厚煤層工作面過斷層支架受力分析及控制技術研究

樊衛閣，張建鵬，高 波

（兗礦集團有限公司楊村煤礦，山東 濟寧 272118）

關鍵字：斷層；破碎帶；工作面；支架

0 前 言

斷裂構造嚴重制約著井下工作面的安全生產，尤其在煤層厚度大地質條件復雜的工作面斷層對工作面的影響更為突出。斷層附近的應力分布有很大的不同，開挖的擾動會引起斷層周邊的位移場、塑性區及應力場重新分布[1]。布置在工作面的液壓支架受斷層破碎帶影響，發生歪斜。本文鑒于楊村煤礦322 綜放工作面地質條件復雜，采用理論分析和工程現場相結合的方法，分析綜放工作面斷層破碎帶應力分布規律特征，以及對受斷層破碎帶影響工作面液壓支架發生歪斜問題[2]，提出合理的控制技術。

1 工作面概況

322 工作面（如圖1 所示）東臨306 工作面采空區，西至三煤運輸集中巷、軌道集中巷，北臨321 工作面采空區，南臨323 工作面（設計）。322 工作面所采煤層為山西組3 層煤，煤層結構簡單，穩定可采，煤層厚度變化為5.80～9.10m，平均8.32m，煤層普氏系數(f)一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。煤層可采性指數為1.0，變異系數5.09%。煤層起伏變化不大，煤層傾角1～7°，平均4°。

圖1 322 工作面平面布置圖

322 工作面地質條件較復雜，共發育6 條斷層，均為正斷層。其中322 運輸順槽揭露3 條，分別為3F7- 1 正斷層（120°∠70°H＝2.0m）、3F7- 2 正斷層（140° ∠70° H ＝3.50m）、V- F8 正 斷 層（265°∠71°H＝5.50m）；322 軌道順槽揭露3 條，分別為SF4 正斷層（132°∠26～40°H＝7.50m）、321F1 正斷層 （154°∠45～57°H＝5.40m）、V- F8 正斷層（265°∠46°H＝1.10m）；其中 SF4 斷層和 321F1 斷層，以及3F7- 1 斷層和3F7- 2 斷層距離較近，附近煤層松軟破碎，對回采將造成較大影響；工作面內經三

維地震勘探存在一條隱伏斷層SF5 正斷層（150°∠80°H＝0～6.0m）。

2 斷層對工作面影響

2.1 斷層的產狀與力學性質分析[3]

由于地質構造作用，打破了原巖應力平衡，斷裂帶中應力的重新分布與自身的產狀有非常大的關聯。斷層破碎帶周邊，主要是由松散、破碎的巖塊構成，對于應力的估算可以借助于流變巖體力學體系，如圖2所示：

式中：F 為垂直應力，k N/m2；r 為破碎帶巖石碎塊的容重，kg/m3; H 為深度，m。

F 是斷層破碎帶中衍生的垂直應力。然而在工程實踐中，由于斷層破碎帶傾角大小的不一樣，其分布應力的狀況差異性很大。當然，對斷層應力分布影響的還有其他因素，比如斷層的性質。如圖可知，F 可分解為：

斷層破碎面的垂直應力

斷層破碎面的平行應力：

式中：α 為斷層破碎帶傾角。

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通過上述定性分析可以知道以下情況：

1）較小范圍的影響上盤巖層。

2）大范圍的顯著影響下盤巖層，且斷層破碎帶傾向小作用范圍廣。

3） 斷層面傾角 α 越大 F1作用越大，F2作用越小。

4）斷層上下盤保持完整，應力大于破碎帶區域的應力，F1作用在破碎帶，F2作用在斷層面下盤，因此沿破碎帶傾斜方向的F1對破碎帶的影響更大。

圖2 破碎帶受力分析

2.2 322 工作面斷層影響與支架歪斜受力分析。

322 工作面所在煤層埋深約280m，地質條件較復雜，工作面揭露組合斷層3F7- 1 正斷層（120°∠70°H＝2.0m）、3F7- 2 正斷層（140°∠70°H＝3.50m），受斷層組影響，如圖3 所示。工作面回采過程中，出現支架歪斜現象，如圖4 所示。

圖3 工作面斷層揭露示意圖

圖4 工作面支架歪斜示意圖

根據322 工作面現場斷層情況和支架受力歪斜情況，結合上節對斷層破碎帶受力分析結果，對支架受力分析可知，如圖5 所示。

1） 工作面受斷層組合影響，形成破碎帶影響區域；

2）破碎帶區域頂底板較軟，使支架在水平方向受力不平衡，導致支架歪斜；

3）破碎帶區域支架受力為F 破=rHsinθ，方向沿斷層面向下。F 水平分力使得支架產生向右作用力。

圖5 支架受力分析

3 工作面過斷層方案和技術措施

1）321F1 斷層和3F7- 2 斷層形成的斷層構造帶與SF4 斷層和3F7- 1 斷層形成的斷層構造帶距離較近（平均間距約為4.2m），且基本平行，與工作面夾角約為43°。受斷層影響，斷層附近區域構造復雜，且受斷層影響，兩斷層構造帶間煤層變薄。

2）機尾處揭露321F1斷層（垂直落差為5.4m）時，機尾處沿軌順巷道底板推進，端頭10 組支架在減少割矸石厚度的同時，與巷道底板平緩過渡，隨工作面推進，根據斷層揭露情況，以12°進行飄刀。

3） 機尾處揭露，321F1 斷層揭露至84# 架附近，此時斷層揭露范圍最大，約為13.3m。

4）由于3F7- 2 斷層與3F7- 1 斷層距離較近且基本平行，過斷層期間根據兩斷層情況綜合考慮。隨工作面推進，斷層向機頭方向移動，每割一刀，斷層向機頭方向移動約0.6m，斷層最大揭露范圍約為7.0m，最大割矸量約為2.0m。隨工作面推進，根據斷層揭露情況，逐漸增加飄刀起點據斷層的距離，以12°進行飄刀。

5）工作面機頭處始終沿運順巷道底板推進，端頭10 組支架在減少割矸石厚度的同時，與巷道底板平緩過渡。至機頭臨近3F7- 2 斷層時（距3F7- 2 斷層約34m），自機頭向機尾方向逐漸剎刀，與工作面刮板輸送機順平，最大剎刀角度不得超過12°。

6）割煤時，根據工作面揭露的實際斷層參數（底煤、底矸厚度及范圍）以及斷層與工作面的夾角變化情況，調整飄剎刀范圍，從機尾向機頭方向逐步揭露斷層的方法通過斷層。

7）過斷層期間，割煤時，加強過渡區域飄剎刀控制，順平刮板輸送機。

8）過斷層期間，若斷層構造異常區域結構復雜，則隨工作面推進，采用煤電鉆對工作面頂底板情況進行探測，根據探測情況調整工作面斷層區段飄剎刀角度情況，但最大飄剎刀角度不能超過- 12°。

9）受斷層變化影響，當個別區域出現底鼓，割矸石厚度小于0.7m 時，以順平輸送機為前提，控制飄剎刀角度。支架垂直頂底板，歪斜角度控制在±4°以內。

10）每班測量刮板輸送機上竄下滑情況，當工作面連續上竄（下滑）或上竄量（下滑量）超過300mm時，及時進行調面，控制上竄下滑趨勢。

4 結 論

1）通過對斷層的產狀與力學性質分析，得出，斷層面傾角越大，破碎帶應力作用，并且斷層破碎帶沿破碎帶傾斜方向的力對破碎帶的影響最大。

2）322 工作面受斷層組合影響，破碎帶區域支架水平分力，架產生向右作用力，導致支架歪斜。

3）根分析結論，制定了322 工作面過組合斷層技術措施。