厚煤层工作面过断层支架受力分析及控制技术研究_樊卫阁.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0前言 断裂构造严重制约着井下工作面的安全生产， 尤 其在煤层厚度大地质条件复杂的工作面断层对工作 面的影响更为突出。 断层附近的应力分布有很大的不 同， 开挖的扰动会引起断层周边的位移场、 塑性区及 应力场重新分布[1]。布置在工作面的液压支架受断层 破碎带影响， 发生歪斜。本文鉴于杨村煤矿 322 综放 工作面地质条件复杂， 采用理论分析和工程现场相结 合的方法， 分析综放工作面断层破碎带应力分布规律 特征， 以及对受断层破碎带影响工作面液压支架发生 歪斜问题[2]， 提出合理的控制技术。 1工作面概况 322 工作面 （如图 1 所示） 东临 306 工作面采空 区， 西至三煤运输集中巷、 轨道集中巷， 北临 321 工作 面采空区， 南临 323 工作面 （设计 ） 。322 工作面所采 煤层为山西组 3 层煤， 煤层结构简单， 稳定可采， 煤层 厚度变化为 5.80～9.10m， 平均 8.32m， 煤层普氏系数 f一般在 1.91 左右， 为软～中等硬度煤层。煤层可采 性指数为 1.0， 变异系数 5.09。煤层起伏变化不大， 煤层倾角 1～7， 平均 4。 图 1322 工作面平面布置图 322 工作面地质条件较复杂，共发育 6 条断层， 均为正断层。其中 322 运输顺槽揭露 3 条，分别为 3F7- 1 正断层 （120∠70H＝2.0m ） 、 3F7- 2 正断层 （140 ∠70 H ＝3.50m ） 、 V- F8 正 断 层（265 ∠71H＝5.50m ） ； 322 轨道顺槽揭露 3 条，分别为 SF4 正断层（132∠26～40H＝7.50m ） 、 321F1 正 断层 （154∠45～57H＝5.40m ） 、 V- F8 正断层 （265∠46H＝1.10m ） ； 其中 SF4 断层和 321F1 断 层， 以及 3F7- 1 断层和 3F7- 2 断层距离较近， 附近煤 层松软破碎， 对回采将造成较大影响； 工作面内经三 厚煤层工作面过断层支架受力分析及控制技术研究 樊卫阁 ， 张建鹏 ， 高 波 （兖矿集团有限公司杨村煤矿 ， 山东 济宁 272118 ） 摘要 厚煤层工作面在过组合大断层时， 工作面回采困难， 支架发生歪斜。 文章根据杨村煤矿 322 工 作面现场实际情况， 采用力学分析方法对断层破碎带和支架歪斜受力情况进行研究。 通过力学分析可 知， 断层破碎带产生沿断层面向下的力， 作用在支架上， 水平分力使得支架产生歪斜。根据分析结果， 制定工作面回采时， 采煤机飘刹刀角度， 减少支架歪斜角度， 确保支架良好支护状。 关键字 断层 ； 破碎带 ； 工作面 ； 支架 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0114- 03 Research on Stress Analysis and Control Technology of Supports Passing Faults in Thick Coal Seam FAN Weige , ZHANG Jianpeng , GAO Bo （Yangcun Coal Mine Group Co., Ltd. , Jining 272118 , China ） Abstract When workingfaces ofthick coal seams pass through combined large faults, the mining face is difficult to extract and the support is skewed. Based on the actual situation ofthe 322 workingface in Yangcun Coal Mine, the article uses mechanical analysis s tostudythe forces on the fault fracture zone and the support skew. It can be known from the mechanical analysis that the fault breaking zone generates a downward force along the fault plane and acts on the support. The horizontal component force causes the support to skew. According to the analysis results, when the workingface is mined, the angle ofthe drifting cutter ofthe shearer is reduced to reduce the angle ofthe skewofthe support and ensure the good support ofthe support. Keywords fault ; fracture zone ; workingface ; support 114 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 维地震勘探存在一条隐伏断层 SF5 正断层 （150 ∠80H＝0～6.0m ） 。 2断层对工作面影响 2.1断层的产状与力学性质分析[3] 由于地质构造作用， 打破了原岩应力平衡， 断裂 带中应力的重新分布与自身的产状有非常大的关联。 断层破碎带周边， 主要是由松散、 破碎的岩块构成， 对 于应力的估算可以借助于流变岩体力学体系， 如图 2 所示 FrH（1 ） 式中 F 为垂直应力， k N/m2； r 为破碎带岩石碎 块的容重， kg/m3; H 为深度， m。 F 是断层破碎带中衍生的垂直应力。 然而在工程 实践中， 由于断层破碎带倾角大小的不一样， 其分布 应力的状况差异性很大。当然， 对断层应力分布影响 的还有其他因素， 比如断层的性质。 如图可知， F 可分 解为 断层破碎面的垂直应力 F1r Hsinα（2 ） 断层破碎面的平行应力 F2r Hcosα（3 ） 式中 α 为断层破碎带倾角。 通过上述定性分析可以知道以下情况 1 ）较小范围的影响上盘岩层。 2 ）大范围的显著影响下盘岩层，且断层破碎带 倾向小作用范围广。 3 ） 断层面倾角 α 越大 F1作用越大， F2作用越 小。 4 ）断层上下盘保持完整，应力大于破碎带区域 的应力， F1作用在破碎带， F2作用在断层面下盘， 因 此沿破碎带倾斜方向的 F1对破碎带的影响更大。 图 2破碎带受力分析 2.2322 工作面断层影响与支架歪斜受力分析。 322 工作面所在煤层埋深约 280m，地质条件较 复杂，工作面揭露组合断层 3F7- 1 正断层 （120 ∠70H＝2.0m ） 、 3F7- 2 正断层 （140∠70H＝ 3.50m ） ， 受断层组影响， 如图 3 所示。 工作面回采过程 中， 出现支架歪斜现象， 如图 4 所示。 图 3工作面断层揭露示意图 图 4工作面支架歪斜示意图 根据 322 工作面现场断层情况和支架受力歪斜 情况， 结合上节对断层破碎带受力分析结果， 对支架 受力分析可知， 如图 5 所示。 1 ） 工作面受断层组合影响，形成破碎带影响区 域； 2 ） 破碎带区域顶底板较软， 使支架在水平方向受 力不平衡， 导致支架歪斜； 3 ） 破碎带区域支架受力为 F 破 rHsinθ， 方向沿 断层面向下。F 水平分力使得支架产生向右作用力。 图 5支架受力分析 3工作面过断层方案和技术措施 1 ）321F1 断层和 3F7- 2 断层形成的断层构造带 与 SF4 断层和 3F7- 1 断层形成的断层构造带距离较 近 （平均间距约为 4.2m ） ， 且基本平行， 与工作面夹角 约为 43。受断层影响， 断层附近区域构造复杂， 且 受断层影响， 两断层构造带间煤层变薄。 2 ）机尾处揭露 321F1断层（垂直落差为 5.4m ） 时， 机尾处沿轨顺巷道底板推进， 端头 10 组支架在减 115 ChaoXing （上接第 113 页） 施的治理下围岩变形较小， 顶板淋水较大的现象得 到了有效抑制， 满足矿井的正常安全生产。 参考文献 [1] 康红普. 我国煤矿巷道锚杆支护技术发展 60 年及展望 [J].中国矿业大学学报，2016，45 （6） 1071- 1081. [2] 邓勇， 周忠国， 殷绍林， 等.采掘工作面水害综合防治技术 研究 [J].水力采煤与管道运输，2017 （01） 9- 14. [3] 王小坡， 查文华， 张兰翔， 等.掘进巷道顶板综合防治水技 术 [J].煤矿安全，2014，45 （02） 50- 52. [4] 张勇国.燕子山井田水文地质特征及突水安全性分析[J]. 煤矿安全， 2018,49 （4） 177- 180. 作者简介 郝海涛 （1988-） ， 男， 汉族， 山西长治人， 2013 年 7 月毕业 于山西大同大学土木工程， 本科学历， 助理工程师.现任霍州煤 电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿生产技术科技术员。 （收稿日期 2020- 4- 22） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 少割矸石厚度的同时， 与巷道底板平缓过渡， 随工作 面推进， 根据断层揭露情况， 以 12进行飘刀。 3 ） 机尾处揭露， 321F1 断层揭露至 84 架附近， 此时断层揭露范围最大， 约为 13.3m。 4 ）由于 3F7- 2 断层与 3F7- 1 断层距离较近且基 本平行， 过断层期间根据两断层情况综合考虑。随工 作面推进， 断层向机头方向移动， 每割一刀， 断层向机 头方向移动约 0.6m，断层最 大揭露范围约为 7.0m， 最大割矸量约为 2.0m。随工作面推进， 根据断层揭露 情况， 逐渐增加飘刀起点据断层的距离， 以 12进行 飘刀。 5 ）工作面机头处始终沿运顺巷道底板推进， 端 头10 组支架在减少割矸石厚度的同时，与巷道底板 平缓过渡。至机头临近 3F7- 2 断层时 （距 3F7- 2 断层 约34m ） ， 自机头向机尾方向逐渐 刹刀， 与工作面刮板 输送机顺平， 最大刹刀角度不得超过 12。 6 ）割煤时， 根据工作面揭露的实际断层参数 （底 煤、 底矸厚度及范围） 以及断层与工作面的夹角变化 情况， 调整飘刹刀范围， 从机尾向机头方向逐步揭露 断层的方法通过断层。 7 ）过断层期间， 割煤时， 加强过渡区域飘刹刀控 制， 顺平刮板输送机。 8 ）过断层期间， 若断层构造异常区域结构复杂， 则随工作面推进， 采用煤电钻对工作面顶底板情况进 行探测， 根据探测情况调整工作面断层区段飘刹刀角 度情况， 但最大飘刹刀角 度不能超过 - 12。 9 ）受断层变化影响，当个别区域出现底鼓， 割 矸石厚度小于 0.7m 时， 以顺平输送机为前提， 控制 飘刹刀角度。支架垂直顶底板，歪斜角度控制在 4以内。 10 ）每班测量刮板输送机上窜下滑情况， 当工作 面连续上窜 （下滑） 或上窜量 （下滑量） 超过 300mm 时， 及时进行调面， 控制上窜下滑趋势。 4结论 1 ）通过对断层的产状与力学性质分析， 得出， 断 层面倾角越大， 破碎带应力作用， 并且断层破碎带沿 破碎带倾斜方向的力对破碎带的影响最大。 2 ）322 工作面受断层组合影响， 破碎带区域支架 水平分力， 架产生向右作用力， 导致支架歪斜。 3 ）根分析结论，制定了 322 工作面过组合断层 技术措施。 参考文献 [1] 钱鸣高， 刘听成.矿山压力及其控制[M].北京 煤炭工业出 版社， 1984． [2] 吴绍发，廖米和.ZY5000/11/24 型液压支架的使用分析与 改进设计. [3] 王金安， 刘航， 李铁.临近断层开采动力危险区划分数值模 拟研究[J].岩石力学与工程学报， 2007. 作者简介 樊卫阁 （1988-） ， 男， 汉族， 河北省邢台市人， 2016 年毕 业于辽宁工程技术大学采矿工程专业， 研究生学历， 现就职 于兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，从事采煤管理工作， 助 理工程师。 （收稿日期2020- 2- 6） 116 ChaoXing