沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究.pdf

Vol 29,No. 9 Sept 2020 第29卷第9期 2020年9月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究 王宏志12,刘洪林12,宋帅帅1,陈运财1 1.新疆大学地质与矿业工程学院,新疆乌鲁木齐830046； 2.矿产资源生态环境保护性开采自治区教育厅普通本科高校重N实验室， 新疆乌鲁木齐830046 摘 要为掌握沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律，以王家岭煤矿20105工作面地质条件及生 产实践为基础，采用顶板动态监测系统，分别对不同坡体下工作面液压支架工作阻力特性进行观测，分析 了沟谷垂深、坡体角度、冲沟切割系数对工作面矿压显现的影响。研究表明，沿工作面倾向不同区域的来 压步距、持续时间及来压强度均不同，工作面中部的初次及周期来压强度均大于工作面两端的来压强度； 相较于沟谷垂深及坡体角度，冲沟切割系数是影响工作面矿压显现的主要因素，冲沟切割系数大于0. 4 时，支架阻力增量超过8，冲沟切割系数小于0.17时，支架阻力增量变化不明显。近浅埋煤层的基岩厚 度较大，且存在双关键层结构，沟谷地形对其支架阻力的影响程度相对较低。 关键词沟谷地形；近浅埋煤层；矿山压力；冲沟切割系数 中图分类号TD324 文献标识码A 文章编号10044051202009011605 Studyongroundpressurebehaviorsofworkingfacein nearlyshalowcoal seam under gulyterrain WANG Hongzh i12，LIU Honglin112，SONG Sh uaish uai1，CHEN Yunc ai1 1. Sc h ool of Geology and Mining Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830046， Ch ina; 2 KeyLaboratoryofEnvironmentalProtec tion Miningfor MineralResourc esatUniversitiesof Educ ationDepartmentofXinjiang UygurAutonomousRegionUrumqi830046Ch ina Abstract In order to analyze th e influenc e of gully terrain on ground pressure beh avior in nearly sh allow c oal seam,th e 20105 working fac e in Wangjialing c oal mine is taken as th e researc h objec t,and th e working resistanc ec h arac teristic sofh ydraulic supportunderdiferentslopesaremeasuredandanalyzedbyusingth e topdynamic monitoringsystem Th eresearc h sh owsth atth epressurestepdistanc edurationandpressure intensityarediferentindiferentregionsalongth eworkingfac e Comparedwith th evertic aldepth ofguly andth eangleofslopebodyth egulyc utingc oefic ientisth emainfac torafec tingth eappearanc eofground pressure. Wh en th e gully c utting c oeffic ient is greater th an 0. 4,th e inc rement of support resistanc e exc eeds 8 and wh en th e gul y c u ting c oe fic ient is less th an 0 17th ec h angeofsupportresistanc eisnotobvious Th einfluenc eofgulytopograph yonth esupportresistanc eofnear-sh alowc oalseamisrelativelylow Keywords gully terrain； nearly sh allow c oal seam； ground pressure； c utting c oeffic ient of gully 收稿日期收稿日期2020-01-15 责任编辑责任编辑赵奎涛 基金项目基金项目新疆自然科学基金项目资助（编号“019D01C052）；新疆大学博士科研启动基金资助（编号BS180257）；新疆维吾尔自治区高校科 研计划项目资助（编号XJEDU2017M008） 第一作者简介第一作者简介王宏志（1990-），男，山东聊城人，讲师，硕士生导师，主，主要从事采动岩层运动探测及控制方面的教学与研究工作。 通讯作者简介通讯作者简介刘洪林（1984-），男，四川宜宾人，副教授，硕士生导师，主，主要从事矿山压力与岩层控制、保水幵采方面的教学和科研工作。 引用格式引用格式王宏志，刘洪林,宋帅帅，等.沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究J）.中国矿业，2020,29（9）116-120. doi10. 12075/ jissn 1004-4051 2020 09 017 第9期王宏志，等沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究 117 我国西部矿区地表多为黄土高原、丘陵沟谷发 育区 水蚀严重，坡体产状变 工2）。 埋 层 时常会出 面压架、大面积冒 顶 柱 动载矿压灾害，严重 矿井的安 全 「注o因此，采矿界专家学者开始逐渐重 形 对煤矿 的 ，进行了系统深 入的研究，取得 为 的研究成果。PAN 等「6心研究 形 对 向同性岩体自重应 场的 ，认为 附近的 在一 度上受 形的影响，从而导致在 山脚处形成 中，进而研究 同地形 况下的 I 分 律张志 「9）结合神东矿区活鸡兔 I谷 形 层 ，通过对不同 、沟深模拟 得 出 越大矿压 越强烈， 于15 时 面矿压 一 ；沟深越 面在 动载矿压 越强烈，反之，块体 I不 易形成 的砌体梁 ，矿压 度 。王 方 「词分析 同 场围岩 1及 变形规律，得出矿压 剧烈程度 1 〉向 - - ”的特征，应用加强矿压监 测预报、局 低 、工作面 ，确 埋煤层的安全 。 观当前的研究成果， 都是围绕以神东 矿区为代表的 埋煤层开展的，由于浅埋煤层 基岩厚度 ，埋深浅，仅有单一的关键层 ，因 此 变化对煤层 。但对于 基岩厚度大、松散层厚度 、具有双关键层 的 近浅埋煤层，沟谷对其 面矿压 的敏感 何，现有的研究还很 。为此， 合河 东 家岭煤矿的地质 ，分析 形下 埋煤层 面的矿压 律。 1 工 与生 王家岭煤矿位于山西省乡宁矿区南部，区内山 峦起伏，沟壑 ，植被 ，地表形态复杂多变，为 强烈侵蚀的低-中山区地貌。20105工作面位于王 家岭煤矿 ，岀 分被厚 层覆盖，黄 层厚度10〜125 m， “V”型，交错发 育，坡体角度大多在10〜35之间，冲沟坡体下存在 基岩，但并 ，工作面地表形态特 1所示 20105工作面走向长1 231 m,倾向长249 m,地面标 高750〜8 8 5. 5 m，主采2煤层底板标高554. 6〜 58 2. 9 m,煤层厚5. 90〜6 . 45 m,平均6 . 16 m,煤层 倾角2。〜4。，采用走向长壁 放顶煤技术 h Z FY8 000/22/35型液压支架支护顶板，全部垮落法 管理采空区。 2 地表平缓缓区工作面矿压显显现特征 2.1工作面测站布置 为掌握 形下工作面的来压规律，20105 工作面安装了顶板动态监测系统，布置21台支架压 测分站，从4号支架开始安装1号测站，后每隔 6 一测站，并 面倾向划分为上部测区 （4、11、18、25、32、39、46 ）、中部测区 （53、6 0、6 7、7 4、8 1、8 8、95 ）、下部测 （102 109 116 123 130 137 144 ） 测站布置如图2所示。 750 770 790 810 830 850 870 890 m 图图1工作面地表形态特征工作面地表形态特征 Fig. 1 Morphological characteristics of the work face 回风平巷 运输平巷 图图2工作面测站布置工作面测站布置 Fig. 2 Layout of the observation station 2.2工作面矿压显现规律 根据在线监测系统的实测数据及井下顶板破断 情况，20105 面初次来压及周期来压特征见表1 和表2。由表1和表2可以看出，沿工作面倾向不 同区域，工作面来压步距、持续时间及来压强度均存 在 差异。初次来压期间，工作面 、中 F 的平 来压步距 分 为 6 12m 547 m 504m 持续时间分别为24 h、26 h、23 h,动载系数分别为 1.52、1.76、1. 34。工作面中部的来压强度及持续时 间 面 的 特 。 周 期 来 压 期 间 ， 面 中 的 平 来压步距分别为29. 1 m、31. 1 m、32. 6 m,影响范围 为 6 . 1 m、7 . 0 m、5. 4 m,持续时间为 18 . 7 h、21. 6 h、 198 h。 面 中 的 来 压 范 持 续 时 间 来压 度 于 面 的 来压 特 。 118 中国矿业第29卷 Table 1 表表1 Character 工作面初次来压特征工作面初次来压特征 isticsoffirstweightingatworkface 阻-/kN 测区来压步距/ m影响范围/m持续时间/h 来压期间来压期间动载系数/ 最 平 [最平 上部61. 26 247500 7000560046001 52 中部54. 76 266600 5800500033001 76 下部50. 45 235500 5100450038001 34 表表2工作面周期来压特征工作面周期来压特征 Table2 Characteristics of periodic weighting at work face 阻 *kN 测来压步距/ m影响范围/m持续时间/h 来压期间来压期间动载系数/ 最平最平 上部29. 1 61 18. 7 7188 5031503141571 21 中31 1 7021 67447 5930539144581 33 下部32. 6 5419 87236 5370512845121 19 3 沟谷地形区工作面矿压显现特征沟谷地形区工作面矿压显现特征 前期的研究 （1112） 发育矿区典型浅埋 煤层（埋深不超过150 m）开采时，地表起伏变化对 覆岩破 矿压 阻力 与 深仏、坡体角度、煤层埋藏深度H密切 相关，提出 割系数k（k h0/H）对 r 阻力敏 行分类的方法，有效指导了 浅埋煤层 的工程实践。由于王家岭矿 层埋 藏深度为180〜260 m,基岩厚度大，松散层厚度较 、具有双关键层结构（综合柱 3 ），沟谷 图图3岩层综合柱状岩层综合柱状 Fig. 3 Stratigraphic columns of the strata 备注厚度如埋深/m岩性 45.9545.95黄土层1 6.1052.05泥岩2 7.7559.80粉砂岩3 16.2076.00砂质泥岩4 5.4081.40细砂岩5 5.0586.45粉砂岩6 19.05105.50砂质泥岩7 主关键层14.90120.40中砂岩8 7.90128.30泥岩9 7.05135.35细砂岩10 13.45148.80砂质泥岩11 4.85153.65细砂岩12 2.90156.55泥岩13 10.20166.75粗砂岩14 5.20171.95砂质泥岩15 5.65177.60 粉砂岩16 4.55182.15 泥岩17 亚关键层7.05189.20细砂岩18 7.00196.20砂质泥岩19 6.95203.15粉砂岩20 3.43216.58泥岩21 6.46223.042煤层22 对其矿压显现的影响有别于典型浅埋煤层。因此, 基于 研究提出的方法，结合20105 面 形态特征，选取了 8个 直剖面，其中，3 个沿工作面推进方向，5个沿工作面倾向方向，对比 分析不同坡体 面阻力的变化特 勾谷 剖面 4 o 图图4冲沟坡体剖面位置选取冲沟坡体剖面位置选取 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 测区、中部测 测区分别沿工作 面推进方向作剖面a-aMb.c-c,对比工作面通过不 同产 时 对应支架工作阻力的变 况- 剖 面 形 5 ， 其 中 ，a-a 对 18支架、25支架、32 0支架；Mb沟谷对应67 0 支架、74 0支架、810支架；-c沟谷对应116 0支 架J230支架.1300支架。 3列出 面推进方向三个沟谷的产状及 相应的 阻 。上部测区的 深106 m, 切割系数0.406 ,支架最大工作阻力7 763 kN,较地势 第9期王宏志，等沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究 119 平缓区阻力值增大8 . 0，沟谷对阻力值的影响较 为 。中部测区的 深7 2m,切割系数 0.294,支架最 阻 势平缓区阻 增大 4. 9，沟谷对阻 存在一 。 测区的冲 割系 为0 197, 最 阻 势平 阻 增大2. 1，沟谷对 阻力的 可 出，三个冲沟坡体角度近似相同，冲沟切割系 数越大，工作面 阻力变化越 。 850- 820- 106 m 790- 770- 050 100 150 200 250 a a-a剖面 840-1 820- 800- 72 m 780- 40 80 120 160 200 b X剖面 820 800 46 m 4080120160 c C-C剖面 图图5沿工作面走向三个沟谷剖面形状沿工作面走向三个沟谷剖面形状 Fig. 5 Profile of gullies along the advance direction 880- 表表3沟谷产状及支架压力特征沟谷产状及支架压力特征 Table 3 Gully parameters and support resistance 特征值 aa剖面Mb剖面c-c剖面 上部测区中部测区测 沟谷坡角a/ j273027 沟谷垂深；/m 1067246 煤层埋深H/m261245234 冲沟切割系数＞0 4060. 2940. 197 最大工作阻力Nmax/kN77637 8117 381 阻变率/ 804921 3.2沿工作面倾向支架阻力分布特征 沿工作面倾向方向选取的5个典型剖面，各剖 面距切眼的距离依次为280 m、6 30 m、8 6 0 m、96 0 m、 1 150 m，各剖面如图6所示。表4列出了沟谷产状 及对应的 阻 况。 6 4可知,AA段沟谷及MD段沟谷 切割系数分别为0. 098 ,0. 166,坡体角度为32、29， 图图6 沿工作面倾向方向沟谷剖面沿工作面倾向方向沟谷剖面 Fig. 6 Gully profile along the dip direction of work face 表表4 沟谷 状 架沟谷 状 架 Table 4 Gully parameters and support resistance 特 剖面 MB 剖面 C-C 剖面 DMD 剖面 E-E 剖面 沟谷坡角〃j3234422921 沟谷垂深；/m24108833975 煤层埋深H/m243255264235245 冲沟切割系数＞0 0980 4230. 3140. 1660. 306 最大工作阻力Nmax/kN 7383 8 0947 6857 5227 648 阻力变化率/0. 8 87321027 工作面通过两沟谷时，支架工作阻力最大值分别为 7 383 kN、7 522 kN,较地势平缓区阻力值变化率仅 为士1左右，沟谷对阻 的 。MC段 E-E 割系数分别为0. 314,0.306, 体角度为42、21,工作面 时，支 120中国矿业 第29卷 架工作阻力最大值分别为7 685 kN、7 648 kN,较地 势平缓区阻力值变化率分别为3. 2、2. 7，沟谷 对阻力值的影响较小。当工作面通过段沟谷 时，沟谷切割系数0.423,坡体角度34。，支架工作阻 力最大值为8 094 kN,较地势平缓区阻力值增大了 8 7,沟谷对阻力值的影响比较显著。 可以看出，AA段沟谷、段沟谷、DD段沟 谷坡角大致相同，冲沟切割系数越大，支架阻力增量 越大；GC段沟谷、E-E段沟谷切割系数近似相等， 坡角越大,支架阻力增量越大。 3.3沟谷地形对支架阻力的影响特征 上述分析结果表明，地表沟谷地形对近浅埋煤 层开采的矿压显现具有一定影响。冲沟坡体产状不 同，支架支护阻力受影响程度不同，相对于沟谷垂深 屁及坡体角度a,冲沟切割系数沧是影响井下矿压 显现的主要因素。冲沟切割系数与支架支护阻力的 变化量的关系见表5。 表表5冲沟切割系数与支护阻力变化关系冲沟切割系数与支护阻力变化关系 Table 5 Relationship between k and support resistance 〉0.40 0.17 〜0.40 0.17 支护阻力变化率 〉8 2〜5 无明显变化 沟谷地形下浅埋煤层开采时，单一关键层破断 后不易形成稳定的“砌体梁”结构,主要的失稳方式 为滑落失稳，垮落岩块的载荷将迅速传递到工作面 支架上，地表沟谷的起伏进一步增大了上覆岩层载 荷的不均匀性，导致工作面出现动载矿压现象’相 比之下，王家岭煤矿煤层埋深增大，上覆岩层数量增 多且具有双关键层结构，地表沟谷起伏形成的不均 匀载荷在向下传递过程中会逐渐减弱，因此对支架 阻力的影响程度相对较低。王家岭煤矿地表大部分 冲沟的切割系数不超过0. 40,支架阻力增量一般在 8以下。 4结论 1） 王家岭煤矿工作面倾向不同区域的来压步 距、持续时间及来压强度不同，工作面中部初次来压 与周期来压的持续时间及来压强度均大于工作面两 端的来压特征值。 2） 沟谷地形对工作面走向、倾向的矿压显现均 存在一定的影响，冲沟坡体产状不同，支架支护阻力 受影响程度不同；冲沟切割系数是决定影响程度的 主要因素，坡角及沟谷垂深的影响程度较才、。 3） 冲沟切割系数大于0. 40时，支架阻力增量 超过8，冲沟切割系数小于0. 17时，支架阻力无 明显变化；沟谷地形对近浅埋煤层工作面支架阻力 的影响程度相对较低。 ■ 参考文献 1 黄庆享.浅埋煤层F壁开采顶板控制研究D.徐州中国矿 业大学, 1998. 2 侯忠杰.地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定性分析 HJ1 煤炭学报，2000,252 127-131. 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