地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显现规律影响分析

徐 涛 贺海涛

(神华集团有限责任公司，北京市东城区，100011)



地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显现规律影响分析

徐 涛 贺海涛

(神华集团有限责任公司，北京市东城区，100011)

采用实地测量、遥感分析、理论计算等方法，就神东矿区地表石灰沟对上湾煤矿8 m超大采高工作面开采矿压显现影响进行了分析研究。结果表明，石灰沟对工作面整体影响范围约为950 m，可划分为正常回采区、沟谷影响区、沟谷影响危险区等3个区域；工作面覆岩存在2个关键层，其中主关键层与石灰沟沟底垂直距离约为17.7 m，主关键层受沟谷地貌的侵蚀影响程度不明显，主关键层保持完整且破断后容易形成稳定的“砌体梁”结构，预计工作面发生明显动载矿压灾害的危险性较小。鉴于超大采高工作面上覆岩层运移规律、矿压显现规律、顶板控制、巷道围岩控制均呈现新特点，提出了矿压监控与预测、主关键层强化、开采技术方案优化、工作面支护质量提升等系列超大采高工作面过沟谷地貌动载矿压防范措施。

沟谷地貌 超大采高工作面 关键层 矿压显现规律 上湾煤矿

随着煤炭工业结构调整和转型升级不断推进，年产1500 Mt、2000 Mt的高产高效工作面建设已成为煤炭工业发展主流方向。神华神东集团已在大柳塔、补连塔、上湾等生产矿井先后建设了多个7 m 大采高工作面，并在补连塔煤矿实施了8 m超大采高工作面建设工作，超大采高工作面开采技术与装备体系日趋成熟。基于成熟开采技术储备并结合神东集团发展需要，拟在上湾煤矿4盘区首采工作面开展8 m以上超大采高工作面开采关键技术与装备试验验证工作。王海军等已对上湾煤矿8 m以上超大采高综采工作面实现的可能性进行了分析和论证。

上湾煤矿为神东集团主力生产矿井之一，地处蒙陕交界的神东矿区。神东矿区具有浅埋深、薄基岩、厚松散层等特点，矿区地表植被较为稀疏，受降水、河流等侵蚀严重且地表沟谷较为发育，地形起伏落差可达70～80 m，部分沟谷呈基岩裸露状态。大量的工作面开采实践表明，复杂的沟谷地貌对工作面回采过程中矿压显现规律具有重要影响。当工作面推过沟谷地貌时矿压显现异常剧烈，易出现工作面切顶冒顶、煤壁大范围片帮、液压支架支撑立柱急剧压缩等动载矿压灾害，工作面巷道围岩变形控制困难，对工作面安全高效推进构成重大威胁。当工作面推过沟谷区域后，矿压显现逐步趋于正常。8 m以上超大采高工作面采场空间增大，工作面上覆岩层运移规律、矿压显现规律、顶板控制、巷道围岩控制均呈现新的特点，为防止工作面开采过地表沟谷过程中出现动载矿压灾害，开展地表沟谷对超大采高工作面矿压显现规律影响分析十分必要。许家林、张志强等学者已就工作面推过地表沟谷地貌时动载矿压显现机理、主要影响因素等开展了大量研究，为预防矿压灾害、指导安全高效开采提供了有力支撑。

1 矿井及工作面概况

神东集团上湾煤矿井田基本构造形态为单斜构造，总体呈北西高、南东低的趋势，其最高处位于井田西北部，海拔标高为+1347.0 m；最低处位于井田东南边缘的活鸡兔沟内，海拔标高为+1116.6 m，井田内地势标高一般在+1150～+1300 m 之间，地貌特征多为丘陵地区，无明显山地。区域内沟谷纵横呈树枝状分布，主要沟谷为井田南端呈东西向展布的活鸡兔沟，及呈北偏西方向展布的尔林兔沟、张家沟、巴图敖包沟及石灰沟。地表多被新生界松散层覆盖，各大沟内均有地下水出露，基岩出露部分长期遭受不同程度的风化剥蚀作用，浅部基岩疏松易碎、硬度较低，深部岩石致密坚硬。

区内可采煤层有1-2上煤层、1-2煤层、1-2下煤层、2-2煤层、3-1煤层，煤层总厚度为16.50 m，其中主采煤层3层，总厚度为13.96 m。12401工作面为4盘区首采面，是上湾煤矿首个8 m以上超大采高工作面，位于石灰沟正下方且推进方向与石灰沟展布方向斜交。

2 地质调查分析

根据神东矿区上湾煤矿井田边界拐点坐标，在12401综采工作面范围内沿着推进方向在地面对应布置5个观测点，开展野外实地地貌考察及卫星遥感影像分析工作，观测点位置及部分观测点实景如图1所示。

图1 野外观测点位置及部分观测点实景图

基于12401工作面地表地貌野外考察工作，结合录像、照片及实地测量等多源数据，提取了矿区范围内地貌形态特征，掌握了12401工作面范围内地表沟谷、河流发育情况，绘制完成了神东矿区井田及12401工作面含地表等高线三维效果图。为了对12401工作面地表地貌特征进行详尽分析，在12401工作面运输巷外侧100 m、工作面中部、回风巷外侧100 m地表投影线处分别做C-C′剖面、A-A′剖面、B-B′剖面，各剖面线布置如图2所示，剖面生成效果如图3所示。

图2 12041工作面剖面线位置

图3 12401工作面及巷道剖面图

由图2和图3可知，12401工作面推进过程中会斜穿过石灰沟，沿工作面推进方向地表高程总体呈下降趋势，地表高程最高点在工作面开切眼附近(C、A、B点处)，地表标高约为+1320 m；地表高程最低点在石灰沟沟底处(C-C′剖面曲线最低点)，地表标高约为+1170 m，最高点、最低点高程差约为150 m；在工作面停采线附近，地表标高约为+1230 m，工作面切眼与停采线地表相对落差约为90 m。

根据石灰沟对工作面推进矿压显现的影响程度，可将12401工作面划分为正常回采区、沟谷影响区、沟谷影响危险区3个区域，具体见图4。12401工作面总长度约为5600 m，当工作面推进至2800 m时，工作面的回风巷最先进入石灰沟底部，地表标高约为+1160 m，与开切眼标高相差约160 m；当工作面推进至3300 m时，工作面中间进入石灰沟底部，对应地表标高约为+1145 m，与开切眼标高相差约175 m；当工作面推进约3600 m 时，工作面运输巷进入石灰沟底部，对应地表标高约为+1140 m，与开切眼标高相差约180 m；当工作面推进至约3650 m时，工作面完全推过沟谷底部，因此，石灰沟对工作面推进方向上整体影响范围约为950 m。

3 工作面上覆关键层评定

研究表明，过沟谷地貌时工作面发生动载矿压的先决条件是沟谷段覆岩主关键层缺失。当沟谷地貌下方工作面主关键层受到沟谷侵蚀缺失后，邻近沟谷断面的主关键层块体因缺少邻沟水平方向约束力而不易形成稳定“砌体梁”结构，关键层块体结构滑落失稳易导致切顶现象发生，工作面发生动载矿压事故的概率增大。因此，可以通过判别工作面过沟谷段覆岩主关键层是否缺失来分析工作面推过沟谷段时是否存在动载矿压显现的危险性。

根据钱鸣高院士及相关专家针对关键层判别取得的系列研究成果，可采用“三步法”确定上覆岩层中关键层的具体位置，即自下而上依次判别覆岩中存在的相对较硬岩层、分别计算已判别相对较硬岩层的破断距、比较硬岩层破断距以分别确定亚关键层和主关键层。

3.1 工作面覆岩特征

根据上湾煤矿1-2煤层4盘区钻孔取芯岩层柱状资料，1-2煤层至地表之间上覆岩层41层，其中以粗粒砂岩、中粒砂岩、粉砂岩互层为主，覆岩特征如表1所示。

图4 沿12401工作面推进方向沟谷影响区域划分

序号岩层名称实际厚度/m体积力/kN·m-3抗拉强度/MPa弹性模量/GPaY41风积砂20.8517.0Y40砂质泥岩1.6524.13.6018Y39粉砂岩6.0523.84.4535Y38砂质泥岩4.5024.13.6018Y37粉砂岩9.7623.84.4535Y36细粒砂岩2.4423.97.2032Y35粉砂岩2.1923.84.4535Y34中粒砂岩1.5024.86.1338Y33砂质泥岩4.2724.13.6018Y32粉砂岩4.2523.84.4535Y31中粒砂岩3.8524.86.1338Y30粉砂岩1.9023.84.4535Y29细粒砂岩1.1023.97.2032Y28砂质泥岩5.2024.13.6018Y27粉砂岩11.5023.84.4535Y26细粒砂岩2.8023.97.2032Y25粉砂岩9.5023.84.4535Y24中粒砂岩8.1424.86.1338Y23细粒砂岩3.5023.97.2032Y22粉砂岩1.1623.84.4535Y21细粒砂岩3.5023.97.2032Y20粉砂岩4.7723.84.4535Y19细粒砂岩1.4023.97.2032Y18粉砂岩5.8223.84.4535Y17细粒砂岩2.1623.97.2032Y16中粒砂岩2.2324.86.1338Y15粉砂岩2.2523.84.4535Y14细粒砂岩1.3023.97.2032Y13粉砂岩6.1323.84.4535Y12细粒砂岩2.0023.97.2032Y11粉砂岩5.2623.84.4535Y10砂质泥岩2.5224.13.6018Y9细粒砂岩1.4023.97.2032Y8粉砂岩12.0923.84.4535Y7细粒砂岩1.6923.97.2032Y6粉砂岩0.9023.84.4535Y5细粒砂岩3.4723.97.2032Y4泥岩0.7524.66.2221Y3中粒砂岩13.7124.86.1338Y2粉砂岩1.2823.84.4535Y1细粒砂岩8.0523.97.20321-2煤层8.8014.72.384

3.2 工作面上覆相对较硬岩层位置判别

根据关键层判别条件和计算式，以Qn表示第n层岩层自身载荷，以Qm/n表示第n～m层整体对第n层岩层作用载荷，则有：

(1)

式中：En——第n层岩层弹性模量，GPa；

hn——第n层岩层实际厚度，m；

γi——第i层岩层体积力，kN/m3。

自下而上逐层计算各上覆岩层载荷并判定关键层，关键层计算边界至地表风积砂层为止。计算前n层分别对第1层的作用载荷Q1、Q2/1……Q(n-)/1、Qn/1，当Qn/1

经计算，Q3/1=81.81 kPa，Q2/1=221.88 kPa，Q3/1

3.3 相对较硬岩层简化模型下破断距计算及比较

相对较硬岩层破断是弹性基础上板的破断问题，为便于计算，将相对较硬岩层的破断简化为两端固支形式下梁的破断形式，则第i层相对较硬覆岩的简化破断距离li为：

(1)

式中：hi——第i层相对较硬岩层的实际厚度，m；

σt——第i层相对较硬岩层的抗拉强度，Pa；

qi——上覆岩层对第i层相对较硬岩层的作用载荷，Pa。

4 沟谷对工作面矿压显现影响分析及应对措施

4.1 沟谷与工作面关键层位置对应关系

12401工作面地表平均标高约为+1260 m，石灰沟沟底地表标高约为+1170 m，在石灰沟沟底附近圈定1-2煤层埋深约为103 m，1-2煤层覆岩主关键层为1-2煤层上方85.3 m的中粒砂岩，则石灰沟沟底与主关键层垂直距离约为17.7 m，石灰沟沟底与关键层垂直层位剖面如图5所示。

图5 石灰沟沟底与关键层垂直层位剖面图

结合1-2煤层关键层位置判别结果，沟谷地貌最低点与工作面上覆主关键层距离较大，主关键层受沟谷地貌的侵蚀影响程度不明显，主关键层保持完整且破断后易形成稳定的“砌体梁”结构，预计工作面发生动载矿压的危险性较小。

4.2 工作面过沟谷地貌动载矿压防范措施

实际上，工作面过沟谷时的矿压显现除受地表沟谷对关键层侵蚀程度影响外，还受沟谷深度坡度等形态特征及沟谷地表裂隙发育情况等多因素影响。同时，鉴于12401工作面采用8 m超大采高一次采全高技术，工作面上覆岩层运移规律、矿压显现规律、顶板控制、巷道围岩控制均呈现新的特点，为尽可能降低工作面推进过程中沟谷地貌对矿压显现影响程度，提出了系列超大采高工作面过沟谷地貌动载矿压防范措施。

(1)矿压监控与预测。沟谷地貌条件下工作面的动载矿压预测可借鉴工作面采场来压监测预报方法，分别在工作面内、超前巷道中、工作面两侧布置矿压动态监测仪，采集顶板下沉量、下沉速度、支柱载荷等动态信息，掌握工作面推进方向、工作面推进侧向支撑压力变化，实时分析顶板运动状态和压力分布，实现过沟谷时顶底板来压规律准确预报，并为矿压显现规律异常采取控制措施提供有效依据。

(2)强化主关键层。开采过程中加强对主关键层的干预强化，通过注浆加强、强制放顶、采空区充填等措施降低主关键层异常失稳导致的动载矿压显现。对沟谷地段内的地表裂缝及时进行有效填堵，避免沟谷内主关键层结构被侵蚀和风化；通过地面钻孔注浆强化关键层结构块体稳定性，减小关键层结构失稳的可能性；准确判断关键层位置后，在工作面推进过程中进行人工预破碎强制放顶；对采空区进行有效充填，减小工作面老顶和主关键层块体回转下沉量。

(3)优化开采技术方案。在沟谷地貌下布置工作面时，要充分考虑工作面推进方向和沟谷展布方向夹角，尽量使工作面推进方向与沟谷展布方向垂直或保持较大角度；合理控制工作面推进速度，在预测影响区域适当加快推进速度，使工作面快速推过矿压影响较大区域，缩短压力作用时间，减小循环内顶板下沉量；当工作面向沟谷开采时逐步降低采高以减小上覆岩层的变形运动空间，背离沟谷开采时逐步加大采高，保证在工作面推过沟谷时上覆岩层形成稳定的砌体梁结构。

(4)提升工作面支护质量。提高工作面支架初撑力、工作阻力，加强支架管路与阀件等关键部件维护保养，保证支护有效性，降低工作面动载矿压显现剧烈程度、顶板事故发生频率。采取带压移架、间隔移架、顶板严重冒落区域提前移架、护帮板及时支护煤壁等措施，防止工作面过沟谷时由于动载矿压的影响出现大面积顶板冒漏和煤壁片帮，保障工作面的连续推进、安全高效生产。

5 结论

(1)结合沟谷形态与工作面相对位置分析，石灰沟对工作面整体影响范围约为950 m，并根据沟谷对12401工作面推进矿压显现影响程度划分为正常回采区、沟谷影响区、沟谷影响危险区等3个区域。

(2)工作面过沟谷时动载矿压显现主要受地表沟谷对关键层侵蚀程度影响。根据关键层判别理论和方法，确定12401工作面覆岩存在2个关键层，其中主关键层为距工作面顶板约85.3 m的中粒砂岩，亚关键层为距工作面顶板约9.3 m的中粒砂岩。

(3)结合关键层判别结果，石灰沟最低点与主关键层垂直距离约为17.7 m，主关键层受沟谷地貌的侵蚀影响程度不明显，主关键层保持完整且破断后容易形成稳定的“砌体梁”结构，预计12401超大采高工作面发生明显动载矿压灾害的危险性较小。

(4)从矿压监控与预测、主关键层强化、开采技术方案优化、工作面支护质量提升等方面提出了工作面过沟谷时动载矿压防护控制的系列措施，最大限度降低沟谷地貌对工作面推进的影响程度，实现工作面安全高效生产。

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(责任编辑 郭东芝)

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

徐涛，贺海涛. 地表沟谷对上湾煤矿超大采高工作面矿压显现规律影响分析 [J]. 中国煤炭，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

A

徐涛(1974-)，男，山东临沂人，硕士研究生，高级工程师，从事物资管理等方面的工作。