斷層對(duì)孤島工作面支架工況影響研究

周鵬

（山西河曲晉神能源有限公司，山西 忻州036500）

煤礦頂板一直以來都威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，如何有效的控制頂板、實(shí)施頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)控、杜絕頂板事故，都是煤礦安全生產(chǎn)中的一個(gè)難題，特別是孤島工作面開采，周邊的采空區(qū)對(duì)工作面易形成較大的集中應(yīng)力，嚴(yán)重威脅著孤島工作面的安全開采。

磁窯溝煤礦10203綜采工作面是10-2#煤層最后一個(gè)工作面，屬于孤島工作面開采，10203工作面頂板松軟、構(gòu)造復(fù)雜，回采中采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力集中及過復(fù)合斷層構(gòu)造帶等多重因素影響，工作面頂板管理較大困難，為保證安全回采，必須對(duì)工作面過斷層帶的支架運(yùn)行特征進(jìn)行研究,為工作面支護(hù)提供技術(shù)參考數(shù)據(jù)。

1 工作面概況

斷層，該斷層處頂板破碎嚴(yán)重。以上斷層均處于回采工作面正幫，回采工作受到斷層影響，工作面頂板易冒落、可能會(huì)出現(xiàn)頂板破碎、掉落矸石等情況。

圖1 10203孤島工作面布置示意

磁窯溝煤礦10203孤島工作面沿走向布置，東部為北輔運(yùn)、北回風(fēng)大巷，南部為二盤區(qū)集中膠輔運(yùn)大巷，西部為10202回采工作面（已回采），北部為10305膠輔運(yùn)順槽（已形成）。工作面走向長200 m，傾斜長1 632 m,煤層平均厚度為 4.8 m，傾角 4°50′，工作面標(biāo)高為862 m～909 m，開采深度為201 m。該煤層老頂厚度為5.70 m～7.30 m的粗、中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖；直接頂厚度為0.15 m～4.80 m的泥巖夾煤線、炭質(zhì)泥巖夾煤線，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質(zhì)膠結(jié)，易冒落；直接底厚度為3.00 m～7.50 m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風(fēng)化。

回采區(qū)域內(nèi)回風(fēng)順槽距切眼162 m揭露斷距為1.7 m的正斷層；距切眼186 m揭露斷距為3.5 m的正斷層，該斷層處頂部、幫部破碎嚴(yán)重；膠運(yùn)順槽距切眼9 m揭露斷距為1.5 m的正斷層；切眼距10203回風(fēng)順槽145 m、152 m分別揭露了斷距為0.6 m、1.2 m的正

10203 回采工作面平均煤厚為4.8 m，采用走向長壁式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法。工作面采用全部垮落法管理頂板，選用ZY8000/24/50D型液壓支架支護(hù)頂板，支架額定工作阻力8 000 kN，初撐力6 412 k N，支護(hù)強(qiáng)度0.93 MPa～0.96 MPa；工作面選用MG 650/1620-3.3WD型采煤機(jī)，SGZ1000/1400型刮板輸送機(jī)，采煤機(jī)為雙向割煤，每割一刀煤，支架、運(yùn)輸機(jī)推移一個(gè)步距0.8 m為一循環(huán)，往返一次割兩刀煤，工作面平均采高為4.8 m。

2 工作面礦壓觀測(cè)

為確定10203工作面支架工況，評(píng)價(jià)支架遇復(fù)合斷層構(gòu)造帶的支護(hù)效果、對(duì)頂板的適應(yīng)性以及頂板來壓規(guī)律提供依據(jù)，根據(jù)10203孤島工作面回采情況及回采巷道動(dòng)壓顯現(xiàn)狀況，構(gòu)建以KJ24礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)--“無線礦壓監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)”為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測(cè)平臺(tái)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面支架工況，全面開展回采工作面遇復(fù)合斷層構(gòu)造帶的礦壓觀測(cè)技術(shù)研究。

2.1 觀測(cè)方案

觀測(cè)儀器采用KJ24型礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)綜采工作面支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本次監(jiān)測(cè)主要針對(duì)10203工作面ZY8000/24/50D型液壓支架，每隔5架安裝1臺(tái)礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架立柱工作阻力，工作面內(nèi)共安裝無線數(shù)字壓力計(jì)23臺(tái)。

2.2 工作面支架工作阻力分析

10203 工作面自切眼開始推進(jìn)450 m，揭露復(fù)合斷層構(gòu)造帶，致使各測(cè)站支架的工作阻力隨工作面推采而變化，進(jìn)而對(duì)支架工況進(jìn)行為期3個(gè)月的觀測(cè)分析。

圖2支架工作阻力曲線

由支架工作阻力曲線圖可知，由于10203工作面沿走向揭露復(fù)合斷層構(gòu)造帶，對(duì)工作面礦壓影響顯著。其中10#、20#、30#、50#支架在推采至 50 m左右時(shí)一直處在斷層下盤，推采至100 m～150 m時(shí)處于斷層上盤；10#、20#、30#、50#支架在推采至 200 m～250 m時(shí)處于斷層上盤，隨工作面推采至300 m～450 m時(shí)處于斷層下盤。對(duì)比部分支架處于斷層上、下盤的工作阻力變化可知，部分支架下盤工作阻力大于上盤工作阻力，某些時(shí)刻當(dāng)支架處于斷層面附近時(shí)，其工作阻力處于高應(yīng)力載荷區(qū)，支架受力加大，主要由于斷層下盤還要承受上盤的附加力及采空區(qū)的側(cè)向支撐力，使斷層面附近的下盤支架載荷大于上盤。

2.3 工作面工作阻力頻率分布

液壓支架工作阻力頻率分布特征是評(píng)價(jià)其工作性能和頂板沖擊程度的主要依據(jù)。按每個(gè)區(qū)間寬度為1 150 kN劃分若干個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各液壓支架工作阻力在各區(qū)間段百分比見表1。

表1 10203工作面支架工作阻力頻率統(tǒng)計(jì)（單位：%）

通過分析可知，部分支架工作阻力處于低阻力區(qū)(0 kN～3 450 kN)的比例占56.2%，中阻力區(qū)(3 450～6 900 kN)的比例占41.7%,高阻力區(qū)(6 900 kN～＞8 000 kN)的比例占2.1%,多數(shù)支架工作阻力未超出額定工作阻力，說明支架工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度有富余。其中10#～80#架長期處于復(fù)合斷層構(gòu)造帶影響范圍內(nèi)，其支承載荷較大。

2.4 工作面循環(huán)末阻力及傾向液壓支架壓力分析

表2支架平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)

從液壓支架平均循環(huán)末阻力值表2可以看出，液壓支架循環(huán)末阻力為4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循環(huán)末阻力為4 899.1 kN，是額定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及其利用率適應(yīng)頂板壓力，實(shí)際回采中沒有發(fā)現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，支架工作狀態(tài)良好。

圖3 10203工作面支架傾向壓力分布

從工作面支架傾向壓力分布圖3可以看出，隨工作面揭露復(fù)合斷層構(gòu)造帶位置的不斷移動(dòng)，支架工作阻力變化與斷層走向變化相適應(yīng)，斷層附近載荷大于其它部位的支架載荷，可見復(fù)合構(gòu)造斷層組對(duì)工作面礦壓影響顯著。

3 工作面液壓支架適應(yīng)性驗(yàn)證

綜采工作面液壓支架能否適應(yīng)工作面煤層地質(zhì)條件是綜采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。根據(jù)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架與頂板相互作用關(guān)系，合理的工作阻力應(yīng)取循環(huán)末阻力的平均值加上1倍均方差見表3，即：P=Pt+σ；

表3 10203工作面液壓支架均方差統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)循環(huán)末阻力的統(tǒng)計(jì)，循環(huán)末阻力的平均值為4 954.8 kN，均方差為1 385.7 kN，則合理工作阻力應(yīng)不小于為6 263.4 kN，工作面所選ZY8000/24/50D型液壓支架額定工作阻力為8 000 kN，能夠滿足要求。

4 結(jié)語

1支架下盤工作阻力大于上盤的工作阻力，某些時(shí)刻當(dāng)支架處于斷層面附近時(shí)，其工作阻力處于高應(yīng)力載荷區(qū)，支架受力加大，主要由于斷層下盤還要承受至上盤的附加力及采空區(qū)的側(cè)向支撐力，使斷層面附近的下盤支架載荷大于上盤。

2工作面多數(shù)支架工作阻力未超出額定工作阻力，說明支架工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度有富余。其中10#-80#架長期處于復(fù)合斷層構(gòu)造帶影響范圍內(nèi)，其支承載荷較大。

3液壓支架循環(huán)末阻力為4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循環(huán)末阻力為4 899.1 kN，是額定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及利用率適應(yīng)頂板壓力，實(shí)際回采中未發(fā)現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，支架工作狀態(tài)良好。

4隨工作面揭露復(fù)合斷層構(gòu)造帶位置的不斷移動(dòng)，支架其工作阻力變化與斷層走向變化相適應(yīng)，斷層附近載荷大于其他部位的支架載荷，可見復(fù)合構(gòu)造斷層帶對(duì)工作面礦壓影響顯著。

5工作面所選ZY8000/24/50D型液壓支架支護(hù)參數(shù)合理，對(duì)復(fù)合斷層構(gòu)造帶的特殊頂板有較好的控制效果，對(duì)10203孤島工作面有較好的適用性。