煤礦綜采工作面過(guò)斷層區(qū)域合理調(diào)整范圍經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

1、綜采工作面過(guò)斷層區(qū)域合理調(diào)整范圍經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析綜采二隊(duì)一、研究背景由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，綜采工作面在生產(chǎn)期間，不可避免的會(huì)受到各種地質(zhì)構(gòu)造的影響，其中最常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造就是斷層，斷層分布廣，形態(tài)、類(lèi)型繁多，規(guī)模大小不一，它不僅改變了煤層的埋藏條件，而且會(huì)使煤層出現(xiàn)錯(cuò)斷并發(fā)生顯著位移。斷層對(duì)工作面最主要的影響在于其破壞了煤層的連續(xù)完整性，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)破巖現(xiàn)象，由于巖石硬度大，不但會(huì)增加生產(chǎn)難度，降低生產(chǎn)效率，還會(huì)加劇設(shè)備磨損程度，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為保證工作面在過(guò)斷層區(qū)域的平穩(wěn)過(guò)渡，會(huì)舍棄煤層部分區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，造成煤炭資源損失，并且由于斷層附近應(yīng)力集中、巖層較破碎，很容易出現(xiàn)冒

2、頂事故，給安全生產(chǎn)也造成了較大的影響。根據(jù)以上分析，可以看出，在過(guò)斷層期間，破巖是對(duì)工作面造成影響的主要方面，破巖范圍越大對(duì)工作面影響就越大，破巖范圍越小對(duì)工作面的影響也越小，因此想要降低斷層對(duì)工作面生產(chǎn)的影響，就需要盡可能的縮小工作面在過(guò)斷層區(qū)域的破巖范圍，所以過(guò)斷層期間，對(duì)斷層處理的基本要求是既要以盡量短的距離連接斷失煤層，控制破巖范圍，減少煤炭資源損失，又要?jiǎng)?chuàng)造好的生產(chǎn)條件，滿足工作面安全生產(chǎn)及設(shè)備性能需求，避免影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。二、影響破巖區(qū)域范圍因素分析要想控制過(guò)斷層時(shí)的破巖范圍，首先需要了解影響破巖范圍的各種參數(shù)，根據(jù)工作面與斷層的位置關(guān)系，按水平方向與豎直方向分別建立模型。（一）

3、水平方向影響破巖區(qū)域范圍因素在分析水平方向建立模型分析（如圖1所示），設(shè)破巖區(qū)域的水平長(zhǎng)度為L(zhǎng)，斷層水平斷距為m，斷層走向與工作面的夾角為，則有L=m/cos，在斷層水平斷距不變的情況下，可知L隨夾角的增大而減小。通過(guò)以上分析，不難發(fā)現(xiàn)，在水平方向上影響工作面破巖范圍的是工作面與斷層走向的夾角，當(dāng)工作面與斷層走向的夾角越大時(shí)斷層在工作面同時(shí)揭露的范圍越小，反之當(dāng)工作面與斷層走向的夾角越小時(shí)斷層在工作面同時(shí)揭露的范圍越大，因此想控制水平方向上工作面同時(shí)揭露斷層的范圍，應(yīng)盡量增大工作面與斷層走向的夾角。不過(guò)由于斷層走向的位置是固定的，想調(diào)整工作面與斷層走向的夾角，就只能通過(guò)調(diào)整工作面兩端頭推進(jìn)度，

4、進(jìn)而改變工作面在水平方向上的斜度來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)由于工作面兩端頭推進(jìn)度變化直接影響工作面設(shè)備上竄下滑的控制，當(dāng)工作面設(shè)備處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一旦某一端調(diào)整過(guò)多，就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備上竄下滑失控現(xiàn)象，影響到工作面的正常生產(chǎn)，因此只能在很小范圍內(nèi)調(diào)整，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，想避免對(duì)工作面設(shè)備控制造成較大影響，一端調(diào)整量一般不能超過(guò)3m，相較于工作面180m以上的長(zhǎng)度，這種調(diào)整量對(duì)工作面斜度的影響不足1°，不但效果不明顯，還會(huì)對(duì)設(shè)備控制造成一定不良影響。基于以上原因，本著確保工作面設(shè)備狀態(tài)良好、生產(chǎn)正常的目的，不宜采用調(diào)整兩端頭推進(jìn)度的方式來(lái)控制工作面破巖范圍，應(yīng)盡量在豎直方向的調(diào)整方面采取措施。（二）豎直方

5、向影響破巖區(qū)域范圍因素通過(guò)在豎直方向建立三角模型進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，影響工作面破巖范圍的參數(shù)有三個(gè)，一是斷層落差H，二是過(guò)斷層調(diào)整區(qū)域的傾角，另外就是過(guò)斷層調(diào)整區(qū)域開(kāi)始變坡的位置。在以上三項(xiàng)參數(shù)中，變坡位置不同不但會(huì)影響工作面破巖區(qū)域范圍，同時(shí)會(huì)影響到過(guò)斷層區(qū)域兩側(cè)托頂煤范圍，由于工作面托頂煤后會(huì)造成支架支護(hù)強(qiáng)度降低，且頂煤易垮落，會(huì)造成支架接頂不實(shí)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致冒頂現(xiàn)象，安全隱患較大，因此出于頂板管理安全考慮，當(dāng)前過(guò)斷層時(shí)對(duì)托頂煤的管理規(guī)定較嚴(yán)，斷層較小時(shí)基本不允許托頂煤，斷層較大時(shí)，托頂煤范圍也不允許超過(guò)5架，因此斷層調(diào)整區(qū)域的變坡位置基本都比較固定，在此不予考慮，主要考慮前兩項(xiàng)參數(shù)的影響。

6、根據(jù)模型，設(shè)破巖區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則有L=H/sin，以上參數(shù)中，斷層落差是先天決定的，無(wú)法改變，能夠人為控制的因素只有過(guò)斷層調(diào)整區(qū)域的傾角，且在斷層落差不變的情況下，工作面破巖范圍長(zhǎng)度與調(diào)整區(qū)域的傾角為反正弦函數(shù)關(guān)系，即調(diào)整區(qū)域傾角越大破巖范圍越小，因此想要減小工作面破巖范圍長(zhǎng)度，就需要盡量增大調(diào)整區(qū)域的傾角，不過(guò)由于調(diào)整區(qū)域的傾角增大后會(huì)對(duì)生產(chǎn)和設(shè)備穩(wěn)定性造成影響，因此調(diào)整區(qū)域的傾角也不能隨意增大，需在滿足工作面安全生產(chǎn)需要和設(shè)備性能的需求的前提下進(jìn)行合理控制。三、斷層調(diào)整區(qū)域傾角控制原則（一）設(shè)備適應(yīng)條件1、斷層調(diào)整區(qū)域傾角對(duì)設(shè)備的影響：眾所周知，在傾斜面上的物體，當(dāng)斜面傾角達(dá)到一定程度時(shí)，

7、受自身重量的影響會(huì)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，因此當(dāng)工作面局部存在較大傾角時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)切眼內(nèi)布置的液壓支架、刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)造成影響。（1）傾角對(duì)采煤機(jī)的影響我礦使用的采煤機(jī)為無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)，通過(guò)采煤機(jī)行走部的行走齒輪在刮板輸送機(jī)齒軌上運(yùn)行，由牽引電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只要牽引電機(jī)功率滿足要求，就能保證采煤機(jī)的爬坡性能，并且采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)部安設(shè)有抱閘裝置，即便工作面局部存在大傾角，只要不超過(guò)采煤機(jī)性能要求，就能保證采煤機(jī)的穩(wěn)定性，因此只要工作面斷層區(qū)域的傾角是在采煤機(jī)自身設(shè)計(jì)適應(yīng)傾角范圍內(nèi)，基本不會(huì)對(duì)采煤機(jī)造成影響。以我礦使用的MG200/500-QWD采煤機(jī)為例，該型采煤機(jī)為大傾角采煤機(jī)，適應(yīng)煤層傾角45

8、6;，即調(diào)整區(qū)域傾角在45°以下，該型采煤機(jī)均可滿足生產(chǎn)要求。（2）傾角對(duì)刮板輸送機(jī)的影響刮板輸送機(jī)由于各部位整體相連，整體重量大，且重心低，本身受影響的程度就小，并且其每節(jié)中部槽都與支架推拉框架相連接，在支架支撐狀態(tài)下，刮板輸送機(jī)受影響程度進(jìn)一步降低，而且即便過(guò)斷層區(qū)域存在傾角，相較于刮板輸送機(jī)整體來(lái)說(shuō)也僅是一小部分受到影響，這種影響完全可以被受影響區(qū)域外的部分抵消，因此刮板輸送機(jī)受工作面斷層區(qū)域傾角影響也相對(duì)較小，可以忽略。（3）傾角對(duì)液壓支架的影響工作面存在傾角時(shí)，液壓支架在正常支撐情況下，通過(guò)頂?shù)装鍓毫爸Ъ荛g的相互作用，能夠保證狀態(tài)穩(wěn)定，但在降架后的自由狀態(tài)下，由于為單臺(tái)分

9、離操作，且重心較高，易受到影響，如工作面局部?jī)A角過(guò)大，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)下滑、傾倒現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)造成較大影響，因此工作面傾角應(yīng)盡量避免支架出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。通過(guò)建立支架自由狀態(tài)下在斜面上的受力模型，可對(duì)影響支架下滑、傾倒的情況進(jìn)行分析，設(shè)底板傾角為，支架自重為N，支架在與底板平行方向上的分力為F1，支架對(duì)底板的垂直壓力為F2，支架與底板支架的摩擦系數(shù)f取0.3（根據(jù)資料，鋼與巖石的摩擦系數(shù)為0.3-0.4，為保證安全系數(shù)，此處取最小值），想要確保支架不出現(xiàn)下滑，則有:F1F2*f，即N*sinN*cos*0.3，消去同類(lèi)項(xiàng)有sincos*0.3，即sin/cos0.3,得tan0.3，通過(guò)反三角函數(shù)可得

10、17°，即在工作面傾角不超過(guò)17°的情況下，支架在自由狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。通過(guò)以上分析，可以看出，工作面過(guò)斷層調(diào)整區(qū)域存在傾角的情況下，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)受到的影響相對(duì)較小，支架受到的影響相對(duì)較大，因此為避免支架出現(xiàn)下滑、倒架現(xiàn)象，應(yīng)盡量控制過(guò)斷層區(qū)域傾角不超過(guò)17°。2、其他方面對(duì)設(shè)備的影響(1)變坡過(guò)渡區(qū)對(duì)刮板輸送機(jī)的影響首先工作面過(guò)斷層期間，為過(guò)渡到斷失煤層，不可避免需對(duì)過(guò)斷層區(qū)域進(jìn)行坡度調(diào)整，工作面調(diào)整坡度時(shí)，想達(dá)到預(yù)定坡度，需依靠刮板輸送機(jī)相鄰中部槽在垂直方向的連續(xù)彎曲變化來(lái)過(guò)渡實(shí)現(xiàn)，即變坡過(guò)渡區(qū)，因此考慮工作面過(guò)斷層區(qū)域?qū)伟遢斔蜋C(jī)的影響時(shí)，只需慮

11、變坡過(guò)渡區(qū)對(duì)刮板輸送機(jī)彎曲變化的影響。并且工作面進(jìn)行坡度調(diào)整時(shí)，在變坡過(guò)渡區(qū)內(nèi)即會(huì)開(kāi)始破巖，因此變坡過(guò)渡區(qū)過(guò)長(zhǎng)勢(shì)必會(huì)增加工作面的破巖范圍，所以要盡量控制變坡過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度。想達(dá)到以上兩點(diǎn)，就需在滿足運(yùn)輸機(jī)彎曲變化范圍的條件下盡量增大相鄰中部槽的彎曲變化度，使工作面在最短的范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)定坡度。以我礦使用的SGZ730/2×200型刮板輸送機(jī)為例，該型刮板輸送機(jī)垂直彎曲性能為±3°，即相鄰兩節(jié)中部槽接口處在垂直方向的彎曲度不大于3°，因此想在不超過(guò)刮板輸送機(jī)彎曲變化能力情況下減小破巖范圍，工作面變坡過(guò)渡區(qū)應(yīng)盡量以每?jī)晒?jié)中部槽彎曲3°的幅度進(jìn)行調(diào)整過(guò)渡

12、。(2)斷層調(diào)整區(qū)域?qū)Σ擅簷C(jī)的損耗影響通過(guò)三角模型可知，設(shè)備在傾斜面上時(shí)，受自重影響，沿傾斜面向下的分力會(huì)隨傾角的增大而逐步增大，即對(duì)于采煤機(jī)而言，傾角越大，其驅(qū)動(dòng)部為抵消自身沿傾斜面向下的分力所做的功也越大，勢(shì)必會(huì)增加采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)部的負(fù)荷，在這種較高負(fù)荷狀態(tài)下，采煤機(jī)的工作能力會(huì)受到一定影響，而且采煤機(jī)與運(yùn)輸機(jī)依靠行走齒輪和齒軌連接，驅(qū)動(dòng)部的負(fù)荷最終會(huì)傳遞到齒輪和齒軌上，在相接觸的齒輪和齒軌上形成巨大的相互作用力，坡度過(guò)大情況下，會(huì)使齒輪承受巨大的載荷，易出現(xiàn)齒輪牙斷裂情況，驅(qū)動(dòng)部發(fā)生故障的概率會(huì)大大增加。因此盡管采煤機(jī)的性能能夠適應(yīng)較大傾角，但是出于提高采煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性、降低故障概率的考慮，

13、斷層調(diào)整區(qū)傾角仍不宜過(guò)于接近采煤機(jī)適應(yīng)傾角上限，應(yīng)控制在適當(dāng)范圍。其次在工作面變坡過(guò)渡區(qū)域，相鄰中部槽逐節(jié)彎曲，出現(xiàn)角度差，中部槽上相鄰的齒軌隨之出現(xiàn)角度差，會(huì)對(duì)行走齒輪與齒軌的嚙合造成影響，特別是在相鄰齒軌連接位置處，會(huì)造成齒軌卡絆齒輪現(xiàn)象，在嚙合面產(chǎn)生巨大的側(cè)向壓力，容易發(fā)生卡斷齒輪牙的現(xiàn)象，特別是采煤機(jī)前后行走部同時(shí)處于變坡過(guò)渡區(qū)域時(shí)，由于前后行走齒輪同時(shí)受力，且方向相反，受力倍增，會(huì)大大增加行走齒輪損壞的幾率，因此為盡可能降低采煤機(jī)損壞幾率，應(yīng)盡量避免采煤機(jī)前后行走部同時(shí)處于變坡過(guò)渡區(qū)，想要達(dá)到上述效果，就必須確保斷層調(diào)整區(qū)域的坡長(zhǎng)大于采煤機(jī)兩行走部的中心距，根據(jù)MG200/500采煤

14、機(jī)參數(shù)，可知采煤機(jī)兩行走部中心距約為5.6m，而中部槽長(zhǎng)度為1.5m，由此可得斷層調(diào)整區(qū)域長(zhǎng)度至少需保證不低于4節(jié)中部槽的長(zhǎng)度，即斷層調(diào)整區(qū)域長(zhǎng)度至少應(yīng)保證不低于6m，方可避免采煤機(jī)兩行走部同時(shí)處于變坡過(guò)渡區(qū)。設(shè)斷層調(diào)整區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，斷層落差為H，過(guò)斷層區(qū)域傾角為，根據(jù)上述結(jié)論可得調(diào)整區(qū)域坡度與斷層落差的關(guān)系：L6m，即H/sin6m，sinH/6，arcsin(H/6)由此公示可知，sin越接近H/6，則值越大，即sin=H/6時(shí)，既可避免采煤機(jī)兩行走部同時(shí)處于變坡過(guò)渡區(qū)，又可保證傾角最大，破巖范圍最小。（二）相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定煤礦安全規(guī)程第六十七條規(guī)定：綜采工作面傾角大于15°時(shí)，液

15、壓支架必須采取防倒、防滑措施。傾角大于25°時(shí)，必須有防止煤（矸）竄出刮板輸送機(jī)傷人的措施。根據(jù)上述規(guī)定，說(shuō)明傾角大于15°時(shí)，支架就有下滑、傾倒的危險(xiǎn)，此范圍與前文中計(jì)算的傾角范圍（大于17°）也基本相符；同時(shí)傾角大于25°時(shí)，刮板輸送機(jī)的煤（矸）就有竄出的危險(xiǎn)。在以上兩項(xiàng)中，支架的防倒、防滑比較好管理，即使傾角超過(guò)15°，也可采取增加防滑千斤頂?shù)姆椒ㄕ{(diào)整，或在拉架時(shí)采用帶壓擦頂移架的方式，利用支架間相互作用力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)安全的影響也較小。而當(dāng)傾角超過(guò)25°時(shí)，刮板輸送機(jī)防竄矸管理則比較難，需增加防竄矸設(shè)施，不但會(huì)影響工作面的正常生產(chǎn)，而且管理不到位時(shí)極易出現(xiàn)安全事故，同時(shí)傾角大于25°時(shí)，對(duì)支架、采煤機(jī)等設(shè)備的管理難度進(jìn)一步加大，發(fā)生故障的概率增加，因此基于工作面生產(chǎn)安全及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的考慮，應(yīng)控制工作面斷層區(qū)域傾角不超過(guò)25°。四、結(jié)論根據(jù)前文分析，對(duì)斷層調(diào)整區(qū)域的傾角有以下結(jié)論：1、想要減小工作面破巖范圍長(zhǎng)度，降低煤炭資源損失，就需要盡量增大過(guò)斷層調(diào)整區(qū)域的傾角。2、為避免采煤機(jī)兩行走部同時(shí)處于變坡過(guò)渡區(qū)，降低采煤機(jī)故障幾率，同時(shí)確保破巖范圍最小，