厚煤層工作面過斷層支架受力分析及控制技術(shù)研究

樊衛(wèi)閣，張建鵬，高 波

（兗礦集團有限公司楊村煤礦，山東 濟寧 272118）

關(guān)鍵字：斷層；破碎帶；工作面；支架

0 前 言

斷裂構(gòu)造嚴重制約著井下工作面的安全生產(chǎn)，尤其在煤層厚度大地質(zhì)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(qū)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(fā)生歪斜。本文鑒于楊村煤礦322 綜放工作面地質(zhì)條件復雜，采用理論分析和工程現(xiàn)場相結(jié)合的方法，分析綜放工作面斷層破碎帶應力分布規(guī)律特征，以及對受斷層破碎帶影響工作面液壓支架發(fā)生歪斜問題[2]，提出合理的控制技術(shù)。

1 工作面概況

322 工作面（如圖1 所示）東臨306 工作面采空區(qū)，西至三煤運輸集中巷、軌道集中巷，北臨321 工作面采空區(qū)，南臨323 工作面（設(shè)計）。322 工作面所采煤層為山西組3 層煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可采，煤層厚度變化為5.80～9.10m，平均8.32m，煤層普氏系數(shù)(f)一般在1.91 左右，為軟～中等硬度煤層。煤層可采性指數(shù)為1.0，變異系數(shù)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(zhì)條件較復雜，共發(fā)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(nèi)經(jīng)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(chǎn)狀與力學性質(zhì)分析[3]

由于地質(zhì)構(gòu)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(chǎn)狀有非常大的關(guān)聯(lián)。斷層破碎帶周邊，主要是由松散、破碎的巖塊構(gòu)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(zhì)。如圖可知，F(xiàn) 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。

智能抄表技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛應用在經(jīng)濟發(fā)達的一線城市，能夠大大提高抄表、核算、收費等環(huán)節(jié)的工作效率和工作質(zhì)量，并且減少了投資金額。使用智能抄表系統(tǒng)在減少作業(yè)人員負擔的同時，還可以提升抄核收的整個水平。在進行抄核收工作過程中，工作人員要切實依據(jù)不同客戶的需求采取不同的收費標準，在網(wǎng)絡自動化技術(shù)的支撐下，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，采用合理適合的管理模式來實現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標。

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，F(xiàn)2作用越小。

4）斷層上下盤保持完整，應力大于破碎帶區(qū)域的應力，F(xiàn)1作用在破碎帶，F(xiàn)2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(zhì)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(xiàn)支架歪斜現(xiàn)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(jù)322 工作面現(xiàn)場斷層情況和支架受力歪斜情況，結(jié)合上節(jié)對斷層破碎帶受力分析結(jié)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(qū)域；

2）破碎帶區(qū)域頂?shù)装遢^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(qū)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(chǎn)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(shù)措施

1）321F1 斷層和3F7- 2 斷層形成的斷層構(gòu)造帶與SF4 斷層和3F7- 1 斷層形成的斷層構(gòu)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(qū)域構(gòu)造復雜，且受斷層影響，兩斷層構(gòu)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(jù)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(jù)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(jù)斷層揭露情況，逐漸增加飄刀起點據(jù)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(jù)工作面揭露的實際斷層參數(shù)（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(diào)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(qū)域飄剎刀控制，順平刮板輸送機。

8）過斷層期間，若斷層構(gòu)造異常區(qū)域結(jié)構(gòu)復雜，則隨工作面推進，采用煤電鉆對工作面頂?shù)装迩闆r進行探測，根據(jù)探測情況調(diào)整工作面斷層區(qū)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(qū)域出現(xiàn)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?shù)装澹嵝苯嵌瓤刂圃凇?°以內(nèi)。

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

4 結(jié) 論

1）通過對斷層的產(chǎn)狀與力學性質(zhì)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(qū)域支架水平分力，架產(chǎn)生向右作用力，導致支架歪斜。

3）根分析結(jié)論，制定了322 工作面過組合斷層技術(shù)措施。