付書俊，范志忠，張雪峰，潘黎明，趙 杰

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000；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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

超長工作面由于傾斜方向長，覆巖一次垮落高度大、范圍廣[1]，相關(guān)文獻(xiàn)對淺埋煤層450m超長綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為超長綜采工作面存在大小周期來壓現(xiàn)象，且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，其機(jī)理在于主關(guān)鍵層破斷往往導(dǎo)致亞關(guān)鍵層提前破斷，進(jìn)而造成了工作面來壓步距和來壓強(qiáng)度的大小交替變化[2-4]。對于深部超長工作面，相關(guān)文獻(xiàn)等對比分析了超長大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征與常規(guī)工作面的差異，認(rèn)為大采高超長綜采工作面超前支承壓力影響范圍大，頂板最大下沉量隨著采深、面長的增大而增大，增大幅度逐漸減小，且隨著采高的增大而急劇增大；工作面支承壓力峰值隨著采深的增大而增大，隨采高的增大而減小，峰值位置均向煤壁前方發(fā)生遷移[5-7]。對于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件超長工作面，由于斷層、褶曲或無炭柱的隔斷，易造成工作面頂板厚度不均、局部缺失或不連續(xù)，礦壓顯現(xiàn)異常[8-12]。本文結(jié)合陽泉煤業(yè)寺家莊礦15106大采高超長工作面復(fù)雜構(gòu)造條件下開采實(shí)踐，從煤壁片幫、頂板垮落、瓦斯不均衡涌出等角度對超長工作面異常礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系進(jìn)行探討。

1 工作面概況

寺家莊15106工作面開采15#煤層，煤層厚度3.2～6.4m，平均厚度5.0m，煤層傾角1°～10°，平均傾角4°，埋藏深度約為475m。工作面長度286.2m，兩側(cè)均為7m小煤柱，屬大采高超長孤島工作面。采用SL-1000采煤機(jī)割煤，配置157架ZY12000-30/68D型兩柱掩護(hù)支架管理頂板，采用SGZ-1250/2×1200型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤。

工作面老頂為8.61m厚細(xì)粒砂巖，直接頂為2.72m砂質(zhì)泥巖，直接底為3.13m厚砂質(zhì)泥巖；工作面絕對瓦斯涌出量為189m3/min，其中鄰近層瓦斯涌出量為144m3/min，本煤層瓦斯涌出量為45m3/min，工作面瓦斯隨頂板垮落易呈現(xiàn)不均衡涌出現(xiàn)象。15106工作面東高西低，局部地段發(fā)育有向斜、背斜構(gòu)造，工作面回采期間揭露2條背斜、2條向斜、24條斷層、5個陷落柱、2條撓曲、1個異常區(qū)、4個頂板破碎區(qū)域，屬于極復(fù)雜構(gòu)造高瓦斯超長工作面，如圖1所示。

圖1 15106工作面構(gòu)造位置示意圖

2 超長工作面異常礦壓顯現(xiàn)分析

2.1 工作面初采期間礦壓顯現(xiàn)特征

寺家莊礦15106工作面為超長孤島工作面，初采期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，沿工作面傾斜方向支架平均壓力分布如圖2所示，工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)典型的 “雙峰”分布，無論支架壓力還是煤壁片幫漏頂均在工作面中部兩個區(qū)域比較密集，初步分析認(rèn)為，在超長工作面條件下，工作面中部老頂并非一次性折斷，而是在工作面傾向方向分區(qū)域折斷，并呈鉸接狀態(tài)。

圖2 工作面沿工作面傾斜方向支架平均壓力分布圖

工作面推進(jìn)過程中片幫冒頂發(fā)生區(qū)域及瓦斯非均衡涌出關(guān)系如圖3所示，其中深色線條為當(dāng)日發(fā)生煤壁片幫的同時伴有瓦斯超限。從圖3中可以看出，工作面瓦斯呈現(xiàn)周期性不均衡涌出狀態(tài)，每次瓦斯超限持續(xù)時間2～3d，分析為工作面老頂垮落，覆巖或臨近層瓦斯大規(guī)模涌出所致。

圖3 工作面推進(jìn)過程中片幫冒頂發(fā)生區(qū)域

2.2 工作面正?；夭善陂g礦壓顯現(xiàn)特征

在工作面正常回采過程中，15106孤島超長工作面來壓呈現(xiàn)整體性大周期來壓與區(qū)域性小周期來壓并存特點(diǎn)，從來壓強(qiáng)度與范圍來看，大周期來壓明顯區(qū)別于小周期來壓。初步分析認(rèn)為，大周期來壓是超長工作面上覆上位堅(jiān)硬厚巖層大范圍(基本上是工作面全長區(qū)域)周期性破斷造成，小周期來壓是工作面上覆下位基本頂一定范圍(工作面中部區(qū)域或者工作面全長區(qū)域)周期性破斷造成，工作面正常回采期間支架壓力分布如圖4所示。由圖4可以看出，在135m推采長度范圍內(nèi)，工作面經(jīng)歷了2次大范圍全長區(qū)域的大周期來壓。大周期來壓步距平均約為40m，工作面約每隔10d產(chǎn)生一次大周期來壓，持續(xù)時間3～4d，持續(xù)長度約為12m。大周期來壓時往往礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，安全閥大量開啟，支架工作阻力普遍超過10000kN。大周期來壓之間可能間隔礦壓顯現(xiàn)不太強(qiáng)烈的小周期來壓，步距在10m左右。

圖4 15106工作面支架壓力分布云圖

工作面在初次見方后，其周期來壓特征較初采期間發(fā)生較大變化，走向方向上，大、小周期來壓并存，大周期來壓步距平均約為40m，持續(xù)長度范圍約為12m，但大周期來壓強(qiáng)度較見方前明顯減弱，傾向影響區(qū)域有所縮窄。工作面存在2個峰值壓力區(qū)域，其核心區(qū)域分別位于工作面中上部40#-100#與工作面下部100#-140#支架區(qū)域內(nèi)，且工作面上部區(qū)域周期來壓強(qiáng)度與影響范圍明顯高于下部區(qū)域，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板較破碎，工作面支架頂板破碎區(qū)域如圖5所示。

圖5 15106工作面支架頂板破碎區(qū)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

寺家莊礦為高瓦斯礦井，為了確保安全生產(chǎn)，礦井對瓦斯監(jiān)測及預(yù)警設(shè)置了較低的臨界值。15106工作面于2018年4月份開始回采，上隅角瓦斯在4至8月份超出礦井規(guī)定臨界值時間(Tc)分別為0.835h、5.565h、31.105h、13.104h、2.806h，其中，6月份瓦斯超限最嚴(yán)重。經(jīng)分析認(rèn)為，工作面在初采后，于6月份累計(jì)推進(jìn)300m，該尺寸和工作面傾向長度相當(dāng)，也就是工作面達(dá)到了第一次“見方”時，其覆巖垮落范圍也同時達(dá)到最高值，臨近層瓦斯和卸壓帶瓦斯持續(xù)性涌出，造成瓦斯階段性超限。

3.2 瓦斯超限與頂板垮落關(guān)系分析

15106工作面瓦斯超限與周期來壓之間關(guān)系緊密，基本上每次大周期來壓時均伴隨有瓦斯超限，且周期來壓持續(xù)時間與瓦斯超限時間呈現(xiàn)一致性增減關(guān)系，如圖6所示。瓦斯超限起始于工作面周期來壓，其超限嚴(yán)重程度與工作面礦壓顯現(xiàn)程度呈現(xiàn)一致性關(guān)系。當(dāng)工作面來壓結(jié)束時，工作面瓦斯超限基本上結(jié)束。

圖6 15106工作面瓦斯超限與周期來壓關(guān)系分析

4 產(chǎn)量及主要影響因素分析

寺家莊15106工作面回采期間，日產(chǎn)量最大為12800t，平均日產(chǎn)量為8560t，產(chǎn)量波動較大，工作面產(chǎn)量主要影響因素為瓦斯超限、過陷落柱、工作面設(shè)備下滑、過空巷等。15106工作面日產(chǎn)量受影響因素分布曲線如圖7所示，從圖7中可以看出，超長大采高工作面對地質(zhì)條件、瓦斯和設(shè)備等要求較高，任何一個因素變化均可對大采高工作面的回采造成較大影響。

圖7 15106工作面日產(chǎn)量受影響因素分布曲線

5 結(jié) 論

1)深井超長孤島工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)典型的 “雙峰”分布，工作面中部老頂并非一次性折斷，而是在工作面傾向方向分區(qū)域折斷，并呈鉸接狀態(tài)。

2)工作面來壓呈現(xiàn)整體性大周期來壓與區(qū)域性小周期來壓并存特點(diǎn)，從來壓強(qiáng)度與范圍來看，大周期來壓是超長工作面上覆上位堅(jiān)硬厚巖層大范圍周期性失穩(wěn)所致，小周期來壓是工作面上覆下位基本頂周期性破斷造成。

3)工作面推進(jìn)過程中瓦斯不均衡涌出呈現(xiàn)周期性狀態(tài)，分析原因?yàn)槔享斒Х€(wěn)臨近層瓦斯大規(guī)模涌出所致，每次大周期來壓時均伴隨有瓦斯超限，且周期來壓持續(xù)時間與瓦斯超限時間呈現(xiàn)一致性增減關(guān)系。

4)構(gòu)建了工作面回采工藝與煤壁片幫、瓦斯不均衡涌出、頂板大面積失穩(wěn)之間的聯(lián)動關(guān)系，對現(xiàn)場安全回采具有指導(dǎo)意義。