1、冲沟下浅埋煤层开采矿压显现规律摘要:为分析在冲沟坡体下浅埋煤层开采时工作面的矿压特征,本文基于色连矿井冲沟发育地层矿区浅埋煤层的地质条件,采用实地观测的方法,研究了冲沟下浅埋煤层开采的矿压显现基本特征。研究表明:来压具有明显的动载现象；顶板来压的空间分布与来压过程表现出明显的“板”破断形态，初次来压和周期来压步距分别平均为35m和10m；快速推进时，工作面压力明显减缓，工作面切顶现象也明显减弱；周期来压期间顶板破碎严重，中部煤壁有片帮及漏顶现象，因此在周期来压时要采取必要措施来管理好顶板。关键词: 浅埋煤层;冲沟; “板”破断形态; 周期来压Abstract:In order to Analy
2、se the characteristics of rock pressure of shallow seam mining in the gully slope face, based on the geological conditions of Selian mine of gully development stratum mine shallow coal seam, with field observation,and investigate the basic characteristics of shallow seam mining in the gully. Studies
3、 have shown that: Pressure has a significant dynamic load; Pressure of roof of space distribution and the process performance of pressure show obvious board break off form, the first step space of pressure and cycle, respectively, the average are the 35m and 10m; When rapid advancing, the work surfa
4、ce pressure has slowed down significantly, and the face cut top phenomenon also significantly reduced; cycle pressure showing during the roof seriously damaged, central coal wall has phenomenon of spalling and roof leakage, so it is important to take the necessary measures to manage the roof.Keyword
5、s: Shallow coal seam; Gully; Board break off form; Cycle pressure1 引言神府东胜煤田地处内蒙古南部和陕西北部，已探明储量达 2 236 亿吨，约占全国已探明储量的 1/3，属世界八大煤田之一，且因可采煤层多、煤层厚、煤质优良而为世人瞩目，不仅在我国能源发展战略中具有重要地位，而且已成为西部大开发乃至全国经济发展的能源基地。然而与西南煤田相比，西北煤田地表植被稀疏、水土保持能力较弱、地表水蚀严重、冲沟纵横，坡体产状变化大，地形支离破碎，相对高差有 100 余米。色连矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政区划隶属东胜区罕台庙镇管辖
6、。具体位置在东胜区政府所在地的西北方向约13km，东南距东胜区最近6.5km。地表属于冲沟发育地区，即受加速水流的侵蚀而切入地表的沟。由於人类活动、火灾或气候变化使保护土壤的天然植被遭到了破坏，或是由於罕见的暴雨带来了山洪，都可能造成侵蚀。冲沟侵蚀与局部的强大雷暴雨有密切关系，而与大面积的冬季降水无关。对软弱岩石，冲沟因向源侵蚀而迅速增长，如果不采取防范措施，就会使大量可耕地遭到破坏。浅埋煤层的开采矿压显现规律有关专家及学着已进行了深入的研究，也已总结出了一套完整的浅埋煤层矿压显现规律理论系统，而对于冲沟下浅埋的开采，矿压显现规律是否和单一的浅埋煤层开采矿压显现规律一样呢？为了解决这一问题，我
7、们利用实地现场观测的方法，同时结合数学力学理论分析的方法，研究了色连矿井冲沟下浅埋煤层开采矿压显现的基本规律。2 国内外研究现状2.1研究成果近几年来，对浅埋煤层岩层移动特征与矿压显现规律、保水开采、突水溃沙防治，尤其是对厚风积沙薄基岩的沙基型浅埋煤层的开采做了大量的理论研究和工程实践，有效地指导了矿山的安全与高效生产，也为地面生态环境建设提供了理论基础和技术支持。自上世纪 90 年代初，西安科技大学石平五、侯忠杰和黄庆享等教授以及辽宁工程技术大学孙宝铮教授和马云东教授等开始对我国西部浅埋煤层开采问题进行研究，从基岩破断规律、顶板破断机理及其控制、基岩及上覆岩层结构和来压规律、顶板支护、采煤方
8、法等不同角度提出了一系列开采理论。中国矿业大学张东升教授带领的课题组在对浅埋煤层赋存特征进行分类的基础上，研究了浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征，证明了其可控性，总结出了一套保水开采技术，并根据浅埋煤层基岩厚度及其上覆松散含水层富水性，提出了保水开采基本条件分类。然而，有关浅埋煤层冲沟下开采的理论还尚属空白。冲沟坡体受工作面开采影响会形成怎样的结构？不同类型的冲沟坡体对井下开采有何影响？影响程度如何？如何采取有效的控制措施以保证工作面的安全高效生产？尽管已有诸多关于煤层上覆岩层活动规律的科学假说，如已被广泛接受的砌体梁理论与传递岩梁理论等等。但都是基于一般赋存条件，均未涉及地表起伏对覆岩活动规
9、律的影响。随着西部煤田的大规模开采，在冲沟下开采的情况将越来越多，采用传统的矿压理论已经难以适应冲沟发育矿区开采的需要，亟需相应的理论指导来确保矿井的安全高效生产。2.2存在的不足纵观国内外已有研究成果，主要体现在以下两个方面：一是浅埋煤层开采的顶板控制；二是坡体滑动规律的分析及地表治理技术及相关岩土工程的监测监控。从浅埋煤层开采顶板控制方面而言，忽略了地表起伏对矿压显现的影响，研究成果在冲沟发育矿区的适用性有待于进一步探讨；就采动坡体稳定性控制而言，研究的主要目的是从地质灾害防治角度，把采动作为诱因之一来分析，从而提供新的治理对策和控制技术，研究的切入点和落脚点是对地表坡体的保护，强调的是采
10、动的不利影响。但反方向的研究，即地表坡体的产状对井下开采的影响，还没有相关研究成果。在研究方法方面，尽管已经引入非线性有限元、弹塑性力学、断裂力学、流变力学及 Sarma 计算方法，采用物理模拟实验和数值分析相结合的方法，并且已开始从二维固相向三维固液耦合方向转变。但由于地质环境条件及采动岩体结构的复杂性，使得目前的研究还存在较大的局限性，尤其是浅埋煤层采动坡体的离散元分析方面的报道还较为少见，缺乏针对性的研究。此外，不同条件浅埋煤层的矿压实测成果还不够丰富，特别是冲沟发育矿区浅埋煤层矿压显现规律的实测成果几乎没有报道。浅埋煤层采动坡体活动是一个极其复杂的问题，涉及采矿学、地质学、测量学、工程
11、力学、边坡稳定性控制等多个学科。它不仅和矿井地质条件和采矿方法有关，而且也和坡体的地质地貌条件，上覆岩层的岩性、物理力学性质、厚度、赋存状态，水文地质条件等密切相关。浅埋煤层冲沟发育矿区地表起伏大，产状各异，由采动引起的坡体活动方式也不尽相同。已有研究主要集中在采动坡体的滑动（蠕滑）机理、稳定性分析及简单的附加应力估算等方面，在滑坡机理分析上也只是套用自然滑坡的分析方法，坡体岩块转动变形机理及其形成结构对井下开采影响的反作用则没有进行过研究，还缺乏一套完整的分类体系及控制措施。2.3研究内容与方法2.3.1研究对象特点冲沟，即受加速水流的侵蚀而切入地表的沟。当工作面向着冲沟推进时，称为向沟开采
12、；反之，即工作面背离冲沟推进时，称为背沟开采。本文研究的主要对象为冲沟发育矿区浅埋煤层冲沟坡体，它具有如下特点：（1）坡体产状变化大；（2）部分采动坡体处于三端自由无约束状态；（3）受采动影响，不同类型的冲沟坡体将会出现不同的活动方式。本文重点研究向沟开采时冲沟坡体不同结构形式的产生条件、影响因素及其对井下矿压影响的机理。2.3.2研究方法与主要研究内容色连矿区冲沟坡体的活动方式及其控制是一个涉及多学科的研究，本文从顶板结构控制的角度出发，对色连矿井工作面开采现场进行实际现场数据观测，通过数据分析以及数学力学理论推导，来研究色连冲沟下浅埋煤层的开采矿压显现基本规律。 3 地质条件与煤层地质特征
13、3.1矿区煤层地质特征3.1.1地层特征色连矿井位于鄂尔多斯高原东北部，地形总体趋势是呈北高南低之势，海拔标高一般在13401485m之间。最高点标高为1486.20m；最低点标高为1348.7m。井田内的一般相对高差80m左右。井田属高原侵蚀性丘陵地貌，大部分地区为低矮山丘，基岩(K1zh)大面积出露，第四系黄土零星分布于山丘之顶，第四系冲洪积分布于沟谷之内，植被稀疏，为半荒漠地区。3.1.2煤层特征区内煤层倾角小，赋存条件较为简单，从北向南成煤时期逐渐缩短，埋深逐渐减小。矿区北部矿井主要开采石炭系太原组和二迭系下统山西组煤层，南部矿井主要开采侏罗系煤层，主要开采方法为长壁综采。通过对冲沟发
14、育矿区浅埋煤层地质资料的初步整理分析，结合矿井开采过程中的揭露情况及初步的开采实践总结，认为对井下开采有影响的冲沟坡体下浅埋2-2上煤层的赋存条件有如下特征：（1） 煤层厚度45 m 左右，平均约 4 .5m，倾角 平均2，赋存条件简单；（2） 基岩厚度较小，一般在170 m；（3） 基岩中只赋存一层对覆岩运动起控制作用的厚硬岩层，且位于断裂带下部或垮落带内；（4） 冲沟切割深度较大；3.1.3浅埋下煤层开采矿压显现特征对于浅埋煤层，根据实测，浅埋煤层可分为 2 种类型：(1) 基岩比较薄、松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现顶板台阶下沉，此类厚松散层浅埋煤层称为
15、典型的浅埋煤层。可以概括为：埋藏浅，基载比小，老顶为单一关键层结构的煤层。(2) 基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较小的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组关键层，存在轻微的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。总体上，浅埋煤层工作面的主要矿压特征是老顶破断运动直接波及地表，顶板不易形成稳定的结构，来压存在明显动载现象，支架处于给定失稳载荷状态。浅埋煤层可以采用以下指标判定：埋深不超过 150 m，基载比 Jz小于 1，顶板体现单一主关键层结构特征，来压具有明显动载现象。顶板基岩沿全厚切落，基岩破断角较大，破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉和动载现象。工
16、作面覆岩不存在“三带”，基本上为冒落带和裂隙带“两带”。浅埋煤层工作面顶板一般为单一主关键层类型，老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。基岩厚度比较大时，会出现两个关键层组，形成大小周期来压现象，其矿压显现特征介于浅埋煤层采场和普通采场之间。基岩与载荷层厚度之比 Jz(简称基载比)，对来压显现有重要影响。当 Jz0.8 时，工作面都出现顶板沿煤壁台阶下沉，而当 Jz0.8 时，则没有出现顶板台阶下沉。其开采矿压显现基本特征如下：（1）浅埋煤层工作面矿压显现的突出特点是顶板基岩沿全厚切落,基岩破断角较大,破断直接波及地表。来压期间有明显的顶板台阶下沉现象,来压时间短,支架动载明显。（2）浅埋煤层工作面顶板为典型的单一关键层类型,载荷层厚度较大,老顶岩块不易形成稳定的砌体梁结构。顶板结构沿煤壁失稳形成工作面台阶下沉,顶板沿架后失稳形成新的结构形态。（3）工作面来压分布为中部大两端小
