450m超长工作面矿压显现与地表移动变形规律研究

杨 征，李明忠，刘前进，李安宁，薛晨晓

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

中厚煤层因其煤层厚度适中、便于顶板管理、开采工艺相对简单，特别适宜采用综合机械化开采，我国自动化综采和智能化综采最早均在中厚煤层实现，并率先取得技术突破[1-3]。但同样受煤层厚度、开采环节以及设备可靠性等因素的制约，中厚煤层工作面产能和生产效率提升存在较大瓶颈，长期以来我国单面年产能力在千万吨以上的工作面均为厚及特厚煤层工作面。近年来随着我国煤矿装备制造能力和可靠性水平的提升，尤其是智能化开采技术的逐渐成熟，采用超长工作面和智能化开采成为中厚煤层实现高产高效的重要途径[4，5]。2021年8月，陕西小保当矿业有限公司二号井煤矿132202工作面投产，成为国内首个采用450m正规工作面布置的超长工作面，并配套先进的智能化开采系统，2022年6月，工作面回采结束，单面年生产能力突破1000万t，成为国内年生产能力率先突破千万吨的中厚煤层工作面。伴随工作面跨度的大幅增加以及开采强度的显著提高，超长工作面的覆岩活动和矿压显现更加趋于强烈，并呈现新的规律，同样，顶板管理和围岩控制对工作面生产的影响也更为凸显。作为国内首个大规模高强度开采的450m超长工作面，研究其矿压和岩移规律，对于总结450m超长工作面开采经验，保障工作面安全高效、智能化开采，都有重要意义。缪协兴、钱鸣高等[6]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，发现随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度相应减小；
王家臣等[7]研究得出了深井超长工作面基本顶分区破断的特征和呈现中间小、两端大的支架工作阻力分布特征；
范志忠等[8，9]研究了深部超长孤岛工作面覆岩垮落结构特征，并对超长工作面异常矿压显现与瓦斯涌出关系进行了研究探讨；
王庆雄等[10，11]对450m刀把工作面的矿压规律进行了研究，分析了工作面大小周期来压现象，发现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；
其他学者也对超长工作面矿压规律与特征开展了大量研究[12-16]，但对于年产千万吨、高强度、智能化开采的450m超长工作面矿压显现与岩移规律还缺乏认识。基于此，笔者通过对小保当二号井132202工作面开采过程中矿压规律与地表岩移规律进行实测，分析得出了年产千万吨450m超长工作面矿压显现与地表运移规律，以期为我国超长工作面的顶板管理和类似工作面的开采设计提供借鉴。

132202超长综采工作面为小保当二号井2-2煤13盘区第二个综采工作面，位于132201综采工作面(长度300m)以北，132203掘进工作面以南。工作面地面标高+1266～+1317m，工作面底板标高+942～+957m，埋深320～360m，地表第四系松散层厚度约30m。工作面走向推进长度4002m，倾向宽450.5m。工作面开采煤层厚度1.7～3.6m，平均2.55m，主要含1层夹矸，多以泥岩为主，夹矸平均厚度0.25m；
煤层倾角1°～3°，为近水平煤层。工作面顶底板赋存特征见表1。

表1 132202工作面顶底板赋存特征

工作面采用综合机械化采煤工艺，设计采高2.55m，循环进度1050mm。工作面设备配套见表2。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16000kN，支架中心距为2.05m，最大控顶距达7.05m，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。

表2 132202超长工作面设备配套

2.1 工作面初次来压规律

132202工作面初次来压期间支架压力如图1所示。2021年9月3日零点班3：00左右，工作面机头推进至79.6m，机尾推进至74.7m时，工作面机尾侧155#—185#支架以及205#支架开始出现明显的压力升高，表明工作面机尾侧率先发生初次来压。15：00左右，整工作面开始全面来压，来压范围为35#—208#支架，来压持续至中班22：00左右。统计工作面机头侧初次来压步距约为79.6m，工作面中部初次来压步距分布在75.6～82.6m，平均为78m，机尾侧初次来压步距约为74.7m，整工作面初次来压步距平均为77.1m；
初次来压总持续时间约为29h；
影响刀数为2～5刀煤，平均为3.2刀煤。工作面初次来压期间支架最大压力平均为42.9MPa，动载系数平均为1.34，工作面支架安全阀开启比例为16.7%，来压较显著。超长工作面初次来压沿倾向方向呈现不同步现象，表现为从机尾至机头次第来压。

132202工作面初次来压期间各支架平均及最大工作阻力沿倾向分布特征如图2所示。不同于一般长度工作面在工作面偏中部出现工作阻力峰值的单峰状阻力分布，450m超长工作面支架工作阻力在倾向方向形成“双峰”状分布特征，呈“马鞍形”形态，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#支架工作阻力低于两侧支架。

图2 132202工作面初次来压期间支架平均及最大工作阻力分布

2.2 工作面周期来压规律

通过工作面不同区域支架循环阻力分布曲线对工作面周期来压规律进行了分析。综采工作面周期来压分析时以支架的平均循环末阻力与其1倍均方差之和作为判断工作面来压的主要指标，并采用支架加权工作阻力进行顶板来压的辅助判断。数据计算的公式为：

顶板来压依据：

通过工作面整个回采周期的周期来压持续分析，得出132202工作面周期来压步距主要分布在4～40m范围内，平均为11.4m，如图3所示，并主要分布在20m以下，其中5～15m步距占比达到75.9%。超长工作面来压步距短，来压频繁。周期来压期间，各支架最大末阻力分布在12500～16500kN，平均约为15000kN，如图4所示，其主要分布在14000～16000kN范围内，该比例达到89.3%。工作面周期来压动载系数分布在1.1～1.47范围内，平均为1.33，如图5所示，来压强度一般为弱～中等，强烈来压现象较少。

图3 工作面周期来压步距分布

图4 工作面周期来压期间支架末阻力分布

图5 工作面周期来压期间动载系数分布

周期来压期间，支架末阻力沿工作面倾向分布特征如图6所示，同样呈“马鞍”形双峰值分布，末阻力峰值分别位于90#支架和150#支架，并且机尾侧受邻近采空区采动影响，整体来压强度高于机头侧。

图6 超长工作面周期来压期间支架末阻力沿倾向分布

450m超长工作面由于沿倾向方向采场空间跨度大，顶板沿倾向方向破断成为多个块体结构，工作面不同区域来压往往呈现不同步现象，如图7所示，整工作面来压规律性变差，表现为不同区域来压步距、来压强度和来压持续时间均有较大差异性，并且由于煤层上方没有厚硬岩层赋存，顶板整体破断块度小，顶板垮落性好，一般不易形成大的悬顶结构，因此，工作面周期来压步距普遍较小，且周期来压持续长度短，一般工作面推过1～3刀后，工作面压力再次恢复正常水平。相比一般长度工作面，450m超长工作面来压强度并没有显著增高，一般不易形成强烈来压。

图7 132202超长工作面支架压力

综上，450m超长工作面来压特征为：来压步距小，来压持续距离短，工作面不同步来压，沿工作面倾向方向，工作阻力峰值呈现“马鞍形”形的双峰状分布特征。

2.3 超长工作面支架适应性分析

132202工作面正常回采期间，统计了不同区域(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)支架工作阻力频率分布特征见表3。由表3可以看出，超长工作面支架工作阻力主要分布在8000～14000kN区间范围内，所占百分比平均达到93.27%；
工作阻力频率分布峰值位于10000～12000kN区间，所占百分比平均为53.73%；
支架工作阻力在14000～16000kN高工作阻力区间的比例平均仅为4.55%，表明现有支架额定工作阻力满足超长工作面顶板支护需要。不同区域而言，超长工作面机尾一侧支架在高阻力区间的分布比例高于机头一侧，矿压显现相对强烈；
整体而言，工作面支架工作阻力频率分布呈现正态分布特征，频率分布合理，现有支架在450m超长工作面适应性良好，支架选型合理。

表3 超长工作面支架工作阻力频率分布 %

3.1 观测方案

为观测450m超长工作面地表下沉规律，在132202工作面中部沿走向方向布置一条走向观测线，如图8所示，编号分别为Z01～Z37，各测点平均距离为25m，监测范围为切眼后方260m和切眼前方550m范围，其中，Z15点位于切眼正上方。在工作面前方491m处布置一条倾向观测线，编号分别为Q1～Q72，各测点平均距离为20m，观测线总长度为1440m。两条测线在Z35和Q6测点交汇。

图8 地表岩移测点布置

3.2 观测结果分析

132202工作面地表沿走向下沉曲线如图9所示，沿倾向下沉曲线如图10所示。

图9 132202工作面沿走向地表沉降曲线

图10 132202工作面沿倾向地表沉降曲线

由图9可以看出，9月6日，工作面推进约100m时，地表最大沉降量超过10mm，最大沉降点Z19位于切眼前方91m，标志着地表移动变形已经开始；
9月13日，工作面推进175m时，地表最大沉降量达到188mm，最大沉降速度30mm/d，标志着工作面地表移动变形进入活跃阶段；
12月2日，工作面推进1135m，推过最后一个走向测点Z37测点595m后，最大沉降量降至3mm/d以下，标志着地表移动变形进入衰退期，地表沉降的活跃期仅为80d左右，地表在开采结束的短时间内重新恢复稳定。

根据地表位移观测结果，132202工作面地表超前始动点(位移量超过10mm)位于工作面前方约100m，求得超前影响距平均为100m，平均超前影响角ω=73°。10月14日工作面平均推进570m，在一次见方之后，地表下沉活跃度达到最高，最大下沉速度为140mm/d，位于切眼前方416m，滞后当前工作面位置154m，计算最大下沉速度滞后角为64°。在地表移动变形逐渐趋于稳定后，沿走向地表最大沉降量为1841mm，发生在切眼前方250m，下沉系数为0.72，走向边界角为48°(由于本区没有松散层移动角资料，故所求的边界角均为不考虑松散层情况的综合边界角，下同)。

由图10可以看出，12月2日，工作面推过倾向测线644m后，倾向测线基本进入稳沉阶段，工作面沿倾向方向最大沉降量为1729mm，位于132202工作面中部位置；
沿倾向方向地表下沉范围为132202工作面运输巷以外310m至132201工作面回风巷以外20m，总跨度约1080m，地表移动范围是132202工作面宽度的2.4倍，涵盖132202和132201两个工作面。可见，邻近132201工作面在结束回采1a以后，受132202超长工作面二次采动影响，再次引起采空区高位顶板的活化运动，并重新引发地表沉降运动。求得132202工作面下山边界角为48°，上山边界角为42°。在一侧均为实体煤的条件下，走向边界角与下山边界角大小基本相同，而上山边界角明显小于下山边界角。同时，132202工作面运输巷位置对应的地表最大沉降量为227mm，而回风巷位置的地表最大沉降量为910mm，是前者的4.0倍；
超长工作面在一侧采空条件下，临空侧地表移动范围和沉降幅度均显著增大，地表呈现显著的不对称沉降现象，并且在超长工作面强采动影响下，地表沉降具有影响范围大、下沉速度快的特点。

1)450m超长工作面初次来压步距平均为77.1m，动载系数为1.34，超长工作面初次来压由机尾至机头顺序来压，沿倾向方向呈现不同步来压现象。

2)450m超长工作面周期来压步距主要分布在5～15m，平均为11.4m，动载系数分布在1.1～1.47，平均为1.33；
工作面周期来压总体特征为：来压步距小，来压持续距离短，工作面不同步来压，来压强度弱～中等；
来压期间，支架工作阻力沿倾向方向呈现“马鞍形”的双峰状分布特征。

3)450m超长工作面支架工作阻力主要分布在8000～14000kN中等阻力区间，支架工作阻力频率分布整体呈现正态分布，支架额定工作阻力具有一定富裕系数，支架具有较好的适应性，支架选型合理。

4)450m超长工作面地表移动超前距平均为100m，超前影响角ω=73°，最大沉降量1841mm，下沉系数0.72，走向边界角为49°，下山边界角为48°，上山边界角为42°，沿倾向方向地表移动范围达1080m；
在超长工作面强采动影响下，地表沉降具有影响范围大、下沉速度快的特点，并且工作面临空侧地表移动范围和沉降幅度均显著大于实体煤侧，地表呈现不对称沉降现象。

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