厚煤層工作面過(guò)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(tuán)有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)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(yán)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(fù)雜的工作面斷層對(duì)工作面的影響更為突出。斷層附近的應(yīng)力分布有很大的不同，開(kāi)挖的擾動(dòng)會(huì)引起斷層周邊的位移場(chǎng)、塑性區(qū)及應(yīng)力場(chǎng)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(fù)雜，采用理論分析和工程現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的方法，分析綜放工作面斷層破碎帶應(yīng)力分布規(guī)律特征，以及對(duì)受斷層破碎帶影響工作面液壓支架發(fā)生歪斜問(wèn)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(yùn)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(jì)）。322 工作面所采煤層為山西組3 層煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(fù)雜，共發(fā)育6 條斷層，均為正斷層。其中322 運(yùn)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(duì)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(duì)工作面影響

2.1 斷層的產(chǎn)狀與力學(xué)性質(zhì)分析[3]

由于地質(zhì)構(gòu)造作用，打破了原巖應(yīng)力平衡，斷裂帶中應(yīng)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(duì)于應(yīng)力的估算可以借助于流變巖體力學(xué)體系，如圖2所示：

式中：F 為垂直應(yīng)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(yīng)力。然而在工程實(shí)踐中，由于斷層破碎帶傾角大小的不一樣，其分布應(yīng)力的狀況差異性很大。當(dāng)然，對(duì)斷層應(yīng)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(yīng)力

斷層破碎面的平行應(yīng)力：

式中：α 為斷層破碎帶傾角。

智能抄表技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一線城市，能夠大大提高抄表、核算、收費(fèi)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(fù)擔(dān)的同時(shí)，還可以提升抄核收的整個(gè)水平。在進(jìn)行抄核收工作過(guò)程中，工作人員要切實(shí)依據(jù)不同客戶的需求采取不同的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)的支撐下，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，采用合理適合的管理模式來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。

通過(guò)上述定性分析可以知道以下情況：

1）較小范圍的影響上盤(pán)巖層。

2）大范圍的顯著影響下盤(pán)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(pán)保持完整，應(yīng)力大于破碎帶區(qū)域的應(yīng)力，F(xiàn)1作用在破碎帶，F(xiàn)2作用在斷層面下盤(pán)，因此沿破碎帶傾斜方向的F1對(duì)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(fù)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(guò)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(chǎng)斷層情況和支架受力歪斜情況，結(jié)合上節(jié)對(duì)斷層破碎帶受力分析結(jié)果，對(duì)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(dǎo)致支架歪斜；

3）破碎帶區(qū)域支架受力為F 破=rHsinθ，方向沿?cái)鄬用嫦蛳隆 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(guò)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(fù)雜，且受斷層影響，兩斷層構(gòu)造帶間煤層變薄。

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

3） 機(jī)尾處揭露，321F1 斷層揭露至84# 架附近，此時(shí)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(guò)斷層期間根據(jù)兩斷層情況綜合考慮。隨工作面推進(jìn)，斷層向機(jī)頭方向移動(dòng)，每割一刀，斷層向機(jī)頭方向移動(dòng)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(jìn)，根據(jù)斷層揭露情況，逐漸增加飄刀起點(diǎn)據(jù)斷層的距離，以12°進(jìn)行飄刀。

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

6）割煤時(shí)，根據(jù)工作面揭露的實(shí)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(jī)尾向機(jī)頭方向逐步揭露斷層的方法通過(guò)斷層。

7）過(guò)斷層期間，割煤時(shí)，加強(qiáng)過(guò)渡區(qū)域飄剎刀控制，順平刮板輸送機(jī)。

8）過(guò)斷層期間，若斷層構(gòu)造異常區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則隨工作面推進(jìn)，采用煤電鉆對(duì)工作面頂?shù)装迩闆r進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)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(guò)- 12°。

9）受斷層變化影響，當(dāng)個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)底鼓，割矸石厚度小于0.7m 時(shí)，以順平輸送機(jī)為前提，控制飄剎刀角度。支架垂直頂?shù)装?，歪斜角度控制在?°以內(nèi)。

10）每班測(cè)量刮板輸送機(jī)上竄下滑情況，當(dāng)工作面連續(xù)上竄（下滑）或上竄量（下滑量）超過(guò)300mm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)面，控制上竄下滑趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)斷層的產(chǎn)狀與力學(xué)性質(zhì)分析，得出，斷層面傾角越大，破碎帶應(yīng)力作用，并且斷層破碎帶沿破碎帶傾斜方向的力對(duì)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(dǎo)致支架歪斜。

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