中厚煤層千萬噸級超長工作面礦壓顯現(xiàn)與覆巖活動規(guī)律研究

劉前進(jìn) ，李安寧 ，薛晨曉 ，張 震

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

煤礦集約化、智能化生產(chǎn)是推動我國煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑，截至目前，我國已建成千萬噸級煤礦52 處，約占全國生產(chǎn)煤礦總產(chǎn)能的1/5，其中，榆林鄂爾多斯地區(qū)千萬噸礦井?dāng)?shù)量和規(guī)模又占到我國千萬噸礦井的1/2 以上。但我國年產(chǎn)千萬噸礦井和工作面主要集中在厚及特厚煤層，中厚煤層產(chǎn)能提升還亟待突破。2021 年8 月，陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司二號井煤礦首個中厚煤層450 m 超長工作面投產(chǎn)，單面年生產(chǎn)能力率先突破了1 000 萬t，成為我國工作面長度最長、年生產(chǎn)能力最大的中厚煤層綜采工作面。加長工作面長度和采用智能化開采技術(shù)是中厚煤層工作面破解產(chǎn)能瓶頸的主要手段[1-3]。但工作面長度的大幅增加和開采強(qiáng)度的提高也造成工作面覆巖活動和礦壓顯現(xiàn)更加強(qiáng)烈，圍巖控制難度增大，掌握超長工作面礦壓顯現(xiàn)和覆巖活動規(guī)律是保障超長工作面安全開采和探索工作面尺度效應(yīng)的重要基礎(chǔ)。繆協(xié)興等[4]研究了超長綜放工作面覆巖關(guān)鍵層破斷特征及對采場礦壓的影響；王國法等[5]研究了深井超長工作面支護(hù)應(yīng)力特性，提出將工作面支護(hù)應(yīng)力出現(xiàn)“M”型三峰值作為超長工作面的判據(jù)；王家臣等[6-7]研究了深井超長工作面基本頂在空間上的非均勻破斷特征和頂板壓力的非均勻分布現(xiàn)象；王兆會等[8]研究了超長工作面采動應(yīng)力旋轉(zhuǎn)特征；宋選民等[9]研究了淺埋煤層大采高工作面長度增加對礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律；趙雁海等[10]以超長工作面基本頂初次斷裂所成鉸拱結(jié)構(gòu)為力學(xué)模型，在鉸接端接觸面按照應(yīng)力指數(shù)分布規(guī)律，給出了淺埋裂隙梁結(jié)構(gòu)允許埋深公式；劉長友等[11]采用 FLAC3D有限元軟件對比分析了超長孤島工作面的支承壓力分布特征，得出基本頂巖層內(nèi)工作面超前支承壓力存在2 個峰值區(qū)域；范志忠等[12]、付書俊等[13]研究了深部超長孤島工作面頂板分區(qū)破斷的特征；王慶雄等[14]、宋立兵等[15]對450 m 刀把工作面的礦壓規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)工作面大周期來壓期間工作面傾向壓力分布呈現(xiàn)三峰值W型特征；丁國利等[16]研究了深埋超長綜采工作面礦壓規(guī)律及支架適應(yīng)性，得出超長工作面液壓支架壓力沿工作面傾向呈“馬鞍形”分布特征，工作面壓力在走向上分為“低壓區(qū)、過渡區(qū)、高壓區(qū)”3 個區(qū)域；其他學(xué)者也對超長工作面礦壓和覆巖結(jié)構(gòu)特征等開展了大量研究[17-18]，但對于年產(chǎn)千萬噸、高強(qiáng)度、智能化開采的450 m超長工作面礦壓顯現(xiàn)與覆巖活動規(guī)律還缺乏認(rèn)識。為此，基于礦壓和微震實(shí)時監(jiān)測，對小保當(dāng)二號井132202 超長工作面開采過程中礦壓顯現(xiàn)與覆巖活動規(guī)律開展了研究，以期為我國超長工作面的安全開采和類似工作面的開采設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工作面概況

132202 超長綜采工作面為小保當(dāng)二號井2-2煤13 盤區(qū)第2 個綜采工作面，是首個采用450 m斜長布置的工作面，工作面走向推進(jìn)長度4 002 m，南側(cè)為132201 綜采工作面（長度300 m），北側(cè)為132203 掘進(jìn)工作面（實(shí)體煤）。工作面埋深為324～360 m，開采煤層厚度1.7～3.6 m，平均2.55 m，煤層傾角1°～3°，為近水平煤層。工作面直接頂為厚度4.72 m 的粉砂巖，基本頂為厚度17.82 m的細(xì)粒砂巖。工作面平面布置圖如圖1，工作面頂?shù)装遒x存特征如圖2。

圖1 132202 工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan 132202 working face

圖2 132202 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of 132202 working face

132202 工作面設(shè)計(jì)采高2.55 m，循環(huán)進(jìn)度1 050 mm。工作面液壓支架型號為ZY16000/18/32D 型兩柱掩護(hù)式液壓支架，支架額定工作阻力16 000 kN，支架中心距為2.05 m，支架最大控頂距7.05 m，工作面共布置中部液壓支架210 架，過渡液壓支架6 架，端頭液壓支架8 架。ZY16000/18/32D 中部液壓支架技術(shù)特征見表1。

表1 ZY16000/18/32D 中部液壓支架技術(shù)特征表Table 1 Technical characteristics of ZY16000/18/32D middle hydraulic support

鄰近132201 工作面設(shè)計(jì)采高2.3 m，循環(huán)進(jìn)度800 mm。工作面液壓支架型號為ZY12000/17/32D 型兩柱掩護(hù)式液壓支架，支架額定工作阻力12 000 kN，支架中心距為1.75 m，支架最大控頂距6.18 m，工作面共布置176 臺液壓支架，其中中部液壓支架161 架。ZY12000/17/32D 中部液壓支架技術(shù)特征見表2。

表2 ZY12000/17/32D 中部液壓支架技術(shù)特征表Table 2 Technical characteristics of ZY12000/17/32D middle hydraulic support

2 450 m 超長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 支架阻力沿傾向分布特征

為了分析工作面礦壓顯現(xiàn)與面長的關(guān)系，分別對132201 和132202 工作面礦壓特征進(jìn)行了對比分析。132201 和132202 工作面在正常開采一段時期內(nèi)的支架壓力云圖分別如圖3 和圖4；132201 和132202 工作面在來壓期間的支架末阻力沿傾向分布分別如圖5 和圖6。

圖3 132201 工作面支架壓力云圖（2021-04-01—2021-04-14）Fig.3 Support pressure cloud chart of 132201 working face（2021-04-01—2021-04-14）

圖4 132202 工作面支架壓力云圖（2022-05-18—2022-05-30）Fig.4 Support pressure cloud chart of 132202 working face（2022-05-18—2022-05-30）

圖5 132201 工作面來壓期間支架末阻力沿傾向分布圖（面長300 m）Fig.5 Distribution of support end resistance along the trend during weighting of 132201 working face(face length: 300 m)

圖6 132202 工作面周期來壓期間支架末阻力沿傾向分布圖（面長450 m）Fig.6 Distribution of support end resistance along the trend during weighting of 132202 working face(face length: 450 m)

由圖3 和圖4 對比可知：在300 m 工作面，來壓影響區(qū)域主要為中部的70～240 m；在450 m工作面，工作面中下部的70～210 m 和中上部的340～420 m 來壓最為顯著，而工作面中部的210～340 m 礦壓顯現(xiàn)整體相對較弱；并且由于超長工作面來壓步距短、來壓頻繁且不同區(qū)域來壓不同步的特點(diǎn)，工作面來壓與非來壓的界限更加模糊，工作面始終有一部分區(qū)域處于來壓狀態(tài)。

由圖5 和圖6 可知：300 m 工作面支架末阻力沿傾向方向呈單峰狀分布，支架阻力峰值位于工作面中部，工作面來壓期間支架末阻力平均為10 576 kN；450 m 工作面支架末阻力沿傾向方向呈雙峰狀分布，末阻力峰值分別位于90#支架和150#支架，并且回風(fēng)巷側(cè)受鄰近采空區(qū)采動影響，整體來壓強(qiáng)度高于運(yùn)輸巷側(cè)，工作面來壓期間支架末阻力平均為15 084 kN。考慮兩工作面支架中心距和控頂距不同，450 m 工作面支架實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度相比300 m 工作面平均增大約7%，工作面加長后，工作面整體礦壓顯現(xiàn)增強(qiáng)。

2.2 超長工作面支架增阻特征

在工作面頂板壓力作用下，液壓支架通過升柱形成初撐力后，還將在1 個采煤循環(huán)內(nèi)經(jīng)歷增阻過程，研究支架增阻規(guī)律對于研究支架受力狀態(tài)和支架與圍巖關(guān)系具有重要意義。統(tǒng)計(jì)的132202工作面來壓和非來壓期間支架增阻量和增阻速率見表3。

表3 工作面周期來壓和非來壓期間支架增阻情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of support resistance increase during periodic weighting and non periodic weighting of working face

工作面來壓期間的支架平均增阻量達(dá)到4 420 kN，整個采煤循環(huán)內(nèi)的平均增阻速率分布范圍為8～162.5 kN/min，平均為68 kN/min，最大增阻速率分布范圍為68～1 573 kN/min，平均為354 kN/min；工作面非來壓期間支架平均增阻量為2 314 kN，整個采煤循環(huán)內(nèi)的平均增阻速率分布范圍為0～160 kN/min，平均為47 kN/min，最大增阻速率分布范圍為36～415 kN/min，平均為208 kN/min。通過對比可知，超長工作面來壓期間支架增阻量和增阻速率均顯著增大，礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈。

為研究超長工作面支架增阻規(guī)律，對132202超長工作面液壓支架在正常回采期間200 余個采煤循環(huán)的增阻（ΔF-T）曲線特征進(jìn)行了回歸分析，增阻函數(shù)類型占比如圖7。

圖7 增阻函數(shù)類型占比Fig.7 Proportion of resistance increasing function types

通過回歸分析得出的ΔF-T曲線函數(shù)類型主要有對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、“對數(shù)-指數(shù)”復(fù)合函數(shù)、無增阻常數(shù)等幾種類型，并以“對數(shù)-指數(shù)”復(fù)合函數(shù)為主，該比例達(dá)到51.7%，其次為對數(shù)函數(shù)。支架增阻一般呈現(xiàn)兩段式，在前半段，支架增阻一般較緩和，在后半段，支架增阻較快，甚至為急增阻，但后半段快速增阻的時間一般較短，平均僅為9 min，約占總循環(huán)時間的12.7%。

工作面來壓與非來壓期間增阻函數(shù)類型對比如圖8。

圖8 工作面來壓與非來壓期間增阻函數(shù)類型對比Fig.8 Comparison of resistance increasing function types during periodic weighting and non periodic weighting of working face

來壓期間“對數(shù)-指數(shù)”復(fù)合函數(shù)占比最高，達(dá)68.6%，說明來壓期間支架增阻主要通過兩段式增阻達(dá)到較高的工作阻力；非來壓期間對數(shù)函數(shù)占比最高，達(dá)39.0%，復(fù)合函數(shù)所占比例顯著降低，非來壓期間支架增阻形式以單調(diào)式增阻為主，一般不出現(xiàn)末段快速增阻現(xiàn)象。

“對數(shù)-指數(shù)”復(fù)合函數(shù)增阻形式如圖9。

圖9 “對數(shù)—指數(shù)”復(fù)合函數(shù)增阻曲線Fig.9 Resistance increasing curve of “l(fā)ogarithmicexponential” composite function

液壓支架在經(jīng)過移架、升架形成初撐力以后，先后經(jīng)過初始增阻（Ⅰa）、緩慢增阻（Ⅰb）和循環(huán)末期的快速增阻（Ⅱ）3 個階段。在初始增阻階段，在頂板回轉(zhuǎn)運(yùn)動下，支架工作阻力持續(xù)增大，直至達(dá)到支架與頂板的相對平衡狀態(tài)后，支架增阻速度放緩。需要說明的是，在Ⅰa 和Ⅰb 2 個階段的支架增阻主要受本架控頂區(qū)范圍內(nèi)的頂板回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動影響，而在第Ⅱ階段，受到附近采煤機(jī)割煤擾動以及相鄰支架降架、移架影響，在短時間內(nèi)支架實(shí)際控頂長度和范圍均顯著增加，支架-頂板的動態(tài)平衡狀態(tài)再次打破，支架增阻速度急劇增大，直至本架移架后循環(huán)結(jié)束。在本案例當(dāng)中，支架工作阻力在移架循環(huán)結(jié)束前的5 min 鐘內(nèi)，由12 142 kN 迅速增大至16 394 kN，增阻4 000 kN 以上。超長工作面在工作面長度加長的同時，為提高生產(chǎn)效率，采煤機(jī)割煤循環(huán)進(jìn)尺由0.8 m 增大至1.05 m。在大截深條件下，采煤機(jī)割煤后造成短時間內(nèi)支架控頂距顯著增大，對支架瞬時增阻影響更大。針對支架增阻特征，在頂板穩(wěn)定性較差的情況下，為避免循環(huán)末期發(fā)生頂板快速下沉而引發(fā)垮頂，可適當(dāng)減小采煤機(jī)割煤截深，并采取及時支護(hù)、少降快移、提高支架初撐力等頂板管理措施。

3 450 m 超長工作面覆巖破斷規(guī)律

采用KJ1160 微震監(jiān)測系統(tǒng)對超長工作面覆巖破斷規(guī)律進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測。微震事件平面分布圖如圖10，132202 工作面微震能量區(qū)間分布如圖11。

圖10 微震事件平面分布圖Fig.10 Plane distribution of micro-seismic events

圖11 微震能量區(qū)間分布圖（單位：J）Fig.11 Distribution of micro-seismic energy interval(unit: J)

微震事件主要集中在132202 工作面回風(fēng)巷一側(cè)，表明工作面鄰空側(cè)覆巖活動更為活躍。微震事件能量主要以2 次方小能量事件為主，4 次方以上大能量事件占比僅為0.27%，表明超長工作面開采導(dǎo)致的煤巖體能量釋放較緩和，無強(qiáng)動力災(zāi)害危險。

根據(jù)工作面每日推進(jìn)度及微震事件定位信息，得到的微震事件與工作面位置的平面對應(yīng)關(guān)系如圖12，微震事件與工作面位置關(guān)系的分布情況如圖13，微震事件沿工作面傾向的位置分布如圖14，工作面微震事件沿垂向分布情況如圖15。

圖12 微震事件與工作面位置關(guān)系水平投影圖Fig.12 Horizontal projection of relationship between micro-seismic events and working face position

圖13 微震事件與工作面走向距離頻次分布圖Fig.13 Frequency distribution of distance between micro-seismic events and strike of working face

圖14 微震事件沿工作面傾向分布頻次圖Fig.14 Distribution frequency of micro-seismic events along working face tendency

圖15 工作面微震事件頂板垂向分布情況Fig.15 Vertical distribution of roof in micro-seismic event of working face

在工作面走向方向，微震事件在工作面后方40 m 至前方80 m 最為活躍，在工作面后方40 m以后，采空區(qū)頂板觸矸以后逐漸壓實(shí)，頂板活躍度降低，表明在工作面后方頂板及時垮落性良好，不易形成長距離懸頂，因此，一般不易帶來工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。

由圖14 可知：沿傾向方向，微震事件的分布范圍為-100～600 m 左右（以運(yùn)輸巷為零點(diǎn)），并在回風(fēng)一側(cè)的300～500 m 范圍內(nèi)高度積聚，該比例達(dá)到54.5%。

由圖15 可知：微震事件主要分布在煤層頂板90 m 以下，尤其是在25 m 以下的低位頂板巖層內(nèi)呈現(xiàn)密集分布，該區(qū)間合計(jì)占比73%，表明微震事件的能量來源主要是低位巖層垮斷，上位覆巖彎曲破斷運(yùn)動并未積聚大量能量，因此工作面頂板破斷微震能量整體較弱，據(jù)此判斷對工作面礦壓顯現(xiàn)造成影響的主控巖層位于25 m 以下的低位頂板巖層，對應(yīng)為平均厚度17.82 m 的細(xì)粒砂巖基本頂。

4 結(jié) 論

1）工作面長度由300 m 加長為450 m 后，工作面支架阻力沿傾向分布特征由單峰狀轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰狀分布，工作面平均支護(hù)強(qiáng)度增大約7%，工作面加長后，工作面礦壓顯現(xiàn)整體增強(qiáng)。

2）工作面來壓期間支架增阻量平均為4 420 kN，支架循環(huán)增阻速率平均為68 kN/min，最大增阻速率平均為354 kN/min；非來壓期間的支架增阻量平均為2 314 kN，支架循環(huán)增阻速率平均為47 kN/min，最大增阻速率平均為208 kN/min；工作面來壓期間礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)烈，支架增阻顯著。

3）工作面來壓期間支架增阻類型以“對數(shù)-指數(shù)”復(fù)合函數(shù)型增阻為主，支架增阻分為初始增阻（Ⅰa）、緩慢增阻（Ⅰb）和循環(huán)末期的快速增阻（Ⅱ）3 個階段，其中第Ⅱ階段增阻強(qiáng)烈且持續(xù)時間短（平均9 min）。超長工作面大截深開采是造成循環(huán)末期支架快速增阻的重要原因。

4）工作面微震事件主要以2 次方小能量事件為主，具有能量小、頻次低的特點(diǎn)，微震事件在工作面后方40 m 至前方80 m 最為活躍，在垂直方向微震事件主要分布在煤層頂板90 m 以下，尤其是在25 m 以下頂板密集分布，微震能量來源主要是低位巖層垮斷，對應(yīng)巖層層位為平均厚度17.82 m 的細(xì)粒砂巖基本頂。超長工作面頂板垮落及時，無長距離懸頂現(xiàn)象，不易造成強(qiáng)動載事件。