斷層對孤島工作面支架工況影響研究

周鵬

（山西河曲晉神能源有限公司，山西 忻州036500）

煤礦頂板一直以來都威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，如何有效的控制頂板、實施頂板動態(tài)監(jiān)控、杜絕頂板事故，都是煤礦安全生產(chǎn)中的一個難題，特別是孤島工作面開采，周邊的采空區(qū)對工作面易形成較大的集中應力，嚴重威脅著孤島工作面的安全開采。

磁窯溝煤礦10203綜采工作面是10-2#煤層最后一個工作面，屬于孤島工作面開采，10203工作面頂板松軟、構造復雜，回采中采空區(qū)側向支撐應力集中及過復合斷層構造帶等多重因素影響，工作面頂板管理較大困難，為保證安全回采，必須對工作面過斷層帶的支架運行特征進行研究,為工作面支護提供技術參考數(shù)據(jù)。

1 工作面概況

斷層，該斷層處頂板破碎嚴重。以上斷層均處于回采工作面正幫，回采工作受到斷層影響，工作面頂板易冒落、可能會出現(xiàn)頂板破碎、掉落矸石等情況。

圖1 10203孤島工作面布置示意

磁窯溝煤礦10203孤島工作面沿走向布置，東部為北輔運、北回風大巷，南部為二盤區(qū)集中膠輔運大巷，西部為10202回采工作面（已回采），北部為10305膠輔運順槽（已形成）。工作面走向長200 m，傾斜長1 632 m,煤層平均厚度為 4.8 m，傾角 4°50′，工作面標高為862 m～909 m，開采深度為201 m。該煤層老頂厚度為5.70 m～7.30 m的粗、中、細粒砂巖、粉砂巖；直接頂厚度為0.15 m～4.80 m的泥巖夾煤線、炭質泥巖夾煤線，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質膠結，易冒落；直接底厚度為3.00 m～7.50 m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風化。

回采區(qū)域內回風順槽距切眼162 m揭露斷距為1.7 m的正斷層；距切眼186 m揭露斷距為3.5 m的正斷層，該斷層處頂部、幫部破碎嚴重；膠運順槽距切眼9 m揭露斷距為1.5 m的正斷層；切眼距10203回風順槽145 m、152 m分別揭露了斷距為0.6 m、1.2 m的正

10203 回采工作面平均煤厚為4.8 m，采用走向長壁式一次采全高綜合機械化采煤法。工作面采用全部垮落法管理頂板，選用ZY8000/24/50D型液壓支架支護頂板，支架額定工作阻力8 000 kN，初撐力6 412 k N，支護強度0.93 MPa～0.96 MPa；工作面選用MG 650/1620-3.3WD型采煤機，SGZ1000/1400型刮板輸送機，采煤機為雙向割煤，每割一刀煤，支架、運輸機推移一個步距0.8 m為一循環(huán)，往返一次割兩刀煤，工作面平均采高為4.8 m。

2 工作面礦壓觀測

為確定10203工作面支架工況，評價支架遇復合斷層構造帶的支護效果、對頂板的適應性以及頂板來壓規(guī)律提供依據(jù)，根據(jù)10203孤島工作面回采情況及回采巷道動壓顯現(xiàn)狀況，構建以KJ24礦壓監(jiān)測系統(tǒng)--“無線礦壓監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡”為基礎的物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)測平臺，動態(tài)監(jiān)測工作面支架工況，全面開展回采工作面遇復合斷層構造帶的礦壓觀測技術研究。

2.1 觀測方案

觀測儀器采用KJ24型礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，對綜采工作面支架工作阻力進行監(jiān)測。本次監(jiān)測主要針對10203工作面ZY8000/24/50D型液壓支架，每隔5架安裝1臺礦用本安型數(shù)字壓力計，實時監(jiān)測液壓支架立柱工作阻力，工作面內共安裝無線數(shù)字壓力計23臺。

2.2 工作面支架工作阻力分析

10203 工作面自切眼開始推進450 m，揭露復合斷層構造帶，致使各測站支架的工作阻力隨工作面推采而變化，進而對支架工況進行為期3個月的觀測分析。

圖2支架工作阻力曲線

由支架工作阻力曲線圖可知，由于10203工作面沿走向揭露復合斷層構造帶，對工作面礦壓影響顯著。其中10#、20#、30#、50#支架在推采至 50 m左右時一直處在斷層下盤，推采至100 m～150 m時處于斷層上盤；10#、20#、30#、50#支架在推采至 200 m～250 m時處于斷層上盤，隨工作面推采至300 m～450 m時處于斷層下盤。對比部分支架處于斷層上、下盤的工作阻力變化可知，部分支架下盤工作阻力大于上盤工作阻力，某些時刻當支架處于斷層面附近時，其工作阻力處于高應力載荷區(qū)，支架受力加大，主要由于斷層下盤還要承受上盤的附加力及采空區(qū)的側向支撐力，使斷層面附近的下盤支架載荷大于上盤。

2.3 工作面工作阻力頻率分布

液壓支架工作阻力頻率分布特征是評價其工作性能和頂板沖擊程度的主要依據(jù)。按每個區(qū)間寬度為1 150 kN劃分若干個區(qū)間，統(tǒng)計各液壓支架工作阻力在各區(qū)間段百分比見表1。

表1 10203工作面支架工作阻力頻率統(tǒng)計（單位：%）

通過分析可知，部分支架工作阻力處于低阻力區(qū)(0 kN～3 450 kN)的比例占56.2%，中阻力區(qū)(3 450～6 900 kN)的比例占41.7%,高阻力區(qū)(6 900 kN～＞8 000 kN)的比例占2.1%,多數(shù)支架工作阻力未超出額定工作阻力，說明支架工作阻力、支護強度有富余。其中10#～80#架長期處于復合斷層構造帶影響范圍內，其支承載荷較大。

2.4 工作面循環(huán)末阻力及傾向液壓支架壓力分析

表2支架平均循環(huán)末阻力統(tǒng)計

從液壓支架平均循環(huán)末阻力值表2可以看出，液壓支架循環(huán)末阻力為4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循環(huán)末阻力為4 899.1 kN，是額定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及其利用率適應頂板壓力，實際回采中沒有發(fā)現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，支架工作狀態(tài)良好。

圖3 10203工作面支架傾向壓力分布

從工作面支架傾向壓力分布圖3可以看出，隨工作面揭露復合斷層構造帶位置的不斷移動，支架工作阻力變化與斷層走向變化相適應，斷層附近載荷大于其它部位的支架載荷，可見復合構造斷層組對工作面礦壓影響顯著。

3 工作面液壓支架適應性驗證

綜采工作面液壓支架能否適應工作面煤層地質條件是綜采工作面安全生產(chǎn)的關鍵。根據(jù)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支架與頂板相互作用關系，合理的工作阻力應取循環(huán)末阻力的平均值加上1倍均方差見表3，即：P=Pt+σ；

表3 10203工作面液壓支架均方差統(tǒng)計

根據(jù)對實測循環(huán)末阻力的統(tǒng)計，循環(huán)末阻力的平均值為4 954.8 kN，均方差為1 385.7 kN，則合理工作阻力應不小于為6 263.4 kN，工作面所選ZY8000/24/50D型液壓支架額定工作阻力為8 000 kN，能夠滿足要求。

4 結語

1支架下盤工作阻力大于上盤的工作阻力，某些時刻當支架處于斷層面附近時，其工作阻力處于高應力載荷區(qū)，支架受力加大，主要由于斷層下盤還要承受至上盤的附加力及采空區(qū)的側向支撐力，使斷層面附近的下盤支架載荷大于上盤。

2工作面多數(shù)支架工作阻力未超出額定工作阻力，說明支架工作阻力、支護強度有富余。其中10#-80#架長期處于復合斷層構造帶影響范圍內，其支承載荷較大。

3液壓支架循環(huán)末阻力為4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循環(huán)末阻力為4 899.1 kN，是額定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及利用率適應頂板壓力，實際回采中未發(fā)現(xiàn)安全閥開啟現(xiàn)象，支架工作狀態(tài)良好。

4隨工作面揭露復合斷層構造帶位置的不斷移動，支架其工作阻力變化與斷層走向變化相適應，斷層附近載荷大于其他部位的支架載荷，可見復合構造斷層帶對工作面礦壓影響顯著。

5工作面所選ZY8000/24/50D型液壓支架支護參數(shù)合理，對復合斷層構造帶的特殊頂板有較好的控制效果，對10203孤島工作面有較好的適用性。