王宏志，劉洪林，宋帥帥，陳運(yùn)財(cái)

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；2.礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開(kāi)采自治區(qū)教育廳普通本科高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830046)

我國(guó)西部礦區(qū)地表多為黃土高原、丘陵溝谷發(fā)育區(qū)，受風(fēng)蝕水蝕嚴(yán)重，坡體產(chǎn)狀變化大[1-2]。淺埋煤層溝谷下開(kāi)采時(shí)常會(huì)出現(xiàn)工作面壓架、大面積冒頂及煤柱傾倒等動(dòng)載礦壓災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井的安全高效開(kāi)采[3-5]。因此，采礦界專家學(xué)者開(kāi)始逐漸重視地形地貌對(duì)煤礦井下開(kāi)采的影響，進(jìn)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(duì)下部各向同性巖體自重應(yīng)力場(chǎng)的影響，認(rèn)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(dǎo)致在溝谷底部和山腳處形成應(yīng)力集中，進(jìn)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(qiáng)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(guò)對(duì)不同坡角、溝深模擬實(shí)驗(yàn)得出：溝谷坡角越大礦壓顯現(xiàn)越強(qiáng)烈，當(dāng)坡角小于15°時(shí)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(dòng)載礦壓顯現(xiàn)越強(qiáng)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(qiáng)度不大。王方田等[10]分析了不同采高條件下采場(chǎng)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(kāi)段”的特征，應(yīng)用加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、局部降低采高、工作面快速推進(jìn)等措施，確保沖溝下淺埋煤層的安全高效開(kāi)采。

縱觀當(dāng)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(kāi)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(duì)煤層開(kāi)采具有較大影響。但對(duì)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(duì)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?xùn)|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(fù)雜多變，為強(qiáng)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(cuò)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(wú)外露，工作面地表形態(tài)特征如圖1所示。20105工作面走向長(zhǎng)1 231 m，傾向長(zhǎng)249 m，地面標(biāo)高750～885.5 m，主采2#煤層底板標(biāo)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(zhǎng)壁綜采放頂煤技術(shù)開(kāi)采，ZFY8000/22/35型液壓支架支護(hù)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(cè)站布置

為掌握溝谷地形下工作面的來(lái)壓規(guī)律，20105工作面安裝了頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，布置21臺(tái)支架壓力監(jiān)測(cè)分站，從4號(hào)支架開(kāi)始安裝1號(hào)測(cè)站，后每隔6架布置一測(cè)站，并沿工作面傾向劃分為上部測(cè)區(qū)(4#、11#、18#、25#、32#、39#、46#)、中部測(cè)區(qū)(53#、60#、67#、74#、81#、88#、95#)、下部測(cè)區(qū)(102#、109#、116#、123#、130#、137#、144#)，測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及井下頂板破斷情況，20105工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓特征見(jiàn)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(lái)壓步距、持續(xù)時(shí)間及來(lái)壓強(qiáng)度均存在較大差異。初次來(lái)壓期間，工作面上部、中部、下部的平均來(lái)壓步距分別為61.2 m、54.7 m、50.4 m，持續(xù)時(shí)間分別為24 h、26 h、23 h，動(dòng)載系數(shù)分別為1.52、1.76、1.34。工作面中部的來(lái)壓強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間超過(guò)工作面兩側(cè)的特征值。

周期來(lái)壓期間，工作面上部、中部、下部的平均來(lái)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(shí)間為18.7 h、21.6 h、19.8 h。工作面中部的來(lái)壓影響范圍、持續(xù)時(shí)間及來(lái)壓強(qiáng)度均大于工作面兩端的來(lái)壓特征值。

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

表2 工作面周期來(lái)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(guò)150 m)開(kāi)采時(shí)，地表起伏變化對(duì)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(duì)溝谷影響支架阻力敏感性進(jìn)行分類的方法，有效指導(dǎo)了淺埋煤層開(kāi)采的工程實(shí)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(duì)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(gè)典型垂直剖面，其中，3個(gè)沿工作面推進(jìn)方向，5個(gè)沿工作面傾向方向，對(duì)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(cè)區(qū)、中部測(cè)區(qū)和下部測(cè)區(qū)分別沿工作面推進(jìn)方向作剖面a-a、b-b、c-c，對(duì)比工作面通過(guò)不同產(chǎn)狀溝谷時(shí)井下對(duì)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(duì)應(yīng)井下18#支架、25#支架、32#支架;b-b溝谷對(duì)應(yīng)67#支架、74#支架、81#支架;c-c溝谷對(duì)應(yīng)116#支架、123#支架、130#支架。

表3列出了沿工作面推進(jìn)方向三個(gè)溝谷的產(chǎn)狀及相應(yīng)的支架工作阻力值。 上部測(cè)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(shì)平緩區(qū)阻力值增大8.0%，溝谷對(duì)阻力值的影響較為明顯。中部測(cè)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(shì)平緩區(qū)阻力值增大4.9%，溝谷對(duì)阻力值存在一定影響。下部測(cè)區(qū)的沖溝切割系數(shù)為0.197，最大工作阻力較地勢(shì)平緩區(qū)阻力值增大2.1%，溝谷對(duì)支架阻力的影響較小?？梢钥闯?，三個(gè)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(hù)阻力變化越明顯。

圖5 沿工作面走向三個(gè)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(gè)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(duì)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(guò)兩溝谷時(shí)，支架工作阻力最大值分別為7 383 kN、7 522 kN，較地勢(shì)平緩區(qū)阻力值變化率僅為±1%左右，溝谷對(duì)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(guò)兩溝谷時(shí)，支架工作阻力最大值分別為7 685 kN、7 648 kN，較地勢(shì)平緩區(qū)阻力值變化率分別為3.2%、2.7%，溝谷對(duì)阻力值的影響較小。當(dāng)工作面通過(guò)B-B段溝谷時(shí)，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(shì)平緩區(qū)阻力值增大了8.7%，溝谷對(duì)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(duì)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(duì)近淺埋煤層開(kāi)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(hù)阻力受影響程度不同，相對(duì)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(hù)阻力的變化量的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 沖溝切割系數(shù)與支護(hù)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(kāi)采時(shí)，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(jìn)一步增大了上覆巖層載荷的不均勻性，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)動(dòng)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(guò)程中會(huì)逐漸減弱，因此對(duì)支架阻力的影響程度相對(duì)較低。王家?guī)X煤礦地表大部分沖溝的切割系數(shù)不超過(guò)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(lái)壓步距、持續(xù)時(shí)間及來(lái)壓強(qiáng)度不同，工作面中部初次來(lái)壓與周期來(lái)壓的持續(xù)時(shí)間及來(lái)壓強(qiáng)度均大于工作面兩端的來(lái)壓特征值。

2) 溝谷地形對(duì)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(hù)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(shí)，支架阻力增量超過(guò)8%，沖溝切割系數(shù)小于0.17時(shí)，支架阻力無(wú)明顯變化；溝谷地形對(duì)近淺埋煤層工作面支架阻力的影響程度相對(duì)較低。