位置判別結果，溝谷地貌最低點與工作面上覆主關鍵層距離較大，主關鍵層受溝谷地貌的侵蝕影響程度不明顯，主關鍵層保持完整且破斷后易形成穩定的“砌體梁”結構，預計工作面發生動載礦壓的危險性較小。

4.2 工作面過溝谷地貌動載礦壓防范措施

實際上，工作面過溝谷時的礦壓顯現除受地表溝谷對關鍵層侵蝕程度影響外，還受溝谷深度坡度等形態特征及溝谷地表裂隙發育情況等多因素影響。同時，鑒于12401工作面采用8 m超大采高一次采全高技術，工作面上覆巖層運移規律、礦壓顯現規律、頂板控制、巷道圍巖控制均呈現新的特點，為盡可能降低工作面推進過程中溝谷地貌對礦壓顯現影響程度，提出了系列超大采高工作面過溝谷地貌動載礦壓防范措施。

(1)礦壓監控與預測。溝谷地貌條件下工作面的動載礦壓預測可借鑒工作面采場來壓監測預報方法，分別在工作面內、超前巷道中、工作面兩側布置礦壓動態監測儀，采集頂板下沉量、下沉速度、支柱載荷等動態信息，掌握工作面推進方向、工作面推進側向支撐壓力變化，實時分析頂板運動狀態和壓力分布，實現過溝谷時頂底板來壓規律準確預報，并為礦壓顯現規律異常采取控制措施提供有效依據。

(2)強化主關鍵層。開采過程中加強對主關鍵層的干預強化，通過注漿加強、強制放頂、采空區充填等措施降低主關鍵層異常失穩導致的動載礦壓顯現。對溝谷地段內的地表裂縫及時進行有效填堵，避免溝谷內主關鍵層結構被侵蝕和風化；通過地面鉆孔注漿強化關鍵層結構塊體穩定性，減小關鍵層結構失穩的可能性；準確判斷關鍵層位置后，在工作面推進過程中進行人工預破碎強制放頂；對采空區進行有效充填，減小工作面老頂和主關鍵層塊體回轉下沉量。

(3)優化開采技術方案。在溝谷地貌下布置工作面時，要充分考慮工作面推進方向和溝谷展布方向夾角，盡量使工作面推進方向與溝谷展布方向垂直或保持較大角度；合理控制工作面推進速度，在預測影響區域適當加快推進速度，使工作面快速推過礦壓影響較大區域，縮短壓力作用時間，減小循環內頂板下沉量；當工作面向溝谷開采時逐步降低采高以減小上覆巖層的變形運動空間，背離溝谷開采時逐步加大采高，保證在工作面推過溝谷時上覆巖層形成穩定的砌體梁結構。

(4)提升工作面支護質量。提高工作面支架初撐力、工作阻力，加強支架管路與閥件等關鍵部件維護保養，保證支護有效性，降低工作面動載礦壓顯現劇烈程度、頂板事故發生頻率。采取帶壓移架、間隔移架、頂板嚴重冒落區域提前移架、護幫板及時支護煤壁等措施，防止工作面過溝谷時由于動載礦壓的影響出現大面積頂板冒漏和煤壁片幫，保障工作面的連續推進、安全高效生產。

5 結論

(1)結合溝谷形態與工作面相對位置分析，石灰溝對工作面整體影響范圍約為950 m，并根據溝谷對12401工作面推進礦壓顯現影響程度劃分為正常回采區、溝谷影響區、溝谷影響危險區等3個區域。

(2)工作面過溝谷時動載礦壓顯現主要受地表溝谷對關鍵層侵蝕程度影響。根據關鍵層判別理論和方法，確定12401工作面覆巖存在2個關鍵層，其中主關鍵層為距工作面頂板約85.3 m的中粒砂巖，亞關鍵層為距工作面頂板約9.3 m的中粒砂巖。

(3)結合關鍵層判別結果，石灰溝最低點與主關鍵層垂直距離約為17.7 m，主關鍵層受溝谷地貌的侵蝕影響程度不明顯，主關鍵層保持完整且破斷后容易形成穩定的“砌體梁”結構，預計12401超大采高工作面發生明顯動載礦壓災害的危險性較小。

(4)從礦壓監控與預測、主關鍵層強化、開采技術方案優化、工作面支護質量提升等方面提出了工作面過溝谷時動載礦壓防護控制的系列措施，最大限度降低溝谷地貌對工作面推進的影響程度，實現工作面安全高效生產。

[1] 王海軍.神東礦區8 m以上超大采高綜采工作面技術探討[J].煤炭技術,2014(10)

[2] 許家林,朱衛兵,王曉振等.溝谷地形對淺埋煤層開采礦壓顯現的影響機理[J].煤炭學報,2012(2)

[3] 王方田,屠世浩,張艷偉等.沖溝地貌下淺埋煤層開采礦壓規律及頂板控制技術[J].采礦與安全工程學報,2015(6)

[4] 張志強,許家林,劉洪林等.溝深對淺埋煤層工作面礦壓的影響規律研究[J].采礦與安全工程學報,2013(4)

[5] 張志強,許家林,王露等.溝谷坡角對淺埋煤層工作面礦壓影響的研究[J].采礦與安全工程學報,2011(4)

[6] 張志強,許家林,王曉振等.溝谷地形下淺埋煤層工作面礦壓規律研究[J].中國煤炭,2011(6)

[7] 黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板控制研究[D] . 中國礦業大學,1998

[8] 王旭鋒.沖溝發育礦區淺埋煤層采動坡體活動機理及其控制研究[D].中國礦業大學,2009

[9] 錢鳴高,繆協興,何富連.采場“砌體梁”結構的關鍵塊分析[J].煤炭學報,1994(6)

[10] 錢鳴高, 繆協興, 許家林等. 巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社, 2000

[11] 許家林,錢鳴高.覆巖關鍵層位置的判別方法[J].中國礦業大學學報,2000(5)

[12] 錢鳴高,石平五,許家林. 礦山壓力與巖層控制[M] . 徐州:中國礦業大學出版社,2010

[13] 楊本生,張磊.覆巖關鍵層位置的快速判別及來壓預測[J].煤炭工程,2013(7)

[14] 邢平偉,宋選民,付玉平等.神東大采高超長工作面礦壓顯現強度預測研究[J].中國煤炭,2009(8)

(責任編輯 郭東芝)

Analysis of the influences of surface gully on rock pressure behavior in working face with larger mining height in Shangwan Coal Mine

Xu Tao, He Haitao

(Shenhua Group Corporation Ltd., Dongcheng, Beijing 100011, China)

By using field measurement, remote sensing analysis, theoretical calculation and other methods, the influences of surface lime gully of Shendong mining area on rock pressure behavior of working face with 8 m mining height in Shangwan Coal Mine were analyzed and studied. The results showed that the overall influencing range of lime gully was about 950 m, which could be divided into normal mining area, gully influencing area and gully influencing dangerous area; there were 2 key layers in overlying strata and the vertical dimension of main critical layer and the bottom of lime gully was about 17.7 m, the influencing degree of gully erosion on main critical layer was not obvious, and the main critical layer could maintain integrity and form a stable structure of voussoir beam after breaking, so the risk of obvious dynamic loading rock pressure disaster was low. Aiming at the new features of overlying stratum moving law, rock pressure behavior, roof controlling and roadway surrounding rock controlling of working face with extra large height, a series of precautionary measures for dynamic loading rock pressure brought by surface gully landform in working face with extra large mining height were put forward, including rock pressure monitoring and predicting, main critical layer strengthening, mining technology optimization and face timbering quality promotion.

gully landform, extra large mining height, main critical layer, rock pressure behavior, Shangwan Coal Mine

徐濤，賀海濤. 地表溝谷對上灣煤礦超大采高工作面礦壓顯現規律影響分析 [J]. 中國煤炭，2017,43(7)：49-54. Xu Tao, He Haitao. Analysis of the influences of surface gully on rock pressure behavior in working face with larger mining height in Shangwan Coal Mine[J]. China Coal, 2017, 43(7):49-54.

TD323

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徐濤(1974-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，高級工程師，從事物資管理等方面的工作。