大采高綜采工作面壓架原因分析及防治

盧興和

(西山煤電集團公司 屯蘭礦，山西 古交 030200)

1 大采高回采工作面概況

某礦12403 工作面采長180 m，走向長2 500 m，工作面平均采高4.5 m.工作面地表大部分為第四系松散沉積物覆蓋，西側12405 工作面已回采完畢，東側12403 工作面為備用回采面，北側靠近盤區軌道大巷，南側為井田邊界。12403 工作面上面為采空區。工作面采用一次采全高后退式綜合機械化回采方式，全部垮落頂板。該工作面配備MG500/1110 -GWD型采煤機，ZY -8000/25/50(排頭支架ZY -8000/20/42)型液壓支架共97 架，SGZ -900/1050 型運輸機，SZZ - 900/315 型轉載機，PCM200 型破碎機，SSJ1200 -3 ×315 型皮帶完成采煤及運煤工作。

在該工作面回采至距斜切眼25 m 時，通過對日常地質及礦壓數據分析發現:頂板淋水量較之前有明顯增加，工作面液壓支架壓力表顯示數據較之前也顯著增大;待工作面回采至通過斜切眼后推進1.6 m時，工作面機尾處部分支架掩護梁壓力較前期突然增大，檢修后發現這部分支架掩護梁處出現了不同程度的裂紋現象，立柱下縮量最大達到450 mm，工作面機尾處出現壓架現象。

2 大采高工作面發生壓架的原因分析

2.1 工作面回采速度緩慢

為了得到12403 回采工作面在通過斜切眼后發生壓架事故的原因，通過對工作面機尾端10 號支架的壓力表進行觀測，得到過斜切眼前后2013 年5 月15—29 日的支架工作阻力數據，見表1.

表1 支架工作阻力數據表

通過分析表1 中2013 年5 月16—29 日觀測到的工作阻力及阻力的變化情況可知，壓架事故前10日支架工作阻力隨著礦壓的增加逐漸增大;5 月25日后支架在額定工作阻力狀態下運行，最大工作阻力為8 179 kN，此時回采工作面日推進進度為2 ～3 m，后5 日回采工作面日推進進度為3 m 左右，推進速度十分緩慢。在過斜切眼回采過程中，工作面機尾處部分液壓支架掩護梁產生不同程度的裂紋。通過分析可知，該回采工作面發生壓架事故前日推進進度僅為3 m 左右，推進速度較緩慢，導致支架在通過斜切眼5日內長時間處在液壓支架額定工作阻力之上，支架長時間處于非正常運行狀態，工作面頂板在這段時間也出現了顯著的下沉，液壓支架的可伸縮量持續降低，支架的壓力富裕度降低，從而使工作面機尾處部分支架的關鍵零部件長時間處于疲勞運行狀態，發生嚴重的損壞。因此，工作面通過斜切眼前后回采速度慢是造成此次壓架事故的原因之一。

2.2 支架安全閥整定值設置不合理

液壓支架在工作面回采過程中由于礦壓增大，若出現過載時，合理地設置安全閥的整定值能夠有效地對液壓支架進行過載保護，防止礦壓持續增大，造成液壓支架發生壓潰事故。其中，安全閥的工作過程如下:在工作面通過構造、斜切眼、收尾時，隨著礦壓的持續增大，液壓支架立柱壓力超過了安全閥的整定值，安全閥隨之開啟，有效地對液壓支架進行保護，防止受到過高阻力;當液壓支架立柱壓力小于安全閥的整定值，安全閥處于關閉狀態。當安全閥整定值偏低時，容易導致支架受力未達到支架的額定阻力便出現支架泄壓現象，從而使頂板的下沉量增大，支護效果降低;安全閥整定值過高，容易導致支架運行于超額定載荷狀態下，而立柱不能夠及時下降，液壓支架的讓壓效果變差;當同一支架左右立柱安全閥設定的開啟值不同時［1］，容易使液壓支架長時間運行于偏載狀態，特別是當其載荷超過額定載荷時，會產生受載嚴重畸變，最易使重要零部件受損。

該工作面液壓支架額定工作阻力8 000 kN，其中安全閥整定值為39.3 MPa，通過實測在機尾處的3個支架左右立柱的安全閥的實際開啟壓力分別為:38.3、39.6、37.9、39.2、40.5、39.3. 由此可知，工作面機尾處立柱安全閥的實際整定值不合理。

2.3 回采高度降低致支架掩護梁剪切力增大

支架掩護梁的受力分析見圖1. 其中:A、B 分別表示支架掩護梁與頂梁及尾梁的鉸接點;C 為垮落的矸石對支架掩護梁作用力;D、E 分別表示C 在X 與Y方向的分力;β 表示為掩護梁與垂直方向的夾角;D1、E1分別表示頂梁與掩護梁鉸接處的約束反力，D2、E2分別表示尾梁與掩護梁鉸接處的約束反力［2，3］.通過分析可知，掩護梁橫截面彎矩M 為:M =y2Dsinβ. 其中，y 為任意截面至B 點的距離。

圖1 支架掩護梁的受力分析圖

通過掩護梁橫截面彎矩可知，當假設支架的掩護梁任一截面形狀規則、材質均勻時，掩護梁的拉應力、剪應力與采空區垮落頂板對掩護梁作用力成正比例關系，與掩護梁沿垂直方向的夾角β 成正比例關系。

該工作面支架的最大支撐高度為5 m，隨著回采至斜切眼附近，礦壓逐漸增加，頂板下沉量逐漸增大，實際中采高僅為4 m 左右，支架處于彎腰狀態下運行，這種運行狀態有3 個方面的影響:1)隨著工作面采高的降低，支架掩護梁與垂直方向的夾角逐漸增加，掩護梁受到頂板垮落產生的梁彎矩與剪應力也隨之增大，由于實際上掩護梁受力是非常不均勻的，極易導致掩護梁發生剪切破壞而產生斷裂現象［4］.2)回采工作面采高降低，支架受到的合力作用點發生前移，支架的切頂力降低，從而導致直接頂或基本頂的垮落步距變長，頂板來壓強度增大，支架所受載荷增加。3)支架支撐高度降低，支架立柱行程也隨之降低，在工作面頂板來壓時，支架安全閥開啟，立柱降低，支架的讓壓功能降低。

3 大采高工作面壓架事故防治方法

通過對大采高工作面支架壓架事故原因分析，可以得到如下3 點支架壓架的防治方法:1)根據回采工作面的地質條件，特別是頂底板、煤層厚度、礦壓觀測數據等，合理地確定支架的選型及采高范圍［5］.2)在大采高工作面回采過程中，特別是在回采過程中出現地質構造、淋水量增加、斜切眼等情況時，要加強對頂板來壓與淋水量等數據的預測預報，必要時可以采取降低工作面回采采高，加快工作面的回采速度等措施，保證回采工作面安全通過強烈的頂板來壓區域。3)加強工作面的頂板管理，及時檢查工作面支架的安全閥的開啟值，保證開啟值準確、合理。

4 結 論

1)工作面在遇到構造、斜切眼等區域時，若工作面回采進度較慢，支架長時間處于非正常運行狀態極易造成壓架事故，從而導致頂板下沉量增大，支架立柱的可縮量減小，讓壓效果降低致使支架掩護梁剪應力增加，而發生剪切破壞。

2)今后要根據工作面的地質條件，更加合理地對支架進行選型;在回采過程中加強對回采工作面礦壓與水文地質觀測及預測預報工作，加快在地質構造、斜切眼等區域時的推進速度，從而避免大采高工作面壓架事故的發生，保障工作面的順利回采。

［1］ 毛德兵，尹希文，張會軍.我國煤礦頂板災害防治與監測監控技術［J］.煤炭科學技術，2013，41(9):105 -108.

［2］ 萬 峰，張洪清，韓振國.液壓支架初撐力與工作面礦壓顯現關系研究［J］.煤炭科學技術，2011，39(6):18 -20.

［3］ 閆少宏，尹希文，許紅杰，等.大采高綜采頂板短懸臂梁-鉸接巖梁結構與支架工作阻力的確定［J］.煤炭學報，2011，36(11):1816 -1820.

［4］ 呂夢蛟.神東礦區長壁采場礦壓顯現規律與支架選型［J］.煤炭科學技術，2010，38(11):48 -52.

［5］ 王曉振.松散承壓含水層下采煤壓架突水災害發生條件及防治研究［D］.徐州:中國礦業大學，2012.