煤矿综采工作面过断层区域合理调整范围经济技术分析

综采工作面过断层区域合理调整范围经济技术分析综采二队一、研究背景由于煤矿井下地质条件复杂，综采工作面在生产期间，不可避免的会受到各种地质构造的影响，其中最常见的地质构造就是断层，断层分布广，形态、类型繁多，规模大小不一，它不仅改变了煤层的埋藏条件，而且会使煤层出现错断并发生显著位移。断层对工作面最主要的影响在于其破坏了煤层的连续完整性，导致工作面出现破岩现象，由于岩石硬度大，不但会增加生产难度，降低生产效率，还会加剧设备磨损程度，影响生产的正常进行和经济效益，同时为保证工作面在过断层区域的平稳过渡，会舍弃煤层部分区域进行调整，造成煤炭资源损失，并且由于断层附近应力集中、岩层较破碎，很容易出现冒顶事故，给安全生产也造成了较大的影响。根据以上分析，可以看出，在过断层期间，破岩是对工作面造成影响的主要方面，破岩范围越大对工作面影响就越大，破岩范围越小对工作面的影响也越小，因此想要降低断层对工作面生产的影响，就需要尽可能的缩小工作面在过断层区域的破岩范围，所以过断层期间，对断层处理的基本要求是既要以尽量短的距离连接断失煤层，控制破岩范围，减少煤炭资源损失，又要创造好的生产条件，满足工作面安全生产及设备性能需求，避免影响生产正常进行。二、影响破岩区域范围因素分析要想控制过断层时的破岩范围，首先需要了解影响破岩范围的各种参数，根据工作面与断层的位置关系，按水平方向与竖直方向分别建立模型。（一）水平方向影响破岩区域范围因素在分析水平方向建立模型分析（如图1所示），设破岩区域的水平长度为L，断层水平断距为m，断层走向与工作面的夹角为α，则有L=m/cosα，在断层水平断距不变的情况下，可知L随夹角α的增大而减小。ααLm附图1：水平方向模型通过以上分析，不难发现，在水平方向上影响工作面破岩范围的是工作面与断层走向的夹角，当工作面与断层走向的夹角越大时断层在工作面同时揭露的范围越小，反之当工作面与断层走向的夹角越小时断层在工作面同时揭露的范围越大，因此想控制水平方向上工作面同时揭露断层的范围，应尽量增大工作面与断层走向的夹角。不过由于断层走向的位置是固定的，想调整工作面与断层走向的夹角，就只能通过调整工作面两端头推进度，进而改变工作面在水平方向上的斜度来实现，不过由于工作面两端头推进度变化直接影响工作面设备上窜下滑的控制，当工作面设备处于稳定状态时，一旦某一端调整过多，就会出现设备上窜下滑失控现象，影响到工作面的正常生产，因此只能在很小范围内调整，根据以往生产经验，想避免对工作面设备控制造成较大影响，一端调整量一般不能超过3m，相较于工作面180m以上的长度，这种调整量对工作面斜度的影响不足1°，不但效果不明显，还会对设备控制造成一定不良影响。基于以上原因，本着确保工作面设备状态良好、生产正常的目的，不宜采用调整两端头推进度的方式来控制工作面破岩范围，应尽量在竖直方向的调整方面采取措施。（二）竖直方向影响破岩区域范围因素通过在竖直方向建立三角模型进行分析，不难发现，影响工作面破岩范围的参数有三个，一是断层落差H，二是过断层调整区域的倾角θ，另外就是过断层调整区域开始变坡的位置。在以上三项参数中，变坡位置不同不但会影响工作面破岩区域范围，同时会影响到过断层区域两侧托顶煤范围，由于工作面托顶煤后会造成支架支护强度降低，且顶煤易垮落，会造成支架接顶不实，严重时导致冒顶现象，安全隐患较大，因此出于顶板管理安全考虑，当前过断层时对托顶煤的管理规定较严，断层较小时基本不允许托顶煤，断层较大时，托顶煤范围也不允许超过5架，因此断层调整区域的变坡位置基本都比较固定，在此不予考虑，主要考虑前两项参数的影响。HLθ附图2：竖直方向模型根据模型，设破岩区域长度为L，则有L=H/sinθ，以上参数中，断层落差是先天决定的，无法改变，能够人为控制的因素只有过断层调整区域的倾角，且在断层落差不变的情况下，工作面破岩范围长度与调整区域的倾角为反正弦函数关系，即调整区域倾角越大破岩范围越小，因此想要减小工作面破岩范围长度，就需要尽量增大调整区域的倾角，不过由于调整区域的倾角增大后会对生产和设备稳定性造成影响，因此调整区域的倾角也不能随意增大，需在满足工作面安全生产需要和设备性能的需求的前提下进行合理控制。三、断层调整区域倾角控制原则（一）设备适应条件1、断层调整区域倾角对设备的影响：众所周知，在倾斜面上的物体，当斜面倾角达到一定程度时，受自身重量的影响会出现下滑现象，因此当工作面局部存在较大倾角时，势必会对切眼内布置的液压支架、刮板输送机和采煤机造成影响。（1）倾角对采煤机的影响我矿使用的采煤机为无链电牵引采煤机，通过采煤机行走部的行走齿轮在刮板输送机齿轨上运行，由牵引电机进行驱动，只要牵引电机功率满足要求，就能保证采煤机的爬坡性能，并且采煤机驱动部安设有抱闸装置，即便工作面局部存在大倾角，只要不超过采煤机性能要求，就能保证采煤机的稳定性，因此只要工作面断层区域的倾角是在采煤机自身设计适应倾角范围内，基本不会对采煤机造成影响。以我矿使用的MG200/500-QWD采煤机为例，该型采煤机为大倾角采煤机，适应煤层倾角≤45°，即调整区域倾角在45°以下，该型采煤机均可满足生产要求。（2）倾角对刮板输送机的影响刮板输送机由于各部位整体相连，整体重量大，且重心低，本身受影响的程度就小，并且其每节中部槽都与支架推拉框架相连接，在支架支撑状态下，刮板输送机受影响程度进一步降低，而且即便过断层区域存在倾角，相较于刮板输送机整体来说也仅是一小部分受到影响，这种影响完全可以被受影响区域外的部分抵消，因此刮板输送机受工作面断层区域倾角影响也相对较小，可以忽略。（3）倾角对液压支架的影响工作面存在倾角时，液压支架在正常支撑情况下，通过顶底板压力及支架间的相互作用，能够保证状态稳定，但在降架后的自由状态下，由于为单台分离操作，且重心较高，易受到影响，如工作面局部倾角过大，势必会出现下滑、倾倒现象，给安全生产造成较大影响，因此工作面倾角应尽量避免支架出现下滑现象。通过建立支架自由状态下在斜面上的受力模型，可对影响支架下滑、倾倒的情况进行分析，设底板倾角为θ，支架自重为N，支架在与底板平行方向上的分力为F1，支架对底板的垂直压力为F2，支架与底板支架的摩擦系数f取0.3（根据资料，钢与岩石的摩擦系数为0.3-0.4，为保证安全系数，此处取最小值），想要确保支架不出现下滑，则有:F1≤F2*f，即N*sinθ≤N*cosθ*0.3，消去同类项有sinθ≤cosθ*0.3，即sinθ/cosθ≤0.3,得tanθ≤0.3，通过反三角函数可得θ≤17°，即在工作面倾角不超过17°的情况下，支架在自由状态下不会出现下滑现象。通过以上分析，可以看出，工作面过断层调整区域存在倾角的情况下，采煤机、刮板输送机受到的影响相对较小，支架受到的影响相对较大，因此为避免支架出现下滑、倒架现象，应尽量控制过断层区域倾角不超过17°。2、其他方面对设备的影响(1)变坡过渡区对刮板输送机的影响首先工作面过断层期间，为过渡到断失煤层，不可避免需对过断层区域进行坡度调整，工作面调整坡度时，想达到预定坡度，需依靠刮板输送机相邻中部槽在垂直方向的连续弯曲变化来过渡实现，即变坡过渡区，因此考虑工作面过断层区域对刮板输送机的影响时，只需虑变坡过渡区对刮板输送机弯曲变化的影响。并且工作面进行坡度调整时，在变坡过渡区内即会开始破岩，因此变坡过渡区过长势必会增加工作面的破岩范围，所以要尽量控制变坡过渡区的长度。想达到以上两点，就需在满足运输机弯曲变化范围的条件下尽量增大相邻中部槽的弯曲变化度，使工作面在最短的范围内达到预定坡度。以我矿使用的SGZ730/2×200型刮板输送机为例，该型刮板输送机垂直弯曲性能为±3°，即相邻两节中部槽接口处在垂直方向的弯曲度不大于3°，因此想在不超过刮板输送机弯曲变化能力情况下减小破岩范围，工作面变坡过渡区应尽量以每两节中部槽弯曲3°的幅度进行调整过渡。(2)断层调整区域对采煤机的损耗影响通过三角模型可知，设备在倾斜面上时，受自重影响，沿倾斜面向下的分力会随倾角的增大而逐步增大，即对于采煤机而言，倾角越大，其驱动部为抵消自身沿倾斜面向下的分力所做的功也越大，势必会增加采煤机驱动部的负荷，在这种较高负荷状态下，采煤机的工作能力会受到一定影响，而且采煤机与运输机依靠行走齿轮和齿轨连接，驱动部的负荷最终会传递到齿轮和齿轨上，在相接触的齿轮和齿轨上形成巨大的相互作用力，坡度过大情况下，会使齿轮承受巨大的载荷，易出现齿轮牙断裂情况，驱动部发生故障的概率会大大增加。因此尽管采煤机的性能能够适应较大倾角，但是出于提高采煤机稳定运行性、降低故障概率的考虑，断层调整区倾角仍不宜过于接近采煤机适应倾角上限，应控制在适当范围。其次在工作面变坡过渡区域，相邻中部槽逐节弯曲，出现角度差，中部槽上相邻的齿轨随之出现角度差，会对行走齿轮与齿轨的啮合造成影响，特别是在相邻齿轨连接位置处，会造成齿轨卡绊齿轮现象，在啮合面产生巨大的侧向压力，容易发生卡断齿轮牙的现象，特别是采煤机前后行走部同时处于变坡过渡区域时，由于前后行走齿轮同时受力，且方向相反，受力倍增，会大大增加行走齿轮损坏的几率，因此为尽可能降低采煤机损坏几率，应尽量避免采煤机前后行走部同时处于变坡过渡区，想要达到上述效果，就必须确保断层调整区域的坡长大于采煤机两行走部的中心距，根据MG200/500采煤机参数，可知采煤机两行走部中心距约为5.6m，而中部槽长度为1.5m，由此可得断层调整区域长度至少需保证不低于4节中部槽的长度，即断层调整区域长度至少应保证不低于6m，方可避免采煤机两行走部同时处于变坡过渡区。设断层调整区长度为L，断层落差为H，过断层区域倾角为θ，根据上述结论可得调整区域坡度与断层落差的关系：L≥6m，即H/sinθ≥6m，sinθ≤H/6，θ≤arcsin(H/6)由此公示可知，sinθ越接近H/6，则θ值越大，即sinθ=H/6时，既可避免采煤机两行走部同时处于变坡过渡区，又可保证倾角最大，破岩范围最小。（二）相关法律法规规定《煤矿安全规程》第六十七条规定：综采工作面倾角大于15°时，液压支架必须采取防倒、防滑措施。倾角大于25°时，必须有防止煤（矸）窜出刮板输送机伤人的措施。根据上述规定，说明倾角大于15°时，支架就有下滑、倾倒的危险，此范围与前文中计算的倾角范围（大于17°）也基本相符；同时倾角大于25°时，刮板输送机的煤（矸）就有窜出的危险。在以上两项中，支架的防倒、防滑比较好管理，即使倾角超过15°，也可采取增加防滑千斤顶的方法调整，或在拉架时采用带压擦顶移架的方式，利用支架间相互作用力进行调整，对安全的影响也较小。而当倾角超过25°时，刮板输送机防窜矸管理则比较难，需增加防窜矸设施，不但会影响工作面的正常生产，而且管理不到位时极易出现安全事故，同时倾角大于25°时，对支架、采煤机等设备的管理难度进一步加大，发生故障的概率增加，因此基于工作面生产安全及设备运行稳定的考虑，应控制工作面断层区域倾角不超过25°。四、结论根据前文分析，对断层调整区域的倾角有以下结论：1、想要减小工作面破岩范围长度，降低煤炭资源损失，就需要尽量增大过断层调整区域的倾角。2、为避免采煤机两行走部同时处于变坡过渡区，降低采煤机故障几率，同时确保破岩范围最小，断层调整区域最大坡度与断层落差的关系为：θ=arcsin(H/6)。3、基于工作面生产安全及设备运行稳定的考虑，应控制断层调整区域倾角不超过25°，即θ≤25°。根据上述结论，当θ=25°时，代入可得H=2.5m，即断层落差在2.5m以下时，过断层调整区域合理倾角应为arcsin(H/6)，此时既能降低采煤机故障几率，同时确保破岩范围最小；当断层落差大于等于2.5m时，过断层调整区域倾角应为25°，在尽可能控制破岩范围的同时，保证工作面生产安全及设备运行稳定。