中厚煤层千万吨级超长工作面矿压显现与覆岩活动规律研究

刘前进 ，李安宁 ，薛晨晓 ，张 震

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719000）

煤矿集约化、智能化生产是推动我国煤炭行业高质量发展的重要途径，截至目前，我国已建成千万吨级煤矿52 处，约占全国生产煤矿总产能的1/5，其中，榆林鄂尔多斯地区千万吨矿井数量和规模又占到我国千万吨矿井的1/2 以上。但我国年产千万吨矿井和工作面主要集中在厚及特厚煤层，中厚煤层产能提升还亟待突破。2021 年8 月，陕西小保当矿业有限公司二号井煤矿首个中厚煤层450 m 超长工作面投产，单面年生产能力率先突破了1 000 万t，成为我国工作面长度最长、年生产能力最大的中厚煤层综采工作面。加长工作面长度和采用智能化开采技术是中厚煤层工作面破解产能瓶颈的主要手段[1-3]。但工作面长度的大幅增加和开采强度的提高也造成工作面覆岩活动和矿压显现更加强烈，围岩控制难度增大，掌握超长工作面矿压显现和覆岩活动规律是保障超长工作面安全开采和探索工作面尺度效应的重要基础。缪协兴等[4]研究了超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响；王国法等[5]研究了深井超长工作面支护应力特性，提出将工作面支护应力出现“M”型三峰值作为超长工作面的判据；王家臣等[6-7]研究了深井超长工作面基本顶在空间上的非均匀破断特征和顶板压力的非均匀分布现象；王兆会等[8]研究了超长工作面采动应力旋转特征；宋选民等[9]研究了浅埋煤层大采高工作面长度增加对矿压显现的影响规律；赵雁海等[10]以超长工作面基本顶初次断裂所成铰拱结构为力学模型，在铰接端接触面按照应力指数分布规律，给出了浅埋裂隙梁结构允许埋深公式；刘长友等[11]采用 FLAC3D有限元软件对比分析了超长孤岛工作面的支承压力分布特征，得出基本顶岩层内工作面超前支承压力存在2 个峰值区域；范志忠等[12]、付书俊等[13]研究了深部超长孤岛工作面顶板分区破断的特征；王庆雄等[14]、宋立兵等[15]对450 m 刀把工作面的矿压规律进行了研究，发现工作面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；丁国利等[16]研究了深埋超长综采工作面矿压规律及支架适应性，得出超长工作面液压支架压力沿工作面倾向呈“马鞍形”分布特征，工作面压力在走向上分为“低压区、过渡区、高压区”3 个区域；其他学者也对超长工作面矿压和覆岩结构特征等开展了大量研究[17-18]，但对于年产千万吨、高强度、智能化开采的450 m超长工作面矿压显现与覆岩活动规律还缺乏认识。为此，基于矿压和微震实时监测，对小保当二号井132202 超长工作面开采过程中矿压显现与覆岩活动规律开展了研究，以期为我国超长工作面的安全开采和类似工作面的开采设计提供借鉴。

1 工作面概况

132202 超长综采工作面为小保当二号井2-2煤13 盘区第2 个综采工作面，是首个采用450 m斜长布置的工作面，工作面走向推进长度4 002 m，南侧为132201 综采工作面（长度300 m），北侧为132203 掘进工作面（实体煤）。工作面埋深为324～360 m，开采煤层厚度1.7～3.6 m，平均2.55 m，煤层倾角1°～3°，为近水平煤层。工作面直接顶为厚度4.72 m 的粉砂岩，基本顶为厚度17.82 m的细粒砂岩。工作面平面布置图如图1，工作面顶底板赋存特征如图2。

图1 132202 工作面平面布置图Fig.1 Layout plan 132202 working face

图2 132202 工作面综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of 132202 working face

132202 工作面设计采高2.55 m，循环进度1 050 mm。工作面液压支架型号为ZY16000/18/32D 型两柱掩护式液压支架，支架额定工作阻力16 000 kN，支架中心距为2.05 m，支架最大控顶距7.05 m，工作面共布置中部液压支架210 架，过渡液压支架6 架，端头液压支架8 架。ZY16000/18/32D 中部液压支架技术特征见表1。

表1 ZY16000/18/32D 中部液压支架技术特征表Table 1 Technical characteristics of ZY16000/18/32D middle hydraulic support

邻近132201 工作面设计采高2.3 m，循环进度800 mm。工作面液压支架型号为ZY12000/17/32D 型两柱掩护式液压支架，支架额定工作阻力12 000 kN，支架中心距为1.75 m，支架最大控顶距6.18 m，工作面共布置176 台液压支架，其中中部液压支架161 架。ZY12000/17/32D 中部液压支架技术特征见表2。

表2 ZY12000/17/32D 中部液压支架技术特征表Table 2 Technical characteristics of ZY12000/17/32D middle hydraulic support

2 450 m 超长工作面矿压显现规律

2.1 支架阻力沿倾向分布特征

为了分析工作面矿压显现与面长的关系，分别对132201 和132202 工作面矿压特征进行了对比分析。132201 和132202 工作面在正常开采一段时期内的支架压力云图分别如图3 和图4；132201 和132202 工作面在来压期间的支架末阻力沿倾向分布分别如图5 和图6。

图3 132201 工作面支架压力云图（2021-04-01—2021-04-14）Fig.3 Support pressure cloud chart of 132201 working face（2021-04-01—2021-04-14）

图4 132202 工作面支架压力云图（2022-05-18—2022-05-30）Fig.4 Support pressure cloud chart of 132202 working face（2022-05-18—2022-05-30）

图5 132201 工作面来压期间支架末阻力沿倾向分布图（面长300 m）Fig.5 Distribution of support end resistance along the trend during weighting of 132201 working face(face length: 300 m)

图6 132202 工作面周期来压期间支架末阻力沿倾向分布图（面长450 m）Fig.6 Distribution of support end resistance along the trend during weighting of 132202 working face(face length: 450 m)

由图3 和图4 对比可知：在300 m 工作面，来压影响区域主要为中部的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 来压最为显著，而工作面中部的210～340 m 矿压显现整体相对较弱；并且由于超长工作面来压步距短、来压频繁且不同区域来压不同步的特点，工作面来压与非来压的界限更加模糊，工作面始终有一部分区域处于来压状态。

由图5 和图6 可知：300 m 工作面支架末阻力沿倾向方向呈单峰状分布，支架阻力峰值位于工作面中部，工作面来压期间支架末阻力平均为10 576 kN；450 m 工作面支架末阻力沿倾向方向呈双峰状分布，末阻力峰值分别位于90#支架和150#支架，并且回风巷侧受邻近采空区采动影响，整体来压强度高于运输巷侧，工作面来压期间支架末阻力平均为15 084 kN。考虑两工作面支架中心距和控顶距不同，450 m 工作面支架实际支护强度相比300 m 工作面平均增大约7%，工作面加长后，工作面整体矿压显现增强。

2.2 超长工作面支架增阻特征

在工作面顶板压力作用下，液压支架通过升柱形成初撑力后，还将在1 个采煤循环内经历增阻过程，研究支架增阻规律对于研究支架受力状态和支架与围岩关系具有重要意义。统计的132202工作面来压和非来压期间支架增阻量和增阻速率见表3。

表3 工作面周期来压和非来压期间支架增阻情况统计Table 3 Statistics of support resistance increase during periodic weighting and non periodic weighting of working face

工作面来压期间的支架平均增阻量达到4 420 kN，整个采煤循环内的平均增阻速率分布范围为8～162.5 kN/min，平均为68 kN/min，最大增阻速率分布范围为68～1 573 kN/min，平均为354 kN/min；工作面非来压期间支架平均增阻量为2 314 kN，整个采煤循环内的平均增阻速率分布范围为0～160 kN/min，平均为47 kN/min，最大增阻速率分布范围为36～415 kN/min，平均为208 kN/min。通过对比可知，超长工作面来压期间支架增阻量和增阻速率均显著增大，矿压显现较强烈。

为研究超长工作面支架增阻规律，对132202超长工作面液压支架在正常回采期间200 余个采煤循环的增阻（ΔF-T）曲线特征进行了回归分析，增阻函数类型占比如图7。

图7 增阻函数类型占比Fig.7 Proportion of resistance increasing function types

通过回归分析得出的ΔF-T曲线函数类型主要有对数函数、指数函数、线性函数、“对数-指数”复合函数、无增阻常数等几种类型，并以“对数-指数”复合函数为主，该比例达到51.7%，其次为对数函数。支架增阻一般呈现两段式，在前半段，支架增阻一般较缓和，在后半段，支架增阻较快，甚至为急增阻，但后半段快速增阻的时间一般较短，平均仅为9 min，约占总循环时间的12.7%。

工作面来压与非来压期间增阻函数类型对比如图8。

图8 工作面来压与非来压期间增阻函数类型对比Fig.8 Comparison of resistance increasing function types during periodic weighting and non periodic weighting of working face

来压期间“对数-指数”复合函数占比最高，达68.6%，说明来压期间支架增阻主要通过两段式增阻达到较高的工作阻力；非来压期间对数函数占比最高，达39.0%，复合函数所占比例显著降低，非来压期间支架增阻形式以单调式增阻为主，一般不出现末段快速增阻现象。

“对数-指数”复合函数增阻形式如图9。

图9 “对数—指数”复合函数增阻曲线Fig.9 Resistance increasing curve of “logarithmicexponential” composite function

液压支架在经过移架、升架形成初撑力以后，先后经过初始增阻（Ⅰa）、缓慢增阻（Ⅰb）和循环末期的快速增阻（Ⅱ）3 个阶段。在初始增阻阶段，在顶板回转运动下，支架工作阻力持续增大，直至达到支架与顶板的相对平衡状态后，支架增阻速度放缓。需要说明的是，在Ⅰa 和Ⅰb 2 个阶段的支架增阻主要受本架控顶区范围内的顶板回转下沉运动影响，而在第Ⅱ阶段，受到附近采煤机割煤扰动以及相邻支架降架、移架影响，在短时间内支架实际控顶长度和范围均显著增加，支架-顶板的动态平衡状态再次打破，支架增阻速度急剧增大，直至本架移架后循环结束。在本案例当中，支架工作阻力在移架循环结束前的5 min 钟内，由12 142 kN 迅速增大至16 394 kN，增阻4 000 kN 以上。超长工作面在工作面长度加长的同时，为提高生产效率，采煤机割煤循环进尺由0.8 m 增大至1.05 m。在大截深条件下，采煤机割煤后造成短时间内支架控顶距显著增大，对支架瞬时增阻影响更大。针对支架增阻特征，在顶板稳定性较差的情况下，为避免循环末期发生顶板快速下沉而引发垮顶，可适当减小采煤机割煤截深，并采取及时支护、少降快移、提高支架初撑力等顶板管理措施。

3 450 m 超长工作面覆岩破断规律

采用KJ1160 微震监测系统对超长工作面覆岩破断规律进行了实时监测。微震事件平面分布图如图10，132202 工作面微震能量区间分布如图11。

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

图11 微震能量区间分布图（单位：J）Fig.11 Distribution of micro-seismic energy interval(unit: J)

微震事件主要集中在132202 工作面回风巷一侧，表明工作面邻空侧覆岩活动更为活跃。微震事件能量主要以2 次方小能量事件为主，4 次方以上大能量事件占比仅为0.27%，表明超长工作面开采导致的煤岩体能量释放较缓和，无强动力灾害危险。

根据工作面每日推进度及微震事件定位信息，得到的微震事件与工作面位置的平面对应关系如图12，微震事件与工作面位置关系的分布情况如图13，微震事件沿工作面倾向的位置分布如图14，工作面微震事件沿垂向分布情况如图15。

图12 微震事件与工作面位置关系水平投影图Fig.12 Horizontal projection of relationship between micro-seismic events and working face position

图13 微震事件与工作面走向距离频次分布图Fig.13 Frequency distribution of distance between micro-seismic events and strike of working face

图14 微震事件沿工作面倾向分布频次图Fig.14 Distribution frequency of micro-seismic events along working face tendency

图15 工作面微震事件顶板垂向分布情况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 最为活跃，在工作面后方40 m以后，采空区顶板触矸以后逐渐压实，顶板活跃度降低，表明在工作面后方顶板及时垮落性良好，不易形成长距离悬顶，因此，一般不易带来工作面强矿压显现。

由图14 可知：沿倾向方向，微震事件的分布范围为-100～600 m 左右（以运输巷为零点），并在回风一侧的300～500 m 范围内高度积聚，该比例达到54.5%。

由图15 可知：微震事件主要分布在煤层顶板90 m 以下，尤其是在25 m 以下的低位顶板岩层内呈现密集分布，该区间合计占比73%，表明微震事件的能量来源主要是低位岩层垮断，上位覆岩弯曲破断运动并未积聚大量能量，因此工作面顶板破断微震能量整体较弱，据此判断对工作面矿压显现造成影响的主控岩层位于25 m 以下的低位顶板岩层，对应为平均厚度17.82 m 的细粒砂岩基本顶。

4 结 论

1）工作面长度由300 m 加长为450 m 后，工作面支架阻力沿倾向分布特征由单峰状转变为双峰状分布，工作面平均支护强度增大约7%，工作面加长后，工作面矿压显现整体增强。

2）工作面来压期间支架增阻量平均为4 420 kN，支架循环增阻速率平均为68 kN/min，最大增阻速率平均为354 kN/min；非来压期间的支架增阻量平均为2 314 kN，支架循环增阻速率平均为47 kN/min，最大增阻速率平均为208 kN/min；工作面来压期间矿压显现较强烈，支架增阻显著。

3）工作面来压期间支架增阻类型以“对数-指数”复合函数型增阻为主，支架增阻分为初始增阻（Ⅰa）、缓慢增阻（Ⅰb）和循环末期的快速增阻（Ⅱ）3 个阶段，其中第Ⅱ阶段增阻强烈且持续时间短（平均9 min）。超长工作面大截深开采是造成循环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 次方小能量事件为主，具有能量小、频次低的特点，微震事件在工作面后方40 m 至前方80 m 最为活跃，在垂直方向微震事件主要分布在煤层顶板90 m 以下，尤其是在25 m 以下顶板密集分布，微震能量来源主要是低位岩层垮断，对应岩层层位为平均厚度17.82 m 的细粒砂岩基本顶。超长工作面顶板垮落及时，无长距离悬顶现象，不易造成强动载事件。