超长工作面异常矿压显现与瓦斯涌出关系研究

2019-05-28付书俊范志忠张雪峰潘黎明

煤炭工程 2019年5期

付书俊，范志忠，张雪峰，潘黎明，赵杰

(1.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西阳泉 045000；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

超长工作面由于倾斜方向长，覆岩一次垮落高度大、范围广[1]，相关文献对浅埋煤层450m超长综采工作面矿压显现特征进行了分析，认为超长综采工作面存在大小周期来压现象，且大周期来压期间工作面倾向压力分布呈现三峰值W型特征，其机理在于主关键层破断往往导致亚关键层提前破断，进而造成了工作面来压步距和来压强度的大小交替变化[2-4]。对于深部超长工作面，相关文献等对比分析了超长大采高工作面矿压显现特征与常规工作面的差异，认为大采高超长综采工作面超前支承压力影响范围大，顶板最大下沉量随着采深、面长的增大而增大，增大幅度逐渐减小，且随着采高的增大而急剧增大；工作面支承压力峰值随着采深的增大而增大，随采高的增大而减小，峰值位置均向煤壁前方发生迁移[5-7]。对于复杂地质构造条件超长工作面，由于断层、褶曲或无炭柱的隔断，易造成工作面顶板厚度不均、局部缺失或不连续，矿压显现异常[8-12]。本文结合阳泉煤业寺家庄矿15106大采高超长工作面复杂构造条件下开采实践，从煤壁片帮、顶板垮落、瓦斯不均衡涌出等角度对超长工作面异常矿压显现与瓦斯涌出关系进行探讨。

1 工作面概况

寺家庄15106工作面开采15#煤层，煤层厚度3.2～6.4m，平均厚度5.0m，煤层倾角1°～10°，平均倾角4°，埋藏深度约为475m。工作面长度286.2m，两侧均为7m小煤柱，属大采高超长孤岛工作面。采用SL-1000采煤机割煤，配置157架ZY12000-30/68D型两柱掩护支架管理顶板，采用SGZ-1250/2×1200型刮板输送机运煤。

工作面老顶为8.61m厚细粒砂岩，直接顶为2.72m砂质泥岩，直接底为3.13m厚砂质泥岩；工作面绝对瓦斯涌出量为189m3/min，其中邻近层瓦斯涌出量为144m3/min，本煤层瓦斯涌出量为45m3/min，工作面瓦斯随顶板垮落易呈现不均衡涌出现象。15106工作面东高西低，局部地段发育有向斜、背斜构造，工作面回采期间揭露2条背斜、2条向斜、24条断层、5个陷落柱、2条挠曲、1个异常区、4个顶板破碎区域，属于极复杂构造高瓦斯超长工作面，如图1所示。

图1 15106工作面构造位置示意图

2 超长工作面异常矿压显现分析

2.1 工作面初采期间矿压显现特征

寺家庄矿15106工作面为超长孤岛工作面，初采期间矿压显现强烈，沿工作面倾斜方向支架平均压力分布如图2所示，工作面矿压显现呈现典型的 “双峰”分布，无论支架压力还是煤壁片帮漏顶均在工作面中部两个区域比较密集，初步分析认为，在超长工作面条件下，工作面中部老顶并非一次性折断，而是在工作面倾向方向分区域折断，并呈铰接状态。

图2 工作面沿工作面倾斜方向支架平均压力分布图

工作面推进过程中片帮冒顶发生区域及瓦斯非均衡涌出关系如图3所示，其中深色线条为当日发生煤壁片帮的同时伴有瓦斯超限。从图3中可以看出，工作面瓦斯呈现周期性不均衡涌出状态，每次瓦斯超限持续时间2～3d，分析为工作面老顶垮落，覆岩或临近层瓦斯大规模涌出所致。

图3 工作面推进过程中片帮冒顶发生区域

2.2 工作面正常回采期间矿压显现特征

在工作面正常回采过程中，15106孤岛超长工作面来压呈现整体性大周期来压与区域性小周期来压并存特点，从来压强度与范围来看，大周期来压明显区别于小周期来压。初步分析认为，大周期来压是超长工作面上覆上位坚硬厚岩层大范围(基本上是工作面全长区域)周期性破断造成，小周期来压是工作面上覆下位基本顶一定范围(工作面中部区域或者工作面全长区域)周期性破断造成，工作面正常回采期间支架压力分布如图4所示。由图4可以看出，在135m推采长度范围内，工作面经历了2次大范围全长区域的大周期来压。大周期来压步距平均约为40m，工作面约每隔10d产生一次大周期来压，持续时间3～4d，持续长度约为12m。大周期来压时往往矿压显现强烈，安全阀大量开启，支架工作阻力普遍超过10000kN。大周期来压之间可能间隔矿压显现不太强烈的小周期来压，步距在10m左右。

图4 15106工作面支架压力分布云图

工作面在初次见方后，其周期来压特征较初采期间发生较大变化，走向方向上，大、小周期来压并存，大周期来压步距平均约为40m，持续长度范围约为12m，但大周期来压强度较见方前明显减弱，倾向影响区域有所缩窄。工作面存在2个峰值压力区域，其核心区域分别位于工作面中上部40#-100#与工作面下部100#-140#支架区域内，且工作面上部区域周期来压强度与影响范围明显高于下部区域，矿压显现强烈，顶板较破碎，工作面支架顶板破碎区域如图5所示。

图5 15106工作面支架顶板破碎区域分析

3 工作面瓦斯涌出特征分析

3.1 瓦斯涌出不均衡特征分析

寺家庄矿为高瓦斯矿井，为了确保安全生产，矿井对瓦斯监测及预警设置了较低的临界值。15106工作面于2018年4月份开始回采，上隅角瓦斯在4至8月份超出矿井规定临界值时间(Tc)分别为0.835h、5.565h、31.105h、13.104h、2.806h，其中，6月份瓦斯超限最严重。经分析认为，工作面在初采后，于6月份累计推进300m，该尺寸和工作面倾向长度相当，也就是工作面达到了第一次“见方”时，其覆岩垮落范围也同时达到最高值，临近层瓦斯和卸压带瓦斯持续性涌出，造成瓦斯阶段性超限。

3.2 瓦斯超限与顶板垮落关系分析

15106工作面瓦斯超限与周期来压之间关系紧密，基本上每次大周期来压时均伴随有瓦斯超限，且周期来压持续时间与瓦斯超限时间呈现一致性增减关系，如图6所示。瓦斯超限起始于工作面周期来压，其超限严重程度与工作面矿压显现程度呈现一致性关系。当工作面来压结束时，工作面瓦斯超限基本上结束。

图6 15106工作面瓦斯超限与周期来压关系分析

4 产量及主要影响因素分析

寺家庄15106工作面回采期间，日产量最大为12800t，平均日产量为8560t，产量波动较大，工作面产量主要影响因素为瓦斯超限、过陷落柱、工作面设备下滑、过空巷等。15106工作面日产量受影响因素分布曲线如图7所示，从图7中可以看出，超长大采高工作面对地质条件、瓦斯和设备等要求较高，任何一个因素变化均可对大采高工作面的回采造成较大影响。