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）

关键字：断层；破碎带；工作面；支架

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1 322 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°∠70°H＝2.0m）、3F7- 2 正断层（140° ∠70° H ＝3.50m）、V- F8 正 断 层（265°∠71°H＝5.50m）；322 轨道顺槽揭露3 条，分别为SF4 正断层（132°∠26～40°H＝7.50m）、321F1 正断层 （154°∠45～57°H＝5.40m）、V- F8 正断层（265°∠46°H＝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

维地震勘探存在一条隐伏断层SF5 正断层（150°∠80°H＝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：

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

断层破碎面的平行应力：

式中：α 为断层破碎带倾角。

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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

2.2 322 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°∠70°H＝2.0m）、3F7- 2 正断层（140°∠70°H＝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。