引言

　　伴隨我國煤炭資源的開采重心向西部轉移，西部礦區黃土溝壑地貌普遍存在的溝谷地形，其基巖較薄，上覆沙土厚度大，地表溝壑縱橫、支離破碎，尤其是在溝谷處其關鍵層基巖因沖蝕而缺失，使得礦井生產動載礦壓顯現劇烈。而陜北侏羅紀煤田榆神礦區開采過程中，由溝谷地形引起的地表臺階下沉，工作面端面切頂、煤壁嚴重片幫、支架立柱急劇下縮，對礦井安全綠色開采造成了極大影響。為此亟待開展淺埋煤層過溝谷區開采動載礦壓機理及防治技術研究。

　　對于過溝谷區域礦壓發生位置及影響因素，已有諸多學者進行了卓有成效的研究。許家林等指出動載礦壓主要發生在溝谷上坡段，過溝谷上坡段時關鍵層因缺少側向水平擠壓力作用，不易形成穩定的 “砌體梁” 結構而滑落失穩。張杰等針對南梁礦礦壓主要發生在谷底，得到了上覆巖層 “滑移回轉載荷” 的計算公式，揭示了非均布載荷梁的破斷以及瞬間滑移機理。張志強等指出在地形為非溝谷地段、溝谷下坡段和溝底礦壓顯現存在明顯差異，并分別從溝深、坡角等關鍵性因素分析了影響工作面產生動載礦壓的主要原因。趙杰等指出上坡段關鍵層呈非均布載荷作用下的懸臂梁方式存在，當溝谷坡角小于 57° 時，失穩形式為回轉變形失穩，當溝谷坡角大于 57° 時，其失穩形式為滑落失穩。李偉豪量化了溝谷產狀對關鍵層的影響，推導了地表溝谷對關鍵層附加應力的計算公式，揭示了受溝谷產狀影響的巖層破斷規律。

　　單一關鍵層下過溝谷開采已有諸多學者展開研究，復合關鍵層下過溝谷開采面臨的動載礦壓顯現問題更加復雜。在覆巖控制方面，侯忠杰等在分析組合關鍵層有關參數的基礎上，推導出了組合關鍵層初次來壓步距和周期來壓步距的計算公式。張艷偉指出覆巖運動發育至沖溝后沖溝對覆巖運動影響較大，明確了基本頂周期破斷步距、強度以及沖溝坡體運動特征。王旭鋒等認為沖溝坡體下開采時，基本頂初次破斷具有不對稱性，相同地質條件下，坡角越大，采動坡體對工作面礦壓顯現影響越大。劉純貴通過相似模擬實驗發現淺埋煤層刀柱開采發生的大面積來壓其實是多米諾效應引起的覆巖大面積切冒，垮落從直接頂開始，逐步擴展至松散層。李磊對陜北地區淺埋煤層地質采礦條件進行研究，由數值模擬及開采實踐得出陜北地區淺埋深厚土層薄基巖煤層的覆巖結構。范鋼偉等分析了淺埋煤層覆巖移動與裂隙在水平方向和垂直方向的擴展與分布的動態演變特征。研究表明隨工作面的推進，覆巖會出現與地表同步垮落現象。曹勝根等、張云等運用理論計算，數值模擬方法分析研究采場上覆巖層的運動規律。當上覆巖層為堅硬巖層時，支承壓力集中系數及系統釋放的能量最大，堅硬巖層的破斷會對工作面的安全生產構成很大威脅，易造成壓架事故或沖擊礦壓等。

　　諸多學者的研究成果為過溝谷區域安全開采奠定了基礎，但研究成果大多針對單一關鍵層下溝谷某一區段的礦壓顯現機理，而對于復合關鍵層下整個開采過程引起劇烈來壓的根本原因研究相對較少。鑒于此，本文以朱家峁煤礦為背景，進行淺埋煤層溝谷區高位關鍵層破斷動載機理及應用研究。采用相似模擬實驗方法，結合現場礦壓監測實況，對過連續溝谷前后動載礦壓顯現原因進行分析，掌握復合關鍵層下過溝谷區域強礦壓致災機理，繼而對過溝谷地形動載礦壓防治措施進行優化。研究結果對朱家峁煤礦過溝谷安全高效開采提供了科學指導，保證了礦井順利過溝開采，同時對溝谷地形礦產資源的安全開采具有一定的參考意義。

　　1 工程背景

　　1.1 開采條件及地形特征

　　朱家峁煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆橫礦區東北部，地表基本被第四系松散沉積物所覆蓋。井田總體構造形態為向近西向緩傾的單斜層，3 號煤層為區內唯一可采煤層，埋藏較淺，層位穩定。井田內中、南部大部分為黃土梁峁區，北部局部為河谷地區。

　　1305-2 工作面位于朱家峁煤礦一盤區西翼，走向長 3905m，煤層埋深 125~205m，煤層傾角平均 0.8°，煤層厚度 3.5m。采用長壁綜采工藝，全部垮落法管理頂板。對應地面位置主要為黃土梁峁，地形起伏較大，支離破碎，溝壑縱橫。工作面中后部有兩條溝谷通過，流向總體為自南向北，溝谷處關鍵層基巖被沖蝕，缺失厚度 15~30m，屬于典型的過溝谷區域煤層開采。采用 ZY9000/17/35 型液壓支架，初撐力為 6412kN，工作阻力為 9000kN。

　　工作面礦壓顯現規律受上覆巖層破斷形式以及破斷巖體的穩定性影響，其中關鍵層層位、厚度、破斷及失穩形式對回采工作面礦壓影響尤其明顯。根據巖層控制的關鍵層理論以及朱家峁煤礦 1305-2 工作面 805 鉆孔柱狀圖對該工作面覆巖關鍵層位置進行判別后發現，3 號煤層覆巖中存在兩層關鍵層，屬于復合關鍵層結構。低位關鍵層是厚度為 15.1m 的中砂巖，高位關鍵層是厚度為 11.5m 的中砂巖，且高位關鍵層在溝谷處缺失。

　　1.2 過溝谷動載礦壓現象

　　1305-2 工作面在累計推進距離約 2400m 后，于 2021 年 10 月在第一條溝谷時發生劇烈來壓，造成工作面 46~122 號支架頂板在煤壁處斷開切頂，其中 65~95 號支架全部壓死，多處液壓管路損壞，并伴隨煤壁片幫、切頂現象，影響生產 10d。隨后發生第二次劇烈來壓，0~110 號大部分支架阻力在短時間內突增約 14MPa，其中工作面中部 45~95 號支架大部分被壓死，多處液壓管路損壞，并伴隨巨大聲響，頂板垮落導通裂隙導致工作面涌水影響生產 6d。

　　與常規的周期來壓相比，過溝谷動載礦壓來壓速度更快，能量巨大，工作面片幫、切頂現象更為嚴重，同時地表產生明顯的裂隙及臺階下沉現象，導致液壓支架、管路等設備損壞，造成重大經濟損失，給工作面安全生產與地表環境帶來嚴重影響，破壞性極大。但礦井開采時，過溝谷地形動載礦壓顯現機理尚不清楚，為此首先采用物理模擬實驗方法，對各個區域的覆巖破壞特征及礦壓顯現情況展開分析。

　　2 過溝谷地形覆巖破壞特征

　　2.1 物理相似材料模型與開采方案設計

　　本次相似模擬實驗的目的是探究溝谷地形下上覆巖層破壞規律。通過對模擬支架工作阻力及微震監測的分析，研究動載礦壓發生的機理，為工作面動載防治提供理論依據。本次朱家峁煤礦溝谷區物理材料模型設計，采用外形尺寸長、寬、高分別為 300、20、200cm 的模型架，模型設計的長、寬、高分別為 300、20、175cm，幾何相似比為 1∶150。

　　根據模型構建的設計和相關要求，結合工程背景實況，物理相似模擬實驗所采用的主要材料為河砂，輔料為大白粉、熟石膏、云母、水，其中在對煤層進行配比時要加入粉煤灰，按確定的配比材料模擬不同巖性的巖層，層間鋪設云母粉模擬巖層層理。

　　在模型開采過程中，采用 SOS 微震監測系統對模型回采過程中工作面上覆巖層能量變化情況進行實時監測，其中微震用于監測覆巖破壞時釋放能量的大小、發生頻次以及破壞的位置。采用模擬支架傳感器進行支架阻力監測，分析不同推進位置工作面來壓的大小，得到模型壓力分布規律。揭示工作面回采中 “應力場 - 位移場 - 能量場” 耦合致災特征及采動應力規律，從而清晰各區域礦壓顯現情況，明確動載礦壓發生位置。

　　2.2 上覆巖層運動破壞規律

　　不同于常規煤層的開采，溝谷區關鍵層缺失往往使得頂板垮落破壞特征不同，為此對巖層破斷過程中的覆巖運動規律以及來壓特征展開分析。

　　1)覆巖破壞特征

　　在工作面推進至 240m 前，由于在非溝谷區域，關鍵層完整性較好，采空區上方堅硬巖層在裂隙帶內將斷裂成排列整齊的巖塊，巖塊間將受水平推力作用而形成鉸接關系，較易形成砌體梁結構。當工作面回采至 264m 移架后，也就是在上坡段約 2/3 的位置，出現了端面切頂以及高位關鍵層滑落，在此過程中現場工作面頂板也出現嚴重冒落、煤壁片幫現象。

　　2)支架阻力監測

　　支架工作阻力隨工作面推進的變化曲線。通過對實驗中工作面支架阻力監測分析表明，在非溝谷區域，支架壓力在 25MPa 左右，呈有規律性的周期來壓。在溝谷下坡段支架阻力有一定波動但并未發生劇烈來壓，在溝谷下坡段，支架阻力較低，說明發生動載礦壓的可能性較小。當工作面推進到溝谷上坡段 2/3 位置時，支架阻力發生突增，支架阻力增大至 38MPa，達到最大值后恢復到正常值，第一條溝谷上坡段長約 210m，對應為約在 140m 處發生動載礦壓，這與現場 145m 處發生壓架事件較為吻合。

　　3)微震監測系統

　　在高位關鍵層缺失的溝谷區，應力集中程度不同會導致能量演化趨勢產生差異，利用 SOS 微震監測系統對 1305-2 工作面進行實時全方位監測。從橫向上看，微震事件分布大致呈拱形，隨著工作面不斷向前推進，微震事件先增多后減少，微震事件在溝谷區分布更為密集，并且大于 150J 的微震事件明顯增多，這是由于在溝谷區域應力較為集中，能量趨勢隨之變化。從縱向上看，隨著工作面不斷向前推進，微震事件分布高度逐漸向上擴展，在靠近煤層區域位置的覆巖附近，微震信號較為密集，隨著逐漸遠離煤層，微震事件相對減少，這也說明了覆巖垮落具有一定的順序性。

　　綜上所述，在開采非溝谷區段，關鍵層垮落后易形成砌體梁結構，采場礦壓較為規律。進入溝谷區后，高位關鍵層缺失導致缺少側向水平力限制，無法形成穩定結構，而是以懸臂梁存在，上覆巖層形成以關鍵層為承載的 “非均布載荷梁” 結構，在上坡段發生回轉失穩或滑落失穩。來壓均發生在溝谷上坡段，發生動載礦壓時基本頂巖塊主要失穩方式為破壞更為嚴重的滑落失穩，工作面支架須提供合理的支護力才能防止高位關鍵層結構的滑落失穩。結合實驗中覆巖破壞規律、支架工作阻力和微震監測數據表明，工作面在溝谷下坡段易形成砌體梁結構，在溝谷上坡段時易發生動載礦壓，但具體發生位置缺乏理論依據以及計算公式，對動載礦壓發生機理尚不清晰，因此急需對過溝谷地形礦壓顯現機理開展研究。

　　3 過溝谷地形礦壓顯現機理

　　3.1 溝谷關鍵層動態結構

　　通過相似模擬實驗掌握的礦壓規律及覆巖結構演化特征，建立溝谷關鍵層動態結構模型，對過溝谷地形礦壓顯現機理開展研究。煤層開采引起原巖應力擾動，在開采溝谷區下坡段，低位關鍵層垮落后形成砌體梁結構，關鍵塊之間互相咬合，高位關鍵層回轉下沉時能夠受到后方破斷塊體結構的側向限制作用，有一定的側向水平壓力限制，有利于塊體結構的穩定，較易形成周期性的垮落。因此，過溝谷地形下坡段時工作面礦壓顯現總體正常，不易發生動載礦壓現象。

　　在開采溝谷區上坡段，低位關鍵層在采空區上方下沉，覆巖破壞繼續向上傳遞，當經過溝谷區上坡段時，由于左側缺少側向水平力限制，且溝谷坡角較小，以懸臂梁結構存在的高位關鍵層受重力影響在初期將發生回轉失穩，失穩后破斷塊體間互相鉸接以圖所示的 E1、E2、E3 形式存在當工作面持續開采，破斷塊體間互相鉸接形成的鏈式結構因缺少水平摩擦力將發生滑落失穩，產生向下的強沖擊力低位關鍵層起到承載載荷作用的關鍵塊體 B2 受到強沖擊后將無法繼續維持穩定結構，也就是瞬間對關鍵塊體 B2 形成沖擊載荷這種載荷進而傳遞在支架上，致使支架沖擊受載引發動載礦壓，這也是過溝谷區上坡段易發生動載礦壓的根本原因。

　　覆巖破壞傳遞順序依次為：煤層開采區→低位關鍵層→高位關鍵層破斷塊體鏈→下部關鍵塊→支架。則溝谷區礦壓顯現的特征為：多發于溝谷上坡段，以高位關鍵層破斷塊體鏈滑落失穩為主誘發因素的鏈式礦壓顯現規律。因此，在實際開采過程中，明確其滑落失穩位置，并由此破壞其鏈式結構，防止能量積聚，將成為過溝谷區安全高效開采的有效治災機理。

　　3.2 溝谷關鍵層結構受力分析

　　根據相似模擬結果和現場實況，動載礦壓發生在溝谷區上坡段，因此圖 6 著重分析了第一條溝谷上坡段，闡釋了工作面礦壓顯現機理，但對于具體來壓位置以及下坡段不易發生的根本原因尚不清楚。要清晰來壓位置，首先要構建合理的力學模型進行力學分析，力學模型的構建以溝谷關鍵層結構圖為基礎，研究連續溝谷力學特征。

　　在溝谷上坡段，關鍵層上覆巖層沿著坡角逐漸變厚，反之在下坡段，關鍵層上覆巖層沿著坡角逐漸變薄，重力對高位關鍵層的作用將是遞增或遞減的趨勢，因此考慮覆巖關鍵層受非均布載荷作用。由于下部低位關鍵層的承載作用，高位關鍵層過溝谷區域時覆巖關鍵層初次破斷前可視為懸臂梁結構。根據朱家峁煤礦連續溝谷覆巖結構變化特征可知，其力學承載特性具有一定規律，過連續溝谷開采覆巖關鍵層力學分析模型如圖所示其中 a 段為第一條溝谷上坡段 b 段為第二條溝谷下坡段 ab 段構成過連續溝谷力學模型的基本單元。

　　由于過第一條溝谷上坡段距離約為 210m，結合懸臂梁破斷特征與現場來壓實況，第一次破斷將發生于 a 段首先以 a 段為研究對象梁內任意點的正應力 σ 為：

　　σ=My/Jz (1)

　　該點剪切力為：

　　τ=3/2qx (h²-4y²)/h³

　　qx 為任意點上覆巖層的載荷若取梁為單位寬度，則梁的斷面矩 JZ=1/12h³，則任意點的正應力為：

　　σ=12My/h³ (3)

　　根據其受非均布載荷，其任意點上覆巖層的載荷為 qx=xρgtanθ 計算得斷裂處剪力 FS、彎矩 MS 分別為：

　　FS=∫0x xρgtanθdx=1/2x²ρgtanθ

　　MS=1/3xFS=1/6x³ρgtanθ

　　根據受力情況則該處的最大拉應力 σmax 為：

　　σmax=x³ρgtanθ/h² (6)

　　最大剪應力發生在矩形斷面梁的中性軸上。

　　分析相似模擬、力學模型、計算數值、現場實況可以得到，過溝谷上坡段開采初期高位關鍵層發生回轉變形，初次破斷距離為 27m，隨后由于非均布載荷疊加效應，應力逐漸加大，發生破斷的距離將隨之變短，這與目前 1305-2 工作面周期來壓步距為 20m 左右較為吻合，同時可以得出回轉變形對下部低位關鍵層形成的砌體梁結構沖擊較小，表現形式為工作面存在較有規律的來壓現象。當上部破斷塊體形成的鏈式結構由于缺少摩擦力無法維持穩定結構時，在 142m 處發生初次剪斷，滑落失穩產生的巨大沖擊力沖擊下部低位關鍵層形成的穩定結構，表現形式為工作面將產生劇烈來壓，這與現場在上坡段開采距谷底約 145m 處發生第一次壓架現象較為吻合。

　　同理，沿著上坡段繼續向上開采，任意點的瞬時載荷逐漸增大，單位長度巖層上的載荷隨之增大，發生滑落失穩的距離將變短，這也是發生第二次壓架僅僅在第一次之后的根本原因。b 段為第二條溝谷下坡段，隨著上覆巖層變薄，載荷逐漸降低且存在應力轉移現象，ab 段將在 a 段集中發生滑落失穩并且上坡段發生滑落后能量集中釋放，b 段將不易發生滑落失穩，因此在過溝谷區下坡段不易發生動載礦壓，與現場第一條溝谷下坡段未發生較強來壓吻合。

　　4 過溝谷地形動載礦壓防治

　　4.1 過溝谷地形動載礦壓綜合防治措施

　　根據上文分析，過溝谷區域開采礦壓顯現具有一定的鏈式特征，因此過溝谷地形動載礦壓防治主要有兩種措施：

　　1)破壞傳遞鏈的某一環節或縮短反應時間以防止能量大量積聚集中釋放而發生劇烈礦壓顯現。如在工作面過溝谷時可對工作面采空區頂板進行爆破，從而減小支架支撐力，通過提前水力預裂頂板縮短垮落步距，從而避免能量積聚以減小來壓時的壓力值。

　　2)通過應力在線監測等技術手段明確來壓時間、地點，提前做好防護措施。如通過微震監測獲得微震活動的變化、震源方位和活動趨勢，確定發生震源的位置，為防治措施的實施位置提供依據，并通過鉆孔窺視儀監測防治效果。同時，根據支護阻力選擇合理的支架型號，由監測的周期來壓規律分析做好支護工況質量監測，在發生動載礦壓危險地段保證有良好的工程質量。

　　4.2 工程實踐

　　溝谷地形動載礦壓綜合防治措施的實施首先應明確來壓位置，根據上文的滑落失穩步距公式計算得出的來壓位置與現場基本吻合，因此應用到第二條溝谷實際開采中，對 1305-2 工作面在通過第二條地表溝谷時的劇烈來壓位置進行計算，θ₂取 15°，其余參數不變，計算得出滑落失穩位置位于上坡段距谷底 147m 處。為確保工作面上坡段不再發生類似的壓架事件，隨即在計算出的 1305-2 工作面第二條溝谷影響范圍內的強礦壓危險區進行水力壓裂。水力壓裂技術對堅硬頂板的控制有著非常明顯的效果，水力壓裂后周期來壓步距由 18m 縮短為 12m。工作面選用的 ZY9000/17/35 型液壓支架，不能夠滿足要求，因此改用 ZY11000/14/34D 型液壓支架可實現工作面安全開采，通過對比支架工作阻力，分析防治前后強礦壓顯現情況，水力壓裂前后支架工作阻力對比如圖 9 所示。

　　過第一條溝谷未采取防治措施時，支架工作阻力最大值超過 45MPa，遠大于額定工作阻力，并于上坡段距谷底 145、190m 兩處發生壓架，嚴重威脅礦井安全生產。計算得出第二條溝谷預計來壓位置，并對危險區域進行水力壓裂，1305-2 工作面經過第二個溝谷期間，支架工作阻力基本低于 30MPa，周期來壓較為穩定，并未出現頂板動載礦壓事故，保證了工作面的安全回采。同時，通過微震監測防治前后第一條溝谷上坡段與第二條溝谷上坡段開采期間微震能量事件，對比分析水力壓裂后應力集中程度。如圖 10 所示，在第一條溝谷上坡段紅色的大能量事件明顯多于第二條溝谷上坡段，說明防治起到了良好的效果。

　　隨即在朱家峁煤礦 1307-2 工作面溝谷區域開展動載礦壓防治措施。同理，通過公式計算得出滑落失穩位置位于上坡段距谷底 126m 處，對危險區域進行水力壓裂，在危險區域內基本頂最大高度為 14.61m，因此水力壓裂垂直高度應不小于 14.61m。為 1307-2 工作面進行動載礦壓綜合防治后與 1305-2 工作面經過第一個溝谷期間微震能量釋放特征對比，表明防治后工作面微震能量事件呈下降趨勢，1305-2 工作面在未進行防治時微震能量級數與微震能量頻次個數明顯高于 1307-2 工作面，說明防治前應力集中更為顯著。

　　采用水力壓裂后 1307-2 工作面安全順利推進至溝谷坡頂，工作面單月推進度超過 300m。通過理論分析并結合 1305-2 工作面經過第一條溝谷現場實況提出了溝谷區高位關鍵層破斷動載機理，將破斷致災機理防治措施應用于 1305-2 工作面經過第二條溝谷及 1307-2 工作面，現場實測表明朱家峁煤礦未再次發生強礦壓顯現，防治效果良好。

　　5 結論

　　1)通過物理相似模擬得到在開采非溝谷區段，采場礦壓較為規律，支架阻力在 25MPa 左右。進入溝谷區后，高位關鍵層缺失導致缺少側向水平力限制，無法形成穩定結構，當工作面推進到溝谷上坡段 2/3 位置時，支架阻力發生突增，支架阻力增大至 38MPa。微震事件在溝谷區分布更為密集，并且大于 150J 的微震事件明顯增多，說明動載礦壓多發于溝谷區上坡段。

　　2)通過構建過連續溝谷地形最小單元覆巖關鍵層力學分析模型，得出了多發于溝谷上坡段，以滑落失穩為主誘發因素的鏈式強礦壓顯現規律，推導出高位關鍵層回轉變形與滑落失穩初次破斷距離的計算公式。溝谷區上坡段高位關鍵層初次破斷距離為 27m，滑落失穩破斷距離為 142m，這與現場在上坡段開采約 145m 處發生第一次壓架現象較為吻合。

　　3)根據溝谷區高位關鍵層破斷動載機理，提出了過溝谷地形動載礦壓綜合防治措施。在計算出的 1305-2 工作面第二條溝谷 147m 處影響范圍內的強礦壓危險區進行水壓致裂，隨后在 1307-2 工作面開展，防治效果良好，為過溝谷地形開采時動載礦壓防治提供了理論依據。

來興平;朱浩宇;郭中安;顧合龍;李相通;趙啟生;單鵬飛,西安科技大學能源學院;西安科技大學教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室;陜西中太能源投資有限公司,202405