超長工作面異常礦壓顯現與瓦斯涌出關系研究

付書俊，范志忠，張雪峰，潘黎明，趙 杰

(1.陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；3.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，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]，相關文獻對淺埋煤層450m超長綜采工作面礦壓顯現特征進行了分析，認為超長綜采工作面存在大小周期來壓現象，且大周期來壓期間工作面傾向壓力分布呈現三峰值W型特征，其機理在于主關鍵層破斷往往導致亞關鍵層提前破斷，進而造成了工作面來壓步距和來壓強度的大小交替變化[2-4]。對于深部超長工作面，相關文獻等對比分析了超長大采高工作面礦壓顯現特征與常規工作面的差異，認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生遷移[5-7]。對于復雜地質構造條件超長工作面，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，礦壓顯現異常[8-12]。本文結合陽泉煤業寺家莊礦15106大采高超長工作面復雜構造條件下開采實踐，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與瓦斯涌出關系進行探討。

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，兩側均為7m小煤柱，屬大采高超長孤島工作面。采用SL-1000采煤機割煤，配置157架ZY12000-30/68D型兩柱掩護支架管理頂板，采用SGZ-1250/2×1200型刮板輸送機運煤。

工作面老頂為8.61m厚細粒砂巖，直接頂為2.72m砂質泥巖，直接底為3.13m厚砂質泥巖；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不均衡涌出現象。15106工作面東高西低，局部地段發育有向斜、背斜構造，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、4個頂板破碎區域，屬于極復雜構造高瓦斯超長工作面，如圖1所示。

圖1 15106工作面構造位置示意圖

2 超長工作面異常礦壓顯現分析

2.1 工作面初采期間礦壓顯現特征

寺家莊礦15106工作面為超長孤島工作面，初采期間礦壓顯現強烈，沿工作面傾斜方向支架平均壓力分布如圖2所示，工作面礦壓顯現呈現典型的 “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域比較密集，初步分析認為，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域折斷，并呈鉸接狀態。

圖2 工作面沿工作面傾斜方向支架平均壓力分布圖

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

圖3 工作面推進過程中片幫冒頂發生區域

2.2 工作面正?；夭善陂g礦壓顯現特征

在工作面正?；夭蛇^程中，15106孤島超長工作面來壓呈現整體性大周期來壓與區域性小周期來壓并存特點，從來壓強度與范圍來看，大周期來壓明顯區別于小周期來壓。初步分析認為，大周期來壓是超長工作面上覆上位堅硬厚巖層大范圍(基本上是工作面全長區域)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(工作面中部區域或者工作面全長區域)周期性破斷造成，工作面正?；夭善陂g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，工作面經歷了2次大范圍全長區域的大周期來壓。大周期來壓步距平均約為40m，工作面約每隔10d產生一次大周期來壓，持續時間3～4d，持續長度約為12m。大周期來壓時往往礦壓顯現強烈，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不太強烈的小周期來壓，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，持續長度范圍約為12m，但大周期來壓強度較見方前明顯減弱，傾向影響區域有所縮窄。工作面存在2個峰值壓力區域，其核心區域分別位于工作面中上部40#-100#與工作面下部100#-140#支架區域內，且工作面上部區域周期來壓強度與影響范圍明顯高于下部區域，礦壓顯現強烈，頂板較破碎，工作面支架頂板破碎區域如圖5所示。

圖5 15106工作面支架頂板破碎區域分析

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，礦井對瓦斯監測及預警設置了較低的臨界值。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月份瓦斯超限最嚴重。經分析認為，工作面在初采后，于6月份累計推進300m，該尺寸和工作面傾向長度相當，也就是工作面達到了第一次“見方”時，其覆巖垮落范圍也同時達到最高值，臨近層瓦斯和卸壓帶瓦斯持續性涌出，造成瓦斯階段性超限。

3.2 瓦斯超限與頂板垮落關系分析

15106工作面瓦斯超限與周期來壓之間關系緊密，基本上每次大周期來壓時均伴隨有瓦斯超限，且周期來壓持續時間與瓦斯超限時間呈現一致性增減關系，如圖6所示。瓦斯超限起始于工作面周期來壓，其超限嚴重程度與工作面礦壓顯現程度呈現一致性關系。當工作面來壓結束時，工作面瓦斯超限基本上結束。

圖6 15106工作面瓦斯超限與周期來壓關系分析

4 產量及主要影響因素分析

寺家莊15106工作面回采期間，日產量最大為12800t，平均日產量為8560t，產量波動較大，工作面產量主要影響因素為瓦斯超限、過陷落柱、工作面設備下滑、過空巷等。15106工作面日產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條件、瓦斯和設備等要求較高，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工作面日產量受影響因素分布曲線

5 結 論

1)深井超長孤島工作面礦壓顯現強烈，工作面礦壓顯現呈現典型的 “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域折斷，并呈鉸接狀態。

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

3)工作面推進過程中瓦斯不均衡涌出呈現周期性狀態，分析原因為老頂失穩臨近層瓦斯大規模涌出所致，每次大周期來壓時均伴隨有瓦斯超限，且周期來壓持續時間與瓦斯超限時間呈現一致性增減關系。

4)構建了工作面回采工藝與煤壁片幫、瓦斯不均衡涌出、頂板大面積失穩之間的聯動關系，對現場安全回采具有指導意義。