断层对孤岛工作面支架工况影响研究

周鹏

（山西河曲晋神能源有限公司，山西 忻州036500）

煤矿顶板一直以来都威胁着煤矿的安全生产，如何有效的控制顶板、实施顶板动态监控、杜绝顶板事故，都是煤矿安全生产中的一个难题，特别是孤岛工作面开采，周边的采空区对工作面易形成较大的集中应力，严重威胁着孤岛工作面的安全开采。

磁窑沟煤矿10203综采工作面是10-2#煤层最后一个工作面，属于孤岛工作面开采，10203工作面顶板松软、构造复杂，回采中采空区侧向支撑应力集中及过复合断层构造带等多重因素影响，工作面顶板管理较大困难，为保证安全回采，必须对工作面过断层带的支架运行特征进行研究,为工作面支护提供技术参考数据。

1 工作面概况

断层，该断层处顶板破碎严重。以上断层均处于回采工作面正帮，回采工作受到断层影响，工作面顶板易冒落、可能会出现顶板破碎、掉落矸石等情况。

图1 10203孤岛工作面布置示意

磁窑沟煤矿10203孤岛工作面沿走向布置，东部为北辅运、北回风大巷，南部为二盘区集中胶辅运大巷，西部为10202回采工作面（已回采），北部为10305胶辅运顺槽（已形成）。工作面走向长200 m，倾斜长1 632 m,煤层平均厚度为 4.8 m，倾角 4°50′，工作面标高为862 m～909 m，开采深度为201 m。该煤层老顶厚度为5.70 m～7.30 m的粗、中、细粒砂岩、粉砂岩；直接顶厚度为0.15 m～4.80 m的泥岩夹煤线、炭质泥岩夹煤线，泥岩裂隙发育，砂泥质胶结，易冒落；直接底厚度为3.00 m～7.50 m的泥岩，深灰色，疏松，易碎，易风化。

回采区域内回风顺槽距切眼162 m揭露断距为1.7 m的正断层；距切眼186 m揭露断距为3.5 m的正断层，该断层处顶部、帮部破碎严重；胶运顺槽距切眼9 m揭露断距为1.5 m的正断层；切眼距10203回风顺槽145 m、152 m分别揭露了断距为0.6 m、1.2 m的正

10203 回采工作面平均煤厚为4.8 m，采用走向长壁式一次采全高综合机械化采煤法。工作面采用全部垮落法管理顶板，选用ZY8000/24/50D型液压支架支护顶板，支架额定工作阻力8 000 kN，初撑力6 412 k N，支护强度0.93 MPa～0.96 MPa；工作面选用MG 650/1620-3.3WD型采煤机，SGZ1000/1400型刮板输送机，采煤机为双向割煤，每割一刀煤，支架、运输机推移一个步距0.8 m为一循环，往返一次割两刀煤，工作面平均采高为4.8 m。

2 工作面矿压观测

为确定10203工作面支架工况，评价支架遇复合断层构造带的支护效果、对顶板的适应性以及顶板来压规律提供依据，根据10203孤岛工作面回采情况及回采巷道动压显现状况，构建以KJ24矿压监测系统--“无线矿压监测传感器网络”为基础的物联网硬件监测平台，动态监测工作面支架工况，全面开展回采工作面遇复合断层构造带的矿压观测技术研究。

2.1 观测方案

观测仪器采用KJ24型矿压监测系统，对综采工作面支架工作阻力进行监测。本次监测主要针对10203工作面ZY8000/24/50D型液压支架，每隔5架安装1台矿用本安型数字压力计，实时监测液压支架立柱工作阻力，工作面内共安装无线数字压力计23台。

2.2 工作面支架工作阻力分析

10203 工作面自切眼开始推进450 m，揭露复合断层构造带，致使各测站支架的工作阻力随工作面推采而变化，进而对支架工况进行为期3个月的观测分析。

图2支架工作阻力曲线

由支架工作阻力曲线图可知，由于10203工作面沿走向揭露复合断层构造带，对工作面矿压影响显著。其中10#、20#、30#、50#支架在推采至 50 m左右时一直处在断层下盘，推采至100 m～150 m时处于断层上盘；10#、20#、30#、50#支架在推采至 200 m～250 m时处于断层上盘，随工作面推采至300 m～450 m时处于断层下盘。对比部分支架处于断层上、下盘的工作阻力变化可知，部分支架下盘工作阻力大于上盘工作阻力，某些时刻当支架处于断层面附近时，其工作阻力处于高应力载荷区，支架受力加大，主要由于断层下盘还要承受上盘的附加力及采空区的侧向支撑力，使断层面附近的下盘支架载荷大于上盘。

2.3 工作面工作阻力频率分布

液压支架工作阻力频率分布特征是评价其工作性能和顶板冲击程度的主要依据。按每个区间宽度为1 150 kN划分若干个区间，统计各液压支架工作阻力在各区间段百分比见表1。

表1 10203工作面支架工作阻力频率统计（单位：%）

通过分析可知，部分支架工作阻力处于低阻力区(0 kN～3 450 kN)的比例占56.2%，中阻力区(3 450～6 900 kN)的比例占41.7%,高阻力区(6 900 kN～＞8 000 kN)的比例占2.1%,多数支架工作阻力未超出额定工作阻力，说明支架工作阻力、支护强度有富余。其中10#～80#架长期处于复合断层构造带影响范围内，其支承载荷较大。

2.4 工作面循环末阻力及倾向液压支架压力分析

表2支架平均循环末阻力统计

从液压支架平均循环末阻力值表2可以看出，液压支架循环末阻力为4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循环末阻力为4 899.1 kN，是额定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及其利用率适应顶板压力，实际回采中没有发现安全阀开启现象，支架工作状态良好。

图3 10203工作面支架倾向压力分布

从工作面支架倾向压力分布图3可以看出，随工作面揭露复合断层构造带位置的不断移动，支架工作阻力变化与断层走向变化相适应，断层附近载荷大于其它部位的支架载荷，可见复合构造断层组对工作面矿压影响显著。

3 工作面液压支架适应性验证

综采工作面液压支架能否适应工作面煤层地质条件是综采工作面安全生产的关键。根据综采工作面矿压显现规律及支架与顶板相互作用关系，合理的工作阻力应取循环末阻力的平均值加上1倍均方差见表3，即：P=Pt+σ；

表3 10203工作面液压支架均方差统计

根据对实测循环末阻力的统计，循环末阻力的平均值为4 954.8 kN，均方差为1 385.7 kN，则合理工作阻力应不小于为6 263.4 kN，工作面所选ZY8000/24/50D型液压支架额定工作阻力为8 000 kN，能够满足要求。

4 结语

1支架下盘工作阻力大于上盘的工作阻力，某些时刻当支架处于断层面附近时，其工作阻力处于高应力载荷区，支架受力加大，主要由于断层下盘还要承受至上盘的附加力及采空区的侧向支撑力，使断层面附近的下盘支架载荷大于上盘。

2工作面多数支架工作阻力未超出额定工作阻力，说明支架工作阻力、支护强度有富余。其中10#-80#架长期处于复合断层构造带影响范围内，其支承载荷较大。

3液压支架循环末阻力为4 687.7 kN～5 222.7 kN，平均循环末阻力为4 899.1 kN，是额定工作阻力（8 000 kN）的60.9%，支架的工作阻力及利用率适应顶板压力，实际回采中未发现安全阀开启现象，支架工作状态良好。

4随工作面揭露复合断层构造带位置的不断移动，支架其工作阻力变化与断层走向变化相适应，断层附近载荷大于其他部位的支架载荷，可见复合构造断层带对工作面矿压影响显著。

5工作面所选ZY8000/24/50D型液压支架支护参数合理，对复合断层构造带的特殊顶板有较好的控制效果，对10203孤岛工作面有较好的适用性。