采矿与安全工程学报杂志投稿格式参考范文：浅埋煤层沟谷区高位关键层破断动载机理及应用

　　引言

　　伴随我国煤炭资源的开采重心向西部转移，西部矿区黄土沟壑地貌普遍存在的沟谷地形，其基岩较薄，上覆沙土厚度大，地表沟壑纵横、支离破碎，尤其是在沟谷处其关键层基岩因冲蚀而缺失，使得矿井生产动载矿压显现剧烈。而陕北侏罗纪煤田榆神矿区开采过程中，由沟谷地形引起的地表台阶下沉，工作面端面切顶、煤壁严重片帮、支架立柱急剧下缩，对矿井安全绿色开采造成了极大影响。为此亟待开展浅埋煤层过沟谷区开采动载矿压机理及防治技术研究。

　　对于过沟谷区域矿压发生位置及影响因素，已有诸多学者进行了卓有成效的研究。许家林等指出动载矿压主要发生在沟谷上坡段，过沟谷上坡段时关键层因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。张杰等针对南梁矿矿压主要发生在谷底，得到了上覆岩层 “滑移回转载荷” 的计算公式，揭示了非均布载荷梁的破断以及瞬间滑移机理。张志强等指出在地形为非沟谷地段、沟谷下坡段和沟底矿压显现存在明显差异，并分别从沟深、坡角等关键性因素分析了影响工作面产生动载矿压的主要原因。赵杰等指出上坡段关键层呈非均布载荷作用下的悬臂梁方式存在，当沟谷坡角小于 57° 时，失稳形式为回转变形失稳，当沟谷坡角大于 57° 时，其失稳形式为滑落失稳。李伟豪量化了沟谷产状对关键层的影响，推导了地表沟谷对关键层附加应力的计算公式，揭示了受沟谷产状影响的岩层破断规律。

　　单一关键层下过沟谷开采已有诸多学者展开研究，复合关键层下过沟谷开采面临的动载矿压显现问题更加复杂。在覆岩控制方面，侯忠杰等在分析组合关键层有关参数的基础上，推导出了组合关键层初次来压步距和周期来压步距的计算公式。张艳伟指出覆岩运动发育至冲沟后冲沟对覆岩运动影响较大，明确了基本顶周期破断步距、强度以及冲沟坡体运动特征。王旭锋等认为冲沟坡体下开采时，基本顶初次破断具有不对称性，相同地质条件下，坡角越大，采动坡体对工作面矿压显现影响越大。刘纯贵通过相似模拟实验发现浅埋煤层刀柱开采发生的大面积来压其实是多米诺效应引起的覆岩大面积切冒，垮落从直接顶开始，逐步扩展至松散层。李磊对陕北地区浅埋煤层地质采矿条件进行研究，由数值模拟及开采实践得出陕北地区浅埋深厚土层薄基岩煤层的覆岩结构。范钢伟等分析了浅埋煤层覆岩移动与裂隙在水平方向和垂直方向的扩展与分布的动态演变特征。研究表明随工作面的推进，覆岩会出现与地表同步垮落现象。曹胜根等、张云等运用理论计算，数值模拟方法分析研究采场上覆岩层的运动规律。当上覆岩层为坚硬岩层时，支承压力集中系数及系统释放的能量最大，坚硬岩层的破断会对工作面的安全生产构成很大威胁，易造成压架事故或冲击矿压等。

　　诸多学者的研究成果为过沟谷区域安全开采奠定了基础，但研究成果大多针对单一关键层下沟谷某一区段的矿压显现机理，而对于复合关键层下整个开采过程引起剧烈来压的根本原因研究相对较少。鉴于此，本文以朱家峁煤矿为背景，进行浅埋煤层沟谷区高位关键层破断动载机理及应用研究。采用相似模拟实验方法，结合现场矿压监测实况，对过连续沟谷前后动载矿压显现原因进行分析，掌握复合关键层下过沟谷区域强矿压致灾机理，继而对过沟谷地形动载矿压防治措施进行优化。研究结果对朱家峁煤矿过沟谷安全高效开采提供了科学指导，保证了矿井顺利过沟开采，同时对沟谷地形矿产资源的安全开采具有一定的参考意义。

　　1 工程背景

　　1.1 开采条件及地形特征

　　朱家峁煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区东北部，地表基本被第四系松散沉积物所覆盖。井田总体构造形态为向近西向缓倾的单斜层，3 号煤层为区内唯一可采煤层，埋藏较浅，层位稳定。井田内中、南部大部分为黄土梁峁区，北部局部为河谷地区。

　　1305-2 工作面位于朱家峁煤矿一盘区西翼，走向长 3905m，煤层埋深 125~205m，煤层倾角平均 0.8°，煤层厚度 3.5m。采用长壁综采工艺，全部垮落法管理顶板。对应地面位置主要为黄土梁峁，地形起伏较大，支离破碎，沟壑纵横。工作面中后部有两条沟谷通过，流向总体为自南向北，沟谷处关键层基岩被冲蚀，缺失厚度 15~30m，属于典型的过沟谷区域煤层开采。采用 ZY9000/17/35 型液压支架，初撑力为 6412kN，工作阻力为 9000kN。

　　工作面矿压显现规律受上覆岩层破断形式以及破断岩体的稳定性影响，其中关键层层位、厚度、破断及失稳形式对回采工作面矿压影响尤其明显。根据岩层控制的关键层理论以及朱家峁煤矿 1305-2 工作面 805 钻孔柱状图对该工作面覆岩关键层位置进行判别后发现，3 号煤层覆岩中存在两层关键层，属于复合关键层结构。低位关键层是厚度为 15.1m 的中砂岩，高位关键层是厚度为 11.5m 的中砂岩，且高位关键层在沟谷处缺失。

　　1.2 过沟谷动载矿压现象

　　1305-2 工作面在累计推进距离约 2400m 后，于 2021 年 10 月在第一条沟谷时发生剧烈来压，造成工作面 46~122 号支架顶板在煤壁处断开切顶，其中 65~95 号支架全部压死，多处液压管路损坏，并伴随煤壁片帮、切顶现象，影响生产 10d。随后发生第二次剧烈来压，0~110 号大部分支架阻力在短时间内突增约 14MPa，其中工作面中部 45~95 号支架大部分被压死，多处液压管路损坏，并伴随巨大声响，顶板垮落导通裂隙导致工作面涌水影响生产 6d。

　　与常规的周期来压相比，过沟谷动载矿压来压速度更快，能量巨大，工作面片帮、切顶现象更为严重，同时地表产生明显的裂隙及台阶下沉现象，导致液压支架、管路等设备损坏，造成重大经济损失，给工作面安全生产与地表环境带来严重影响，破坏性极大。但矿井开采时，过沟谷地形动载矿压显现机理尚不清楚，为此首先采用物理模拟实验方法，对各个区域的覆岩破坏特征及矿压显现情况展开分析。

　　2 过沟谷地形覆岩破坏特征

　　2.1 物理相似材料模型与开采方案设计

　　本次相似模拟实验的目的是探究沟谷地形下上覆岩层破坏规律。通过对模拟支架工作阻力及微震监测的分析，研究动载矿压发生的机理，为工作面动载防治提供理论依据。本次朱家峁煤矿沟谷区物理材料模型设计，采用外形尺寸长、宽、高分别为 300、20、200cm 的模型架，模型设计的长、宽、高分别为 300、20、175cm，几何相似比为 1∶150。

　　根据模型构建的设计和相关要求，结合工程背景实况，物理相似模拟实验所采用的主要材料为河砂，辅料为大白粉、熟石膏、云母、水，其中在对煤层进行配比时要加入粉煤灰，按确定的配比材料模拟不同岩性的岩层，层间铺设云母粉模拟岩层层理。

　　在模型开采过程中，采用 SOS 微震监测系统对模型回采过程中工作面上覆岩层能量变化情况进行实时监测，其中微震用于监测覆岩破坏时释放能量的大小、发生频次以及破坏的位置。采用模拟支架传感器进行支架阻力监测，分析不同推进位置工作面来压的大小，得到模型压力分布规律。揭示工作面回采中 “应力场 - 位移场 - 能量场” 耦合致灾特征及采动应力规律，从而清晰各区域矿压显现情况，明确动载矿压发生位置。

　　2.2 上覆岩层运动破坏规律

　　不同于常规煤层的开采，沟谷区关键层缺失往往使得顶板垮落破坏特征不同，为此对岩层破断过程中的覆岩运动规律以及来压特征展开分析。

　　1)覆岩破坏特征

　　在工作面推进至 240m 前，由于在非沟谷区域，关键层完整性较好，采空区上方坚硬岩层在裂隙带内将断裂成排列整齐的岩块，岩块间将受水平推力作用而形成铰接关系，较易形成砌体梁结构。当工作面回采至 264m 移架后，也就是在上坡段约 2/3 的位置，出现了端面切顶以及高位关键层滑落，在此过程中现场工作面顶板也出现严重冒落、煤壁片帮现象。

　　2)支架阻力监测

　　支架工作阻力随工作面推进的变化曲线。通过对实验中工作面支架阻力监测分析表明，在非沟谷区域，支架压力在 25MPa 左右，呈有规律性的周期来压。在沟谷下坡段支架阻力有一定波动但并未发生剧烈来压，在沟谷下坡段，支架阻力较低，说明发生动载矿压的可能性较小。当工作面推进到沟谷上坡段 2/3 位置时，支架阻力发生突增，支架阻力增大至 38MPa，达到最大值后恢复到正常值，第一条沟谷上坡段长约 210m，对应为约在 140m 处发生动载矿压，这与现场 145m 处发生压架事件较为吻合。

　　3)微震监测系统

　　在高位关键层缺失的沟谷区，应力集中程度不同会导致能量演化趋势产生差异，利用 SOS 微震监测系统对 1305-2 工作面进行实时全方位监测。从横向上看，微震事件分布大致呈拱形，随着工作面不断向前推进，微震事件先增多后减少，微震事件在沟谷区分布更为密集，并且大于 150J 的微震事件明显增多，这是由于在沟谷区域应力较为集中，能量趋势随之变化。从纵向上看，随着工作面不断向前推进，微震事件分布高度逐渐向上扩展，在靠近煤层区域位置的覆岩附近，微震信号较为密集，随着逐渐远离煤层，微震事件相对减少，这也说明了覆岩垮落具有一定的顺序性。

　　综上所述，在开采非沟谷区段，关键层垮落后易形成砌体梁结构，采场矿压较为规律。进入沟谷区后，高位关键层缺失导致缺少侧向水平力限制，无法形成稳定结构，而是以悬臂梁存在，上覆岩层形成以关键层为承载的 “非均布载荷梁” 结构，在上坡段发生回转失稳或滑落失稳。来压均发生在沟谷上坡段，发生动载矿压时基本顶岩块主要失稳方式为破坏更为严重的滑落失稳，工作面支架须提供合理的支护力才能防止高位关键层结构的滑落失稳。结合实验中覆岩破坏规律、支架工作阻力和微震监测数据表明，工作面在沟谷下坡段易形成砌体梁结构，在沟谷上坡段时易发生动载矿压，但具体发生位置缺乏理论依据以及计算公式，对动载矿压发生机理尚不清晰，因此急需对过沟谷地形矿压显现机理开展研究。

　　3 过沟谷地形矿压显现机理

　　3.1 沟谷关键层动态结构

　　通过相似模拟实验掌握的矿压规律及覆岩结构演化特征，建立沟谷关键层动态结构模型，对过沟谷地形矿压显现机理开展研究。煤层开采引起原岩应力扰动，在开采沟谷区下坡段，低位关键层垮落后形成砌体梁结构，关键块之间互相咬合，高位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，较易形成周期性的垮落。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。

　　在开采沟谷区上坡段，低位关键层在采空区上方下沉，覆岩破坏继续向上传递，当经过沟谷区上坡段时，由于左侧缺少侧向水平力限制，且沟谷坡角较小，以悬臂梁结构存在的高位关键层受重力影响在初期将发生回转失稳，失稳后破断块体间互相铰接以图所示的 E1、E2、E3 形式存在当工作面持续开采，破断块体间互相铰接形成的链式结构因缺少水平摩擦力将发生滑落失稳，产生向下的强冲击力低位关键层起到承载载荷作用的关键块体 B2 受到强冲击后将无法继续维持稳定结构，也就是瞬间对关键块体 B2 形成冲击载荷这种载荷进而传递在支架上，致使支架冲击受载引发动载矿压，这也是过沟谷区上坡段易发生动载矿压的根本原因。

　　覆岩破坏传递顺序依次为：煤层开采区→低位关键层→高位关键层破断块体链→下部关键块→支架。则沟谷区矿压显现的特征为：多发于沟谷上坡段，以高位关键层破断块体链滑落失稳为主诱发因素的链式矿压显现规律。因此，在实际开采过程中，明确其滑落失稳位置，并由此破坏其链式结构，防止能量积聚，将成为过沟谷区安全高效开采的有效治灾机理。

　　3.2 沟谷关键层结构受力分析

　　根据相似模拟结果和现场实况，动载矿压发生在沟谷区上坡段，因此图 6 着重分析了第一条沟谷上坡段，阐释了工作面矿压显现机理，但对于具体来压位置以及下坡段不易发生的根本原因尚不清楚。要清晰来压位置，首先要构建合理的力学模型进行力学分析，力学模型的构建以沟谷关键层结构图为基础，研究连续沟谷力学特征。

　　在沟谷上坡段，关键层上覆岩层沿着坡角逐渐变厚，反之在下坡段，关键层上覆岩层沿着坡角逐渐变薄，重力对高位关键层的作用将是递增或递减的趋势，因此考虑覆岩关键层受非均布载荷作用。由于下部低位关键层的承载作用，高位关键层过沟谷区域时覆岩关键层初次破断前可视为悬臂梁结构。根据朱家峁煤矿连续沟谷覆岩结构变化特征可知，其力学承载特性具有一定规律，过连续沟谷开采覆岩关键层力学分析模型如图所示其中 a 段为第一条沟谷上坡段 b 段为第二条沟谷下坡段 ab 段构成过连续沟谷力学模型的基本单元。

　　由于过第一条沟谷上坡段距离约为 210m，结合悬臂梁破断特征与现场来压实况，第一次破断将发生于 a 段首先以 a 段为研究对象梁内任意点的正应力 σ 为：

　　σ=My/Jz (1)

　　该点剪切力为：

　　τ=3/2qx (h²-4y²)/h³

　　qx 为任意点上覆岩层的载荷若取梁为单位宽度，则梁的断面矩 JZ=1/12h³，则任意点的正应力为：

　　σ=12My/h³ (3)

　　根据其受非均布载荷，其任意点上覆岩层的载荷为 qx=xρgtanθ 计算得断裂处剪力 FS、弯矩 MS 分别为：

　　FS=∫0x xρgtanθdx=1/2x²ρgtanθ

　　MS=1/3xFS=1/6x³ρgtanθ

　　根据受力情况则该处的最大拉应力 σmax 为：

　　σmax=x³ρgtanθ/h² (6)

　　最大剪应力发生在矩形断面梁的中性轴上。

　　分析相似模拟、力学模型、计算数值、现场实况可以得到，过沟谷上坡段开采初期高位关键层发生回转变形，初次破断距离为 27m，随后由于非均布载荷叠加效应，应力逐渐加大，发生破断的距离将随之变短，这与目前 1305-2 工作面周期来压步距为 20m 左右较为吻合，同时可以得出回转变形对下部低位关键层形成的砌体梁结构冲击较小，表现形式为工作面存在较有规律的来压现象。当上部破断块体形成的链式结构由于缺少摩擦力无法维持稳定结构时，在 142m 处发生初次剪断，滑落失稳产生的巨大冲击力冲击下部低位关键层形成的稳定结构，表现形式为工作面将产生剧烈来压，这与现场在上坡段开采距谷底约 145m 处发生第一次压架现象较为吻合。

　　同理，沿着上坡段继续向上开采，任意点的瞬时载荷逐渐增大，单位长度岩层上的载荷随之增大，发生滑落失稳的距离将变短，这也是发生第二次压架仅仅在第一次之后的根本原因。b 段为第二条沟谷下坡段，随着上覆岩层变薄，载荷逐渐降低且存在应力转移现象，ab 段将在 a 段集中发生滑落失稳并且上坡段发生滑落后能量集中释放，b 段将不易发生滑落失稳，因此在过沟谷区下坡段不易发生动载矿压，与现场第一条沟谷下坡段未发生较强来压吻合。

　　4 过沟谷地形动载矿压防治

　　4.1 过沟谷地形动载矿压综合防治措施

　　根据上文分析，过沟谷区域开采矿压显现具有一定的链式特征，因此过沟谷地形动载矿压防治主要有两种措施：

　　1)破坏传递链的某一环节或缩短反应时间以防止能量大量积聚集中释放而发生剧烈矿压显现。如在工作面过沟谷时可对工作面采空区顶板进行爆破，从而减小支架支撑力，通过提前水力预裂顶板缩短垮落步距，从而避免能量积聚以减小来压时的压力值。

　　2)通过应力在线监测等技术手段明确来压时间、地点，提前做好防护措施。如通过微震监测获得微震活动的变化、震源方位和活动趋势，确定发生震源的位置，为防治措施的实施位置提供依据，并通过钻孔窥视仪监测防治效果。同时，根据支护阻力选择合理的支架型号，由监测的周期来压规律分析做好支护工况质量监测，在发生动载矿压危险地段保证有良好的工程质量。

　　4.2 工程实践

　　沟谷地形动载矿压综合防治措施的实施首先应明确来压位置，根据上文的滑落失稳步距公式计算得出的来压位置与现场基本吻合，因此应用到第二条沟谷实际开采中，对 1305-2 工作面在通过第二条地表沟谷时的剧烈来压位置进行计算，θ₂取 15°，其余参数不变，计算得出滑落失稳位置位于上坡段距谷底 147m 处。为确保工作面上坡段不再发生类似的压架事件，随即在计算出的 1305-2 工作面第二条沟谷影响范围内的强矿压危险区进行水力压裂。水力压裂技术对坚硬顶板的控制有着非常明显的效果，水力压裂后周期来压步距由 18m 缩短为 12m。工作面选用的 ZY9000/17/35 型液压支架，不能够满足要求，因此改用 ZY11000/14/34D 型液压支架可实现工作面安全开采，通过对比支架工作阻力，分析防治前后强矿压显现情况，水力压裂前后支架工作阻力对比如图 9 所示。

　　过第一条沟谷未采取防治措施时，支架工作阻力最大值超过 45MPa，远大于额定工作阻力，并于上坡段距谷底 145、190m 两处发生压架，严重威胁矿井安全生产。计算得出第二条沟谷预计来压位置，并对危险区域进行水力压裂，1305-2 工作面经过第二个沟谷期间，支架工作阻力基本低于 30MPa，周期来压较为稳定，并未出现顶板动载矿压事故，保证了工作面的安全回采。同时，通过微震监测防治前后第一条沟谷上坡段与第二条沟谷上坡段开采期间微震能量事件，对比分析水力压裂后应力集中程度。如图 10 所示，在第一条沟谷上坡段红色的大能量事件明显多于第二条沟谷上坡段，说明防治起到了良好的效果。

　　随即在朱家峁煤矿 1307-2 工作面沟谷区域开展动载矿压防治措施。同理，通过公式计算得出滑落失稳位置位于上坡段距谷底 126m 处，对危险区域进行水力压裂，在危险区域内基本顶最大高度为 14.61m，因此水力压裂垂直高度应不小于 14.61m。为 1307-2 工作面进行动载矿压综合防治后与 1305-2 工作面经过第一个沟谷期间微震能量释放特征对比，表明防治后工作面微震能量事件呈下降趋势，1305-2 工作面在未进行防治时微震能量级数与微震能量频次个数明显高于 1307-2 工作面，说明防治前应力集中更为显著。

　　采用水力压裂后 1307-2 工作面安全顺利推进至沟谷坡顶，工作面单月推进度超过 300m。通过理论分析并结合 1305-2 工作面经过第一条沟谷现场实况提出了沟谷区高位关键层破断动载机理，将破断致灾机理防治措施应用于 1305-2 工作面经过第二条沟谷及 1307-2 工作面，现场实测表明朱家峁煤矿未再次发生强矿压显现，防治效果良好。

　　5 结论

　　1)通过物理相似模拟得到在开采非沟谷区段，采场矿压较为规律，支架阻力在 25MPa 左右。进入沟谷区后，高位关键层缺失导致缺少侧向水平力限制，无法形成稳定结构，当工作面推进到沟谷上坡段 2/3 位置时，支架阻力发生突增，支架阻力增大至 38MPa。微震事件在沟谷区分布更为密集，并且大于 150J 的微震事件明显增多，说明动载矿压多发于沟谷区上坡段。

　　2)通过构建过连续沟谷地形最小单元覆岩关键层力学分析模型，得出了多发于沟谷上坡段，以滑落失稳为主诱发因素的链式强矿压显现规律，推导出高位关键层回转变形与滑落失稳初次破断距离的计算公式。沟谷区上坡段高位关键层初次破断距离为 27m，滑落失稳破断距离为 142m，这与现场在上坡段开采约 145m 处发生第一次压架现象较为吻合。

　　3)根据沟谷区高位关键层破断动载机理，提出了过沟谷地形动载矿压综合防治措施。在计算出的 1305-2 工作面第二条沟谷 147m 处影响范围内的强矿压危险区进行水压致裂，随后在 1307-2 工作面开展，防治效果良好，为过沟谷地形开采时动载矿压防治提供了理论依据。

来兴平;朱浩宇;郭中安;顾合龙;李相通;赵启生;单鹏飞,西安科技大学能源学院;西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室;陕西中太能源投资有限公司,202405