450m超長工作面礦壓顯現(xiàn)與地表移動變形規(guī)律研究

楊 征，李明忠，劉前進，李安寧，薛晨曉

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

中厚煤層因其煤層厚度適中、便于頂板管理、開采工藝相對簡單，特別適宜采用綜合機械化開采，我國自動化綜采和智能化綜采最早均在中厚煤層實現(xiàn)，并率先取得技術(shù)突破[1-3]。但同樣受煤層厚度、開采環(huán)節(jié)以及設(shè)備可靠性等因素的制約，中厚煤層工作面產(chǎn)能和生產(chǎn)效率提升存在較大瓶頸，長期以來我國單面年產(chǎn)能力在千萬噸以上的工作面均為厚及特厚煤層工作面。近年來隨著我國煤礦裝備制造能力和可靠性水平的提升，尤其是智能化開采技術(shù)的逐漸成熟，采用超長工作面和智能化開采成為中厚煤層實現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要途徑[4，5]。2021年8月，陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司二號井煤礦132202工作面投產(chǎn)，成為國內(nèi)首個采用450m正規(guī)工作面布置的超長工作面，并配套先進的智能化開采系統(tǒng)，2022年6月，工作面回采結(jié)束，單面年生產(chǎn)能力突破1000萬t，成為國內(nèi)年生產(chǎn)能力率先突破千萬噸的中厚煤層工作面。伴隨工作面跨度的大幅增加以及開采強度的顯著提高，超長工作面的覆巖活動和礦壓顯現(xiàn)更加趨于強烈，并呈現(xiàn)新的規(guī)律，同樣，頂板管理和圍巖控制對工作面生產(chǎn)的影響也更為凸顯。作為國內(nèi)首個大規(guī)模高強度開采的450m超長工作面，研究其礦壓和巖移規(guī)律，對于總結(jié)450m超長工作面開采經(jīng)驗，保障工作面安全高效、智能化開采，都有重要意義。繆協(xié)興、錢鳴高等[6]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，發(fā)現(xiàn)隨著綜放工作面長度的增加，采場覆巖關(guān)鍵層的破裂塊度相應(yīng)減小；王家臣等[7]研究得出了深井超長工作面基本頂分區(qū)破斷的特征和呈現(xiàn)中間小、兩端大的支架工作阻力分布特征；范志忠等[8，9]研究了深部超長孤島工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)特征，并對超長工作面異常礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系進行了研究探討；王慶雄等[10，11]對450m刀把工作面的礦壓規(guī)律進行了研究，分析了工作面大小周期來壓現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)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；其他學者也對超長工作面礦壓規(guī)律與特征開展了大量研究[12-16]，但對于年產(chǎn)千萬噸、高強度、智能化開采的450m超長工作面礦壓顯現(xiàn)與巖移規(guī)律還缺乏認識。基于此，筆者通過對小保當二號井132202工作面開采過程中礦壓規(guī)律與地表巖移規(guī)律進行實測，分析得出了年產(chǎn)千萬噸450m超長工作面礦壓顯現(xiàn)與地表運移規(guī)律，以期為我國超長工作面的頂板管理和類似工作面的開采設(shè)計提供借鑒。

1 工作面概況

132202超長綜采工作面為小保當二號井2-2煤13盤區(qū)第二個綜采工作面，位于132201綜采工作面(長度300m)以北，132203掘進工作面以南。工作面地面標高+1266～+1317m，工作面底板標高+942～+957m，埋深320～360m，地表第四系松散層厚度約30m。工作面走向推進長度4002m，傾向?qū)?50.5m。工作面開采煤層厚度1.7～3.6m，平均2.55m，主要含1層夾矸，多以泥巖為主，夾矸平均厚度0.25m；煤層傾角1°～3°，為近水平煤層。工作面頂?shù)装遒x存特征見表1。

表1 132202工作面頂?shù)装遒x存特征

工作面采用綜合機械化采煤工藝，設(shè)計采高2.55m，循環(huán)進度1050mm。工作面設(shè)備配套見表2。工作面液壓支架型號為ZY16000/18/32D型兩柱掩護式液壓支架，支架額定工作阻力16000kN，支架中心距為2.05m，最大控頂距達7.05m，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。

表2 132202超長工作面設(shè)備配套

2 450m超長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 工作面初次來壓規(guī)律

132202工作面初次來壓期間支架壓力如圖1所示。2021年9月3日零點班3：00左右，工作面機頭推進至79.6m，機尾推進至74.7m時，工作面機尾側(cè)155#—185#支架以及205#支架開始出現(xiàn)明顯的壓力升高，表明工作面機尾側(cè)率先發(fā)生初次來壓。15：00左右，整工作面開始全面來壓，來壓范圍為35#—208#支架，來壓持續(xù)至中班22：00左右。統(tǒng)計工作面機頭側(cè)初次來壓步距約為79.6m，工作面中部初次來壓步距分布在75.6～82.6m，平均為78m，機尾側(cè)初次來壓步距約為74.7m，整工作面初次來壓步距平均為77.1m；初次來壓總持續(xù)時間約為29h；影響刀數(shù)為2～5刀煤，平均為3.2刀煤。工作面初次來壓期間支架最大壓力平均為42.9MPa，動載系數(shù)平均為1.34，工作面支架安全閥開啟比例為16.7%，來壓較顯著。超長工作面初次來壓沿傾向方向呈現(xiàn)不同步現(xiàn)象，表現(xiàn)為從機尾至機頭次第來壓。

132202工作面初次來壓期間各支架平均及最大工作阻力沿傾向分布特征如圖2所示。不同于一般長度工作面在工作面偏中部出現(xiàn)工作阻力峰值的單峰狀阻力分布，450m超長工作面支架工作阻力在傾向方向形成“雙峰”狀分布特征，呈“馬鞍形”形態(tài)，支架工作阻力峰值位于100#和150#支架左右，而工作面中部的110#—140#支架工作阻力低于兩側(cè)支架。

圖2 132202工作面初次來壓期間支架平均及最大工作阻力分布

2.2 工作面周期來壓規(guī)律

通過工作面不同區(qū)域支架循環(huán)阻力分布曲線對工作面周期來壓規(guī)律進行了分析。綜采工作面周期來壓分析時以支架的平均循環(huán)末阻力與其1倍均方差之和作為判斷工作面來壓的主要指標，并采用支架加權(quán)工作阻力進行頂板來壓的輔助判斷。數(shù)據(jù)計算的公式為：

頂板來壓依據(jù)：

通過工作面整個回采周期的周期來壓持續(xù)分析，得出132202工作面周期來壓步距主要分布在4～40m范圍內(nèi)，平均為11.4m，如圖3所示，并主要分布在20m以下，其中5～15m步距占比達到75.9%。超長工作面來壓步距短，來壓頻繁。周期來壓期間，各支架最大末阻力分布在12500～16500kN，平均約為15000kN，如圖4所示，其主要分布在14000～16000kN范圍內(nèi)，該比例達到89.3%。工作面周期來壓動載系數(shù)分布在1.1～1.47范圍內(nèi)，平均為1.33，如圖5所示，來壓強度一般為弱～中等，強烈來壓現(xiàn)象較少。

圖3 工作面周期來壓步距分布

圖4 工作面周期來壓期間支架末阻力分布

圖5 工作面周期來壓期間動載系數(shù)分布

周期來壓期間，支架末阻力沿工作面傾向分布特征如圖6所示，同樣呈“馬鞍”形雙峰值分布，末阻力峰值分別位于90#支架和150#支架，并且機尾側(cè)受鄰近采空區(qū)采動影響，整體來壓強度高于機頭側(cè)。

圖6 超長工作面周期來壓期間支架末阻力沿傾向分布

450m超長工作面由于沿傾向方向采場空間跨度大，頂板沿傾向方向破斷成為多個塊體結(jié)構(gòu)，工作面不同區(qū)域來壓往往呈現(xiàn)不同步現(xiàn)象，如圖7所示，整工作面來壓規(guī)律性變差，表現(xiàn)為不同區(qū)域來壓步距、來壓強度和來壓持續(xù)時間均有較大差異性，并且由于煤層上方?jīng)]有厚硬巖層賦存，頂板整體破斷塊度小，頂板垮落性好，一般不易形成大的懸頂結(jié)構(gòu)，因此，工作面周期來壓步距普遍較小，且周期來壓持續(xù)長度短，一般工作面推過1～3刀后，工作面壓力再次恢復正常水平。相比一般長度工作面，450m超長工作面來壓強度并沒有顯著增高，一般不易形成強烈來壓。

圖7 132202超長工作面支架壓力

綜上，450m超長工作面來壓特征為：來壓步距小，來壓持續(xù)距離短，工作面不同步來壓，沿工作面傾向方向，工作阻力峰值呈現(xiàn)“馬鞍形”形的雙峰狀分布特征。

2.3 超長工作面支架適應(yīng)性分析

132202工作面正?；夭善陂g，統(tǒng)計了不同區(qū)域(工作面下部：30#—50#架，工作面中下部：60#—110#架，工作面中上部：120#—170#架，工作面上部：180#—200#架)支架工作阻力頻率分布特征見表3。由表3可以看出，超長工作面支架工作阻力主要分布在8000～14000kN區(qū)間范圍內(nèi)，所占百分比平均達到93.27%；工作阻力頻率分布峰值位于10000～12000kN區(qū)間，所占百分比平均為53.73%；支架工作阻力在14000～16000kN高工作阻力區(qū)間的比例平均僅為4.55%，表明現(xiàn)有支架額定工作阻力滿足超長工作面頂板支護需要。不同區(qū)域而言，超長工作面機尾一側(cè)支架在高阻力區(qū)間的分布比例高于機頭一側(cè)，礦壓顯現(xiàn)相對強烈；整體而言，工作面支架工作阻力頻率分布呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，頻率分布合理，現(xiàn)有支架在450m超長工作面適應(yīng)性良好，支架選型合理。

表3 超長工作面支架工作阻力頻率分布 %

3 超長工作面地表沉降規(guī)律

3.1 觀測方案

為觀測450m超長工作面地表下沉規(guī)律，在132202工作面中部沿走向方向布置一條走向觀測線，如圖8所示，編號分別為Z01～Z37，各測點平均距離為25m，監(jiān)測范圍為切眼后方260m和切眼前方550m范圍，其中，Z15點位于切眼正上方。在工作面前方491m處布置一條傾向觀測線，編號分別為Q1～Q72，各測點平均距離為20m，觀測線總長度為1440m。兩條測線在Z35和Q6測點交匯。

圖8 地表巖移測點布置

3.2 觀測結(jié)果分析

132202工作面地表沿走向下沉曲線如圖9所示，沿傾向下沉曲線如圖10所示。

圖9 132202工作面沿走向地表沉降曲線

圖10 132202工作面沿傾向地表沉降曲線

由圖9可以看出，9月6日，工作面推進約100m時，地表最大沉降量超過10mm，最大沉降點Z19位于切眼前方91m，標志著地表移動變形已經(jīng)開始；9月13日，工作面推進175m時，地表最大沉降量達到188mm，最大沉降速度30mm/d，標志著工作面地表移動變形進入活躍階段；12月2日，工作面推進1135m，推過最后一個走向測點Z37測點595m后，最大沉降量降至3mm/d以下，標志著地表移動變形進入衰退期，地表沉降的活躍期僅為80d左右，地表在開采結(jié)束的短時間內(nèi)重新恢復穩(wěn)定。

根據(jù)地表位移觀測結(jié)果，132202工作面地表超前始動點(位移量超過10mm)位于工作面前方約100m，求得超前影響距平均為100m，平均超前影響角ω=73°。10月14日工作面平均推進570m，在一次見方之后，地表下沉活躍度達到最高，最大下沉速度為140mm/d，位于切眼前方416m，滯后當前工作面位置154m，計算最大下沉速度滯后角為64°。在地表移動變形逐漸趨于穩(wěn)定后，沿走向地表最大沉降量為1841mm，發(fā)生在切眼前方250m，下沉系數(shù)為0.72，走向邊界角為48°(由于本區(qū)沒有松散層移動角資料，故所求的邊界角均為不考慮松散層情況的綜合邊界角，下同)。

由圖10可以看出，12月2日，工作面推過傾向測線644m后，傾向測線基本進入穩(wěn)沉階段，工作面沿傾向方向最大沉降量為1729mm，位于132202工作面中部位置；沿傾向方向地表下沉范圍為132202工作面運輸巷以外310m至132201工作面回風巷以外20m，總跨度約1080m，地表移動范圍是132202工作面寬度的2.4倍，涵蓋132202和132201兩個工作面?？梢?，鄰近132201工作面在結(jié)束回采1a以后，受132202超長工作面二次采動影響，再次引起采空區(qū)高位頂板的活化運動，并重新引發(fā)地表沉降運動。求得132202工作面下山邊界角為48°，上山邊界角為42°。在一側(cè)均為實體煤的條件下，走向邊界角與下山邊界角大小基本相同，而上山邊界角明顯小于下山邊界角。同時，132202工作面運輸巷位置對應(yīng)的地表最大沉降量為227mm，而回風巷位置的地表最大沉降量為910mm，是前者的4.0倍；超長工作面在一側(cè)采空條件下，臨空側(cè)地表移動范圍和沉降幅度均顯著增大，地表呈現(xiàn)顯著的不對稱沉降現(xiàn)象，并且在超長工作面強采動影響下，地表沉降具有影響范圍大、下沉速度快的特點。

4 結(jié) 論

1)450m超長工作面初次來壓步距平均為77.1m，動載系數(shù)為1.34，超長工作面初次來壓由機尾至機頭順序來壓，沿傾向方向呈現(xiàn)不同步來壓現(xiàn)象。

2)450m超長工作面周期來壓步距主要分布在5～15m，平均為11.4m，動載系數(shù)分布在1.1～1.47，平均為1.33；工作面周期來壓總體特征為：來壓步距小，來壓持續(xù)距離短，工作面不同步來壓，來壓強度弱～中等；來壓期間，支架工作阻力沿傾向方向呈現(xiàn)“馬鞍形”的雙峰狀分布特征。

3)450m超長工作面支架工作阻力主要分布在8000～14000kN中等阻力區(qū)間，支架工作阻力頻率分布整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，支架額定工作阻力具有一定富裕系數(shù)，支架具有較好的適應(yīng)性，支架選型合理。

4)450m超長工作面地表移動超前距平均為100m，超前影響角ω=73°，最大沉降量1841mm，下沉系數(shù)0.72，走向邊界角為49°，下山邊界角為48°，上山邊界角為42°，沿傾向方向地表移動范圍達1080m；在超長工作面強采動影響下，地表沉降具有影響范圍大、下沉速度快的特點，并且工作面臨空側(cè)地表移動范圍和沉降幅度均顯著大于實體煤側(cè)，地表呈現(xiàn)不對稱沉降現(xiàn)象。