沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 2年 2月 煤 炭 学 报 J O URNAL OF C HI N A CO AL S OC I ET Y Vo l _ 3 7 No． 2 F e b ． 2 0 1 2 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 2 0 2 0 1 7 9 一 O 7 沟谷地形对浅 埋煤 层开 采矿压显现 的影 响机理 许家 林 ， 朱卫 兵 ， 王晓 振 ， 张 志强 ， 1 ．煤炭资 源与安全 开采 国家重点实验室 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8； 2 ．中国矿业大学 矿业工程学院 ， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 针对神 东矿区活鸡兔井工作 面过沟谷地形时发生的动载矿压 问题 ， 通过现场 实测、 理论分 析与模拟 实验 ， 就沟谷地形对浅埋煤层开采动载矿压显现的影响机理进行 了深入研 究。结果表 明 浅埋煤层开采工作面过沟谷地形上坡段时易发生端面切顶、 冒顶和支架活柱急剧下缩的动载矿压。 由于覆岩主关键层在沟谷段 受侵蚀影响而缺失 ， 过上坡段时主关键层破 断块体缺少侧 向水平挤压 力作用， 不易形成稳定的“ 砌体梁” 结构而滑落失稳 ， 使得作 用在下部单一关键层结构上的载荷 明 显增大而产生滑落失稳 ， 从而引起 工作面的动栽矿压。若沟谷地形 中主关键层未缺失， 则浅埋煤层 工作面过沟谷地形上坡段 时一般不 易产生动载矿压。该研 究结果指导 了活鸡兔 井2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工 作面过 沟谷地形动载矿压灾害的防治实践。 关键词 沟谷地形 ； 浅埋煤层 ； 动载矿压 ； 岩层移动 ； 关键层 中图分 类号 T D 3 2 4 ． 2 文献标志码 A I nflue n c i ng me c ha n i s m o f g u l l y t e r r a i n o n g r o u nd pr e s s ur e be h a v i o r s i n s ha l l o w s e a m l o ng wa l l mi n i ng XU J i a ． 1 i n ， ， Z HU We i ． b i n g ， ， WANG Xi a o - z h e n ，。 ， Z HANG Z h i - q i a n g ， 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d s Mi n i n g， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a； 2 ． S c h o o l of Mi n e s ， C h i n a U n iv e r s i ty ofMi n i n g＆ T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e m o f s t r o ng g r o u nd pr e s s ur e b e h a v i o r s whe n wo r k i n g f a c e’ S c r o s s i ng g u l l y t e r r a i n a t H u o j i t u C o a l Mi n e i n S h e n d o n g m i n i n g a r e a ， m e a s u r e me n t s i n s i t u ， t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t w e r e a d o p t e d t o s t u d y t he i n flu e n c i n g me c ha n i s m o f g u l l y t e r r a i n o n g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r i n s h a l l o w s e a m mi n i n g ． T he r e s u l t s h o ws t h a t i n s t a n t d e s c e nd i n g o f s u p p o r t c o l u mn a n d r o o f c u t t i n g o r c a v i n g a p pe a r s f r e q u e n t l y d urin g u p h i l l o f g u l l y t e r r a i n i n s h a l l o w s e a m． L o s s o f p rima r y k e y s t r a t u m d u e t o b e i n g e r o de d i n g u l l y t e r r a i n a r e a r e s u l t s i n t h e de l e t i o n o f h o riz o n t a l s i d e f o r c e d u r i n g u p h i l l o f g u l l y t e rra i n， i n wh i c h e a s e t h e p r i ma ry k e y s t r a t u m c a n no t f o r m s t a b l e V O US S O i Y b e a m s t r u c t u r e a n d s l i d e s i n s t a b i l i t y ． An d t h e l o we r s i ng l e k e y s t r a t u m s l i d e s i n s t a b i l i t y b e c a u s e o f t h e o b v i o u s l y i n c r e a s i n g l o a d a b o v e， i n wh i c h c a s e t h e s t r o n g g r o u n d p r e s s u r e be h a v i o r s o c c u r s i n wo r k i n g f a c e． I f p r i ma r y k e y s t r a t u m i s i n t e g r a t e d i n gu l l y t e rra i n a r e a， t he r e wi l l b e n o s t r o n g g r o u nd p r e s s ur e b e h a v i o r s d u rin g u p h i l l o f g u l l y t e r r a i n． Th e r e s e a r c h r e s u l t s e r v e s a s a g u i d a n c e for p r e v e nt i o n o f s t r o n g g r o u nd p r e s s u r e b e h a v i o r s whe n c r o s s i n g g u l l y t e r r a i n a t N o ． 2 1 3 0 5 a n d N o ． 2 1 3 0 6 w o r k i n g f a c e i n H u o j i t u C o a l Mi n e ． Ke y wor ds g u l l y t e r r a i n； s h a l l o w s e a m ； s t r o n g g r o u n d p r e s s ur e be h a v i o r s； s t r a t a mo v e me n t ； k e y s t r a t u m 我国西部矿区普遍存在着地形为沟谷 的浅埋煤 层开采条件 。如地处陕蒙交界的神东矿区， 煤层为近 水平浅埋煤层 ， 地表受 冲沟影响呈典型的沟谷地形 ， 部分沟坡的峰谷落差达到 3 O～7 0 m， 在 沟谷处不仅 松散表土层 因冲蚀而缺失 ， 部 分基岩也 因冲蚀 而缺 失。神东矿区活鸡兔井工作面在过沟谷地形 时发生 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 1 6 责任编辑 王婉洁 基金项目 江苏 高校优势学科建设工程资助项 目 P A P D ； 国家 自然科 学基金和神华集 团有 限公司联合 资助项 目 5 1 1 7 4 2 8 8 作者简介 许家林 1 9 6 6 一 ， 男 ， 江苏句容人 ， 教授 ， 博士生导师 。T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 5 8 1 ， E - ma i l c u m t x j l c u m t ． e d u ． c n 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 了多次动载矿压灾害 ， 出现 了端面切顶和 冒顶 、 煤壁 严重片帮、 支架立柱急剧下缩 ， 对工作 面生产造成 了 严重的影响。上述动载矿压现象与沟谷地形是否有 关过沟谷地形时发生动 载矿压的机理与条件是什 么以及如何来防范上述动载矿压灾害显然， 对这 些问题的研究是十分必要 的。 文献 [ 1 - 9 ] 对浅埋煤层覆岩结构与矿压规律开 展了深人 的研究 ， 但没有涉及沟谷地形对浅埋煤层开 采矿压影响方面的研究。从理论上来说 ， 覆岩关键层 破断后的块体不能形成稳定结 构， 即“ 砌体梁” 结构 出现回转或滑落失稳 ， 而支架工作阻力又不足以平衡 失稳结构岩体的 自重时， 就会引起工作面动载矿压的 出现 J 。文献 [ 9] 对浅埋煤层覆岩关键层结构分类 及其破断失稳特征的研究表明， 对于浅埋煤层单一关 键层结构， 关键层破断块体结构不能满足砌体梁结构 不发生滑落失稳的条件 ， 从而导致工作面易出现台阶 下沉和压架等强烈的矿压显现。对于上煤层 已采单 一 关键层结构 ， 上部煤层开采后其覆岩关键层破断块 体结构的稳定状态是影响下部煤层开采时工作面矿 压显现强烈程度的重要 因素。上述研究成果为沟谷 地形下浅埋煤层开采动载矿压机理的研究提供了基 础。文献[ 1 0 - 1 2 ] 研究 了地形地貌对下部各向同性 岩体 自重应力场的影响 ， 认为地表附近的应力在一定 程度上受到地形的影响 ， 从而导致在沟谷底部和山脚 处形成应力集中 ， 并研究了不同地形地貌情况下的应 力分布规律 ， 但并没有研究浅埋煤层沟谷地形条件下 的采动影响与动载矿压问题。文献 [ 1 3 ] 以内蒙伊泰 矿区浅埋煤层开采条件为工程背景 ， 开展了沟谷地形 下开采坡体破坏特征及对工作面矿压显现影响的实 验和理论研究 ， 证 明了采动沟谷坡体坡角越大 ， 采动 坡体对工作面矿压显现影 响越大。但在沟谷地形影 响工作面矿压显现的机理 ， 以及过沟谷地形工作面动 载矿压灾害产生条件与防治对策等方面仍有待深入 研究 。本文结合神东矿 区活鸡兔井开采条件 ， 对过沟 谷地形时工作面发生动载矿压的机理展开研究。 1 开采条件与地形 特征 1 ． 1 工作面开采条件 神东矿区活鸡兔井位于陕西省神木县 中鸡镇境 内， 地处毛乌素沙漠边缘。井 田南北长 8 ． 9 k m， 东西 宽 7 ． 4 k m， 可采煤层 7层 ， 可采储量约 6 ． 2 4亿 t 。区 内地层赋存平缓 ， 煤层埋藏浅 ， 煤层群间距小 ， 地质构 造简单。井田东部地表多为沟谷地形 ， 西部则为流动 沙及半流动沙覆盖的平坦沙漠区。 位于活鸡兔井 田东部 的三盘区开采 1 上 煤层与 1 煤层 ， 其中 1 上 煤层平均采高 3 ． 1 I n ， 1 煤层平 均采高 4 ． 5 m， 两层煤间距 6～2 7 m， 1 煤层倾 角 0～ 5 。 ， 埋深 4 0～1 2 0 m， 均采用一次采全高后退式 综采 ， 全部垮落法管理顶板。截止 2 0 0 8年 5月 ， 三盘 区内 1 上 煤层已全部 回采完毕 ， 1 煤层 中的 2 1 3 0 4 工作面也回采结束 ， 之后接续开采 2 1 3 0 5与 2 1 3 0 6工 作面。三盘 区 内 2 1 3 0 4工作 面长为 2 4 0 m、 走 向长 为 3 3 l 8 ． 7 9 m， 采用 D B T公司生产的液压支架 ， 额定 工作阻力为 8 6 3 8 k N； 2 1 3 0 5工作面长 2 5 7 ． 2 m、 走向 长 3 0 0 2 ． 1 8 m， 2 1 3 0 6工 作 面 长 2 5 5 ． 7 m、 走 向 长 2 6 9 9 ． 3 m， 两工作面均采用北京煤机厂掩护式液 压支架， 额定工作阻力为 1 2 0 0 0 k N。 1 ． 2 覆岩关键层结构与地形特征 三盘区地表受冲沟影响形成了明显 的沟谷地形。 图 1为三盘区沟谷地形平剖面。由图 1可知 ， 三盘区 地表有一条主沟贯穿整个盘区 ， 5条支沟侵蚀 了三盘 区地表 ， 在 2 1 3 0 4工作 面走 向形成 了 3个 沟谷 ， 在 2 1 3 0 5工作面走向形成了 4个沟谷 ， 在 2 1 3 0 6工作面 走向形成了 2个 沟谷 。沟谷落差 5 3 ． 0～7 0 ． 8 m， 沿 走向坡面倾角总体为 2 4 。 ～3 8 。 。 谷 面 c 一面 卜 2 煤 b 2 1 3 0 4 工作面沿走向 一 剖面 1 动载矿压发生位置一 一 一 j 煤 c 2 1 3 0 5 A 5 作面沿走向口 一B 剖面 至 ． ， 谷 2 ． ； 主 关 键 层 动 载 矿 衷 每 l ．z 煤 1 1 煤 f d 2 l 3 O 6 工作面沿走 向C c剖面 图 1 活鸡兔井三盘区沟谷地形与井上下对照 Fi g ．1 Gu l l y t e r r a i n a nd c o mpa r i s o n o n s u r f a c e a n d u n d e r g r o u n d i n t h e t h i r d p a n e l o f H u o j i t u C o a l Mi n e 采用关键层判别软件 K S P B对三盘区内沟谷地 形区域所有 的钻孔柱状进行 了关键层位置判别 J 4 3 ， 图 2为其 中的 2 4 6钻孔 、 H 6 5钻孔 的关键 层判别结 一 蚤 第 2期 许家林等 沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理 1 8 1 果。通过对三盘区内所有钻孔 中的主关键层位置与 对应区域的沟谷地形图对比分析发现， 三盘区内的主 盘区沟谷地形区域 的主关键层 因受冲刷侵蚀而缺失 图 1 b 、 c 、 d 。表 1列 出了各工作 面对应沟 关键层位置大都处于谷底标高之上 ， 表明活鸡兔井三 谷处主关键层位置及其缺失情况。 层号 厚度／ m 埋深／ m 岩性 关键层位置 备注 2 3 4 1 ． 9 8 4 1 ．9 8 泥岩 2 2 8 ． 4 4 5 0 ．4 2 细粒砂岩 主关键层 硬岩层 2 1 1 ． 6 O 5 2 ．O 2 中粒砂岩 2 0 6 ． 4 7 5 8 ．4 9 泥岩 1 9 1 ． 2 O 5 9 ．6 9 中粒砂岩 l 8 8 ． 5 O 6 8 ． 1 9 砂质泥岩 I 7 1 ． 6 O 6 9 ．7 9 粗粒砂岩 1 6 3 ． 6 4 7 3 ．4 3 泥岩 1 5 3 ． O 3 7 6 ．4 6 粉砂岩 1 4 0 ． 5 5 7 7 ．O 1 泥岩 l 3 3 ． 5 O 8 0 ．5 1 粗粒砂岩 l 2 1 ． 5 O 8 2 ．O 1 泥岩 1 1 l 3 ． 4 3 9 5 ．4 4 粗粒砂岩 亚关键层 硬岩层 1 O O _3 5 9 5 ．7 9 泥岩 9 3 ． 2 3 9 9 ．O 2 1 煤 8 0 ． 9 l 9 9 ．9 3 粉砂岩 7 8 -2 6 l 0 8 ． 1 8 细粒砂岩 硬岩层 6 1 ． 3 O t 0 9 ．4 9 粉砂岩 5 5 ． 3 4 1 1 4 ． 8 3 细粒砂岩 亚关键层 硬岩层 4 1 ． O 0 l 1 5 ． 8 3 泥岩 3 4 ． 1 l l 】 9 ． 9 4 中粒砂岩 2 O ． 3 5 1 2 O -2 9 炭质泥岩 1 3 ．9 4 l 2 4 ．2 3 l 。 煤 层号 厚度／ I n 埋深／ m 岩性 关键层位置 各注 2 2 7 ． 0 O 7 ． 0 0 黄土 2 1 1 ． 8 7 8 ． 8 7 粉砂岩 2 0 ． 8 8 1 0 ． 7 5 粉砂岩 1 9 3 ． 1 8 l 3 ．9 3 细粒砂岩 l 8 1 1 ． 4 6 2 5 I3 9 中粒砂岩 l 7 1 ． 7 4 2 7 ． 1 3 粉砂岩 1 6 2 【 ． 8 O 4 8 ． 9 3 粉砂岩 主关键层 硬岩层 1 5 ．4 0 5 0 -3 3 细 粒砂岩 1 4 2 ． 5 2 5 2 ．8 5 粉砂岩 l 3 2 0 ． O 3 7 2 ． 8 8 中粒砂岩 亚关键层 硬岩层 l 2 O - 2 O 7 3 ． 0 8 1 - I 煤 】 1 0 ． 8 7 7 3 ． 9 5 粉砂岩 1 0 2 ． 0 O 7 5 ．9 5 粉砂岩 9 3 ． 2 9 7 9 l2 4 中粒砂岩 8 1 ． 6 4 8 0 ． 8 8 细粒砂岩 7 4 ． 7 4 8 5 ． 6 2 中粒砂岩 6 3 ． 1 5 8 8 ． 7 7 1 -2 煤 5 ． 2 0 8 9 ．9 7 细粒砂岩 4 2 ． O O 9 1 ． 9 7 中粒砂岩 3 1 3 ． 9 4 1 O 5 ． 9 l 粗粒砂岩 亚关键层 硬岩层 2 O ． 9 8 l 0 6 _ 8 9 粉砂岩 1 5 ． 0 4 l l 2 - 2 9 l 。 。 煤 图2 三盘区部分钻孔柱状关键层判别结果 F i g ． 2 Pa r t i a l d r i l l i n g i n t h e t h i r d p a n e l a n d k e y s t r a t a d i s t i n g u i s h r e s u l t s 表 1 三盘 区覆岩主关键层与 沟谷谷底 位置关系 Tab l e 1 Lo c at i o n r e l a t i o ns hi p b e t we e n pr i m a r y ke y s t r at u m an d bot t o m of g ul l y t e r r a i n i n t he t hi r d pane l 通过对所有钻孔柱状关键层判别结果 的分析还 发现 ， 1 上 煤层开采时 ， 覆岩一般仅有 2层关键层 ， 在 1 - 2 - 煤层与 1 煤层问仅有一层关键层 ， 1 煤层开采 时， 覆岩关键层结构类型属于上煤层已采单一关键层 结构 。 2过沟谷地形动载矿压现象 活鸡兔井三盘区开采 i - 2 k 煤层与 1 煤层在过沟 谷地形时都曾发生过不同程度的动载矿压显现。由于 i - 2 3 5 煤层开采 时间较早 ， 缺乏详细 的动载矿压显现资 料。下面以 1 煤层开采时 2 1 3 0 4 ， 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作 面过沟谷地形时发生的动载矿压为例进行介绍。 2 1 3 0 4综采工作面在过沟谷地形期间采场矿压 显现异常强烈 ， 曾发生 2次动载矿压 ， 工作 面出现严 重的切顶 、 冒顶 和煤壁 片帮现象 。图 1 b 标 出了 2 次动载矿压沿推进方 向发生 的位 置。第 1次动载矿 压发生在过沟谷地形上坡段 中部 ， 3 67 8号支架 间 片帮达 1 ～ 2 in ， 架前漏顶高度达 1 ． 5～ 2 ． 0 m， 1 0 ra in 内将刮板输送机溜槽填满， 部分支架活柱下缩量达 2 0 0 m m， 支架安全阀开启频繁 ； 与工作 面平行的地面 裂缝贯穿整个 上坡段 山体 ， 地面裂缝最大 张开度达 1 ． 2 i n ， 最大台阶下沉量达 1 ． 0 13 1 以上。第 2次动载 矿压发生在过沟谷地形上坡段坡顶 时， 在 3 0～ 7 8号 支架间发生 了端面 冒顶 和台阶下沉 ， 其中 4 6～ 6 6号 l 8 2 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 支架顶板切顶 最为严 重 ， 支架最大活柱 下缩量约达 4 2 0 mm， 地面地堑宽度为 4～ 5 n l ， 台阶下沉 1～ 2 i n ， 如图 3所示。 b 图 3 2 1 3 0 4工作面发生动载矿压时地面台阶下沉照片 F i g ． 3 P h o t o e s o f b e n c h s h a p e d e s c e n d i n g i n g u l l y t e r r a i n wh e n o c c u i n g s t r o n g p r e s s u r e b e h a v i o r s i n 2 1 3 0 4 w o r k i n g f a c e 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面在过沟谷地形时也发生 了 多次 不 同 程 度 的动 载 矿压 显 现 ， 具 体 位 置 参 见 图 1 b 、 c 。如 ， 2 1 3 0 5工作面推进至 1 0 7 2 I n时 沟谷 2上坡段 ， 图 1 b 中 I ， 4 0～1 3 0号支架漏顶 达 1 ． 2／ n ； 推进至 1 1 4 2 ． 8 IT I 时 沟谷 2上坡段 ， 图 1 b 中 l I ， 8 0～1 0 0号支架立柱下缩 4 0 0 mm； 推进至 1 5 2 4 ． 7 m时 沟谷 3上坡段 ， 图 1 b 中H I ， 7 0～ 1 2 0 号支架立柱下缩 1 ． 0 m； 推进至 1 5 3 8 ． 7 1 1 1 时 沟谷 3 上坡 段 ， 图 1 b 中 1 V ， 6 5～1 1 8号 支 架 立 柱 下 缩 4 0 0～ 5 0 0 mm。 通过对工作面矿压观测资料与工作面动载矿压 现象的分析表明， 过沟谷地形时的动载矿压主要发生 在上坡段及上坡段的坡顶处 ， 而在过沟谷下坡段和非 沟谷地形的平直段 ， 一般不易发生动载矿压显现 。表 2所示的不同地形 区段工作面矿压观测结果也验证 了上述结论。 3 过沟谷地形动载矿压发生机理 为何在过沟谷地形上坡段易发生动载矿压 ， 而在 过沟谷地形下坡段和平直地形时不易 出现动载矿压 呢下面从关键层结构破断失稳机理进行解释。 表 2 不 同地形 区段工作面来压特征 Ta b l e 2 Pr e s s u r e c ha r a c t e r i s t i c o f wo r k i n g f a c e i n d i ffe r e n t t e r r a i n a r e a 前文对三盘区覆岩关键层结构 的分析结果表明 ， 在非沟谷地形的平直段 ， 开采 1 上 煤层时覆岩有 2层 关键层 ， 覆岩关键层破断后一般 能形成稳定 的“ 砌体 梁” 结构。在平直段 开采 1 煤层 时， 覆岩为上煤层 已采单一关键层结构 J ， 只要上部已采的 1 上 煤层 开采覆岩关键层形成了稳定的结构 ， 则一般也能形成 稳定的“ 砌体梁” 结构。在沟谷地形下坡段与上坡 段 ， 由于主关键层结构 回转方 向的侧向水平力限制作 用的差异 ， 前者一般能形成稳定结构 ， 而后者一般难 以形成稳定结构。图 4 ， 5分别为在沟谷地形主关键 层缺失条件下， 下坡段与上坡段主关键层结构运动与 稳定性分析。 由图4可知 ， 在下坡段 ， 由于工作面推进方向面 向沟谷， 主关键层回转下沉时能够受到后方破断块体 结构的侧向限制作用， 有一定的侧向水平压力限制， 有利于块体结构的稳定。因此 ， 过沟谷地形下坡段时 工作面矿压显现总体正常 ， 不易发生动载矿压现象 。 由图 5可知 ， 在上坡段 ， 由于工作面推进方 向背 向沟谷 ， 主关键层破 断块体缺少侧 向水平挤 压力作 用 ， 导致 1 上煤层采后其破断块体形不成稳定 结构 而失稳 ， 在沟谷地形上坡段地面易出现张开裂缝甚至 台阶下沉 图 3 。煤层开采至沟谷地形上坡段时 ， 由 于失稳的主关键层破断块体结构将其承载载荷传递 于下部单一关键层结构之上 ， 易导致关键层破断块体 出现滑落失稳。这是造成浅埋煤层过沟谷地形上坡 段时工作面易发生动载矿压的根本原因。 上述现象可以根据“ 砌体梁 ” 结构平衡条件得到 进一步的说明。防止关键层破 断块体问出现滑落失 稳时的结构平衡要求 为 T t a n 一0 R 。 一 o 1 第 2期 许家林等 沟谷地形对浅埋煤层开采矿压显现的影响机理 1 8 3 式中， 为结构块体的水平推力； 为岩块间的摩擦 角 ； 0为破断面与垂 直面的夹角 ； R ㈣ 为下位 岩层 对上位岩层 的阻力及块间的剪切力。 a 1 -2 L 煤层 回采 亚关键层 1 -2 【 煤 层 亚关键层 l 。 煤层 亚关键层 亚关键层 1 4 噪层 b l 。 煤层 回采 图4 过沟谷地形下坡段时关键层破断块体 运动与结构稳定性 F i g ． 4 K e y M r a t u m b l o c k mo v e me n t a n d s t r u c t u r e s t a b i 1 i t y d u r i n g d 0 w n h i l l o f g u l l y r e t r a i n 由图 5可知 ， 显然 由于过沟谷地形上坡段的主关 键层缺失侧向水平挤压力 ， 式 1 中的水平推力 为 0 ， 显然式 1 无法满足 ， 表 明主关键层结构易出现滑 落失稳 。此时 ， 滑落失稳 的主关键层将 作为下部单 a 主关键层缺失～开采1 。 煤层 一 关键层的载荷， 导致下部单一关键层因承担载荷太 大而不能满足“ 砌体梁” 结构的S - R稳定判据⋯， 而 易 出现滑落失稳。 a 1 -2 煤层 回采 主关键层 亚关键层 1 1 2 煤层 亚关键层 1 -2 煤层 主关键层 亚关键层 亚关键层 1 。 煤层 b 1 。 煤层 回采 图5 过沟谷地形上坡段时关键层破断块体 运动与结构稳定性 F i g ． 5 Ke y s t r a t u m b l o c k mo v e me n t a n d s t ruc t ur e s t a b i l i t y d u r i n g r p h i l l o f g u l l y t e Ⅱ_a i n 上述理论分析结果得到了物理模拟实验结果的 验证 。图 6为沟谷段主关键层缺失 与沟谷段主关键 层未缺失 的两种条件下 ， 过上坡段关键层结构稳定性 的对比实验结果 。 b 主关键层未缺失～ 开采1 。 煤层 c 主关键层缺失一开采I 。 。 煤层 d 主关键层未缺失一开采1 。 煤层 图6 主关键层缺失与完整状态下过上坡段关键层结构稳定性实验结果 F i g 6 Ex p e r i me n t a l r e s u l t s of k e y s t r a t u m s t r u c t u r e s t a b i 1 i t y d u r i n g u p h i l l u n d e r p ri ma r y k e y str a t u m ’ s d e l e t e d a n d i n t e g r a t e d c o n d i t i o n 由图 6 a 、 c 可知 ， 当沟谷段主关键层缺失时 ， 无论是开采 1 上 煤层还是开采 1 一 煤层 ， 主关键层破 断块体因缺少侧向水平挤压力作用出现滑落失稳， 使 得作用在下部单一关键层结构上 的载荷 明显增大而 煤 炭 学 报 2 0 1 2 年第3 7 卷 产生滑落失稳， 从而引发工作面出现切顶现象。由图 6 b 、 d 可知 ， 当沟谷段主关键层未缺失 时， 无论是 开采 1 屯 上 煤层还是开采 1 屯煤层 ， 主关键层破断块体 受侧向水平挤压力作用能够形成稳定的“ 砌体梁” 结 构 ， 从而将上覆岩体中的部分载荷传递于采空区和前 方的实体煤壁， 减少了作用于下部单一关键层结构上 的载荷而使其易形成稳定的铰接状态 ， 工作面未出现 切顶现象。 4 过沟谷地形动载矿压灾害的防治 在 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面通过动载矿压危 险区域 预测 、 增大支架工作阻力、 工作面来压预报与支护质 量监测等技术措施来防治工作面动载矿压灾害。 前文研究结果表明 ， 过沟谷地形上坡段发生动载 矿压的先决条件是沟谷段覆岩主关键层缺失。因此 ， 可以通过判别沟谷段覆岩主关键层是否缺失来预测 存在动载矿压危险的沟谷。还可以通过事前先对地 面裂缝进行实地勘察 ， 若在过沟谷地形上坡段发现存 在地面台阶下沉 ， 说 明此 区域在 1 上煤层采后 已导 致主关键层破断块体出现滑落失稳 ， 在开采 1 屯煤层 时过沟谷上坡段发生动载矿压 的可能性 大。可以通 过 G P S进行定 位， 在 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面井上下对 照图上标示出可能发生动载矿压危险的沟谷 区域 ， 并 在井下工作面运输巷与 回风巷对应 区域作出醒 目标 注。事实上 ， 对工作面过沟谷地形是否产生动载矿压 的影响因素除覆岩主关键层是否缺失外 ， 还受到沟谷 地形 的谷深与坡角、 沟谷与工作面位置关 系、 主关键 层在坡体 中的位置 、 上下煤层间距与关键层结构特征 等因素的影响， 上述 因素对工作面过沟谷地形发生动 载矿压的影响规律仍有待进一步的研究。限于篇幅， 在此不作 阐述。 提高支架工作阻力是 降低工作面动载矿压显现 强烈程度的有效措施 。为此 ， 将 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面 支架 工作 阻力 由 2 1 3 0 4工作 面 的 8 6 3 8 k N 提 高 到 1 2 0 0 0 k N， 这是 当时 国内可以选型 的最大工作 阻 力的支架。根据 2 1 3 0 5工作面过沟谷地形上坡段 的 工作面支架工作阻力实测数据， 采用实测支架末阻力 统计法估算 ， 过沟谷上坡段时支架额定工作阻力 需达到 1 3 8 6 7 k N以上。现有的 1 2 0 0 0 k N的支架在 沟谷地形上坡段时仍略显不足。 在 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面开采过程中， 通过详细的 周期来压规律分析 ， 对周期来压位置进行动态预测。 同时做好支护质量监测 ， 在发生动载矿压危险地段保 证有 良好的工程质量 。 通过上述技术措施的实施 ， 保 障了 2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6 工作面过沟谷地形 的安全回采， 尽管也发生了多次动 载矿压显现 ， 但动载矿压显现 的强烈程度有所降低 ， 没有出现因动载矿压造成的工作面停产 。 5 结 论 1 掌握 了活鸡兔井 三盘 区沟谷地形对 浅埋煤 层开采矿压显现的影 响规律。工作面过沟谷地形上 坡段时易出现动载矿压显现 ， 而在过沟谷下坡段和非 沟 谷 地 形 的 平 直 段 时 一 般 不 易 出 现 动 载 矿 压 显 现 。 2 揭示 了浅埋煤层开采工作面过沟谷地形上 坡段易发生动载矿压的机理。沟谷地形段覆岩主关 键层受侵蚀而缺失是引起工作面 出现动载矿压 的根 本原因。若沟谷地形段主关键层未缺失 ， 则浅埋煤层 工作面过沟谷地形上坡段时一般不易产生动载矿压。 沟谷地形的谷深与坡角、 沟谷与工作面位置关系等因 素对工作面过沟谷地形动载矿压 的影响仍有待进一 步的研究。 3 提出了活鸡兔井三盘区过沟谷地形动载矿 压灾害的防范措施。通过动载矿压危险区域预测 、 增 大支架工作阻力 、 工作面来压预报与支护质量监测等 技术措施 ， 避免了2 1 3 0 5 ， 2 1 3 0 6工作面因动载矿压影 响矿井的正常生产。 研究工作得到了神东煤炭集 团大柳塔煤矿和技 术中心领导的大力支持 ， 特致感谢 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高， 石平五， 许家林． 矿山压力与岩层控制[ M] ． 徐州 中国 矿业大学出版社 ， 2 0 1 0 ． Q i a n Mi n g g a o ， S h i P in g w u， X u J i a l i n ．M i n i n g p r e s s u r e a n d s t r a t a c o n t r o l [ M] ． Xu z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Min i n g a n d T e c h n o l o g y Pr e s s ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 黄庆享． 浅埋煤层长壁开采顶板 控制研究 [ D] ． 徐 州 中国矿业 大学 ， 1 9 9 8 ． H u a n g Q i n g x i a n g ． S t u d y o n r o o f c o n t r o l i n s h a l l o w s e a m l o n g w a l l m i n i n g [ D] ． X u z h o u C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 黄庆享 ， 钱 鸣高 ， 石平五． 浅埋煤层采场老 顶周期来 压 的结 构分 析[ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 6 5 8 1 5 8 5 ． H u a n g Q i n g x i a n g ， Q i a n Mi u g g a o ， S h i P i n g w u ． S t r u c t u r a l a n a l y s i s o f ma i n r o o f s t a b i l i t y d u ri n g p e ri o d i c w e i g h t i n g i