綜采工作面壓架原因分析及預防措施

王崇景， 李振武

（濟寧能源發(fā)展集團有限公司， 山東 濟寧 272000）

1 朱家峁煤礦1305-2 工作面概況

1305-2 工作面井下位置位于一盤區(qū)西翼，東鄰輸氣管線保護煤柱，西鄰礦井邊界保護煤柱，南部為1307-2 工作面進風巷（留有20 m 保護煤柱），北鄰1303-2 采空區(qū)（留有25 m 保護煤柱）。工作面順槽全長3 905 m，寬240 m。該工作面為一盤區(qū)西翼第3 個回采工作面，工作面正北有已采完畢的1303-2、1301工作面老空區(qū)。工作面相應地面位于村莊附近，東部為輸氣管道主線，地表被第四系松散沉積物所覆蓋。對應地面位置主要為黃土梁峁。區(qū)內(nèi)地勢西北部低，東南部高，地形起伏較大，支離破碎，溝壑縱橫。中部有兩條季節(jié)性河流（溝谷）通過，流向為自南向北。

1305-2 工作面整體為一單斜構造，地質(zhì)構造簡單，兩順槽及切眼掘進過程中均未發(fā)現(xiàn)斷層、巖漿巖體、沖刷帶、陷落柱等地質(zhì)構造，煤層頂?shù)装逵幸欢ㄆ鸱A計對回采影響不大，物探報告也未發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)部發(fā)育其他地質(zhì)構造。煤層總厚2.4～3.1 m，平均2.8 m；煤層傾角0°～0.6°，穩(wěn)定；可采系數(shù)為1.0。

2 支架技術特征參數(shù)

本工作面布置145 組支架，基本支架選用ZY9000/17/35 型掩護式液壓支架共136 架，機頭側(cè)選用 ZYG9000/17/35 型過渡液壓支架共 3 架，ZYT9000/17/35 型端頭液壓支架1 架，ZYT6800/17/35型端頭液壓支架1 架；機尾側(cè)選用ZYG9000/17/35 型過渡液壓支架4 架。

支架類型為ZY9000/17/35 掩護式液壓支架，該支架外型尺寸為長6 755 mm、寬1 660～1 860 mm（中心距1 750 mm），由頂梁、掩護梁、連桿、底座、擋矸板、側(cè)護板、推溜框架構成，手動片閥操作。初撐力為6 412 kN（泵站壓力31.5 MPa）；支護工作阻力9 000 kN，支護強度為1.05～1.10 MPa，單柱活柱直徑340 mm（立柱直徑420 mm），支架總重約27 t。

3 壓架事件經(jīng)過

2021 年10 月，1305-2 工作面46～122 號支架頂板在煤壁處切頂斷開，壓力顯現(xiàn)明顯，工區(qū)值班人員立即向調(diào)度室請示，經(jīng)批準后結(jié)束檢修，提前開機，采取“割煤讓壓”的方式避開工作面壓力，防止支架受壓嚴重，造成過機高度不夠。中午11:45，工作面開機進行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中，煤機割煤后，后部支架壓力持續(xù)加大，支架高度持續(xù)降低，現(xiàn)場采取挑頂及臥底的方式繼續(xù)進行割煤，割完一刀煤后，采煤機位于60 號往機尾方向割煤，64～97 號支架高度繼續(xù)降低，支架高度由平均高度2.8m 降低至2.2m 左右。大約下午3：40，60號支架高度已不能過機，此時后部支架持續(xù)來壓，支架高度進一步降低，降至最低高度為1.8 m，為防止壓死采煤機，現(xiàn)場決定將采煤機向機頭支架高度較高處牽引，此時支架高度已不能正常過機，在拆除采煤機拖纜裝置后，下午6：40 將采煤機牽引至機頭頂板較穩(wěn)定處。工作面仍能聽到頂板來壓的聲響，未壓死支架仍有下降趨勢，于是在支架前梁采取了支設單體的方式進行加強支護。最嚴重地段70～92 號，基本壓死，工作面多處液壓管路損毀。詳見表1。

表1 壓架事件情況總結(jié)

4 支架壓架原因分析

4.1 主觀原因

4.1.1 思想重視程度方面

朱家峁煤礦地質(zhì)條件特殊，淺埋、厚風機沙土、較薄基巖，各級管理人員對頂板這一風險的重視程度不夠。在本工作面頂板完好的現(xiàn)狀下已回采2 000 m 以上，思想麻痹大意。

4.1.2 礦壓技術管理方面

關于本區(qū)淺埋、薄基巖、厚風積沙這一特殊賦存條件下煤層開采時的覆巖運動及礦壓規(guī)律研究總結(jié)不夠，僅限于礦壓觀測系統(tǒng)，技術分析指導流于形式。

4.1.3 設備操作管理方面

從圖1、圖2 所示的礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，部分支架接頂不嚴，操作不規(guī)范，升架時持續(xù)時間過短，導致兩立柱受力偏差過大，未充分發(fā)揮支架的支撐作用。

圖1 1305-2 工作面76 號架兩立柱受力曲線圖

圖2 1305-2 工作面壓架前支架阻力分布曲線圖

4.1.4 支架初撐力管理方面

現(xiàn)場支架的初撐力沒有進行標準管理考核，僅按照不小于24 MPa 的標準進行認定，泵站壓力只有28 MPa，工作面支架壓力考核、工程質(zhì)量監(jiān)督不到位。

4.1.5 基礎制度管理方面

安全生產(chǎn)技術類的基礎制度未及時修編，與現(xiàn)場的管理不匹配。

4.2 客觀原因

4.2.1 工作面頂板壓力分析方面

釆面直接頂為中等冒落到難冒落的堅硬頂板，長石砂巖、粉砂巖及中細砂巖，平均厚度達12.41 m。現(xiàn)在進風順槽偽頂為0.89 m+0.19 m 的灰白色細粒長石砂巖，直接頂為5.74 m 的黑灰色塊狀粉砂質(zhì)泥巖。回風順槽現(xiàn)場查看無偽頂泥巖。現(xiàn)工作面120 架至機頭實際頂板為中細砂巖（強度系數(shù)4～6），厚度18.27 m。工作面現(xiàn)場巖性變化較快。

現(xiàn)工作面壓架區(qū)域位于黃土梁峁底部，兩條季節(jié)性河流（沙空溝谷）中間，頂板巖石常年受水流沖蝕，巖性較脆，抗剪強度降低。以往在開采過程中，直接頂隨采隨落。10 月份工作面通過沙空溝底部100 m 多，處于周期來壓和見方壓期間同時受谷底重力不均勻影響，頂板來壓造成工作面支架壓架。

4.2.2 支架設計方面

如前所述，ZY9000/17/35 掩護式液壓支架最大工作阻力為9 000 kN（初撐力為6 412 kN），當直接頂懸臂梁達12.8 m 以上時，自然狀態(tài)下作用在支架上的壓力大于6 411.1 kN，而頂板壓力顯現(xiàn)時，根據(jù)動載系數(shù)（1.0～1.3）的最大值估算（3302 礦壓研究報告最大動載系數(shù)為1.31），其壓力值遠大于自然狀態(tài)下的壓力值達到9 100 kN。偽頂隨采隨落，11.5～12.8 m 時自然狀態(tài)下作用在支架上的壓力為5 994.3～6 411.1 kN，當頂板來壓時（動載系數(shù)一般為1.0～1.3），其壓力值遠遠超過該值[1]。因此，工作面支架初撐受力后，周期來壓期間壓力值很快就達安全閥的開啟壓力值42 MPa。

為進一步證實工作阻力是否滿足支護的需要，對1305-2 工作面近期礦壓觀測數(shù)據(jù)分析。如前所述，當工作面直接懸臂過長而達到頂板來壓距時[3 煤層頂板初次來壓步距為32.7 m，周期來壓步距為11.5～12.8 m（3301 和3302 研究報告）]，如圖3 所示，作用在支架上的壓力部分大于支架安全閥卸載壓力42 MPa，因此中部支架工作阻力不能完全滿足支護的需要。

圖3 1305-2 工作面壓架前周期來壓圖

4.2.3 支架制造缺陷方面

從壓死的情況得出，支架立柱操作閥的安設的位置不合理，支架壓死時，易將支架操作閥擠壓變形，處理困難。同時支架管路布置不合理，支架壓死時易損壞管路，增大了處理的難度。

4.2.4 特殊地質(zhì)構造方面

特殊地形:谷壑地表、地形起伏落差較大，局部坡陡似懸崖，如下頁圖4 所示。

圖4 1305-2 工作面壓架位置平剖面圖

通過對工作面覆巖柱狀進行關鍵層位置判別后發(fā)現(xiàn)（柱狀圖Z805)，雖然基巖內(nèi)存在5 層硬巖層，但由于上覆厚風積沙的載荷傳遞作用（垂直應力為最小為0.9 MPa），導致上部硬巖層的破斷步距小于下部硬巖層，從而最終判別出覆巖中僅有一層關鍵層，為復合單一關鍵層結(jié)構。因此，覆巖中上部各硬巖層與底部硬巖層將發(fā)生復合同步破斷，從而引起覆巖的全厚切落，當大于支架最大工作阻力時，造成切頂壓架事故的發(fā)生。

5 處理被支架壓死的方法

支架被壓死處理方法一般有兩種：消除支架頂板應力；清除支架底板阻力，現(xiàn)釆用消除支架頂板應力方法。具體闡述如下：

1）把支架頂梁、前梁上方的大塊矸石用風鎬或打眼放炮的方式破碎，矸石放下后升起前梁支架，確保采煤機能順利通過采煤[2]。

2）對被壓死的支架每架另釆用一根液壓支柱支撐頂梁。

3）更換損壞的支架配件。

4）待支架頂梁上方被掏空或震松后，將支架立柱升起，卸去支撐支架頂梁支柱后，再降立柱拉架，最終將支架處理活。

5）處理支架時，釆用由兩頭往中間順序進行，放炮處理時一次只處理一架，且必須控制好裝藥量，防止將支架炸壞；剩下不足5 架時只能順序進行處理。

6 預防壓架措施

1）加大對支架初撐力的管理、考核，支架初撐力由24 MPa 增加到26 MPa，對每架都進行考核，讓頂板在采空區(qū)斷裂，降低關鍵層破段長度。

2）加強采煤工作面礦壓規(guī)律研究，掌握關于本區(qū)淺埋薄基巖厚風積沙這一特殊賦存條件下煤層開采時的覆巖運動及礦壓規(guī)律[3]。

3）頂板預裂爆破：根據(jù)井下揭露的煤層頂板巖性情況，直接頂中砂巖目前位于工作面中部，影響范圍約為100 m，由此確定具體切頂范圍為100 m（共57架，施工57 個鉆孔）。

4）加強工作面工程質(zhì)量管理，避免煤壁、支架受力不均，局部壓力過大。

5）建立礦壓規(guī)律預測預報“日分析”制度，每天定時專人進行分析，預警超標時采取人工斷頂卸壓、高壓水預裂等措施。

6）頂板水力預裂方案：鉆孔數(shù)量及平面布置。進風巷孔布置30 個，仰角5°，孔深125 m；回風巷孔布置30 個，仰角5°，孔深125 m；孔位布置間距10 m，預裂高度控制在11 m 左右，水壓30 MPa。

7）對泵站進行特護管理：對水處理設備全面檢查檢修，備用完好；乳化液濃度、壓力按要求達標運行并監(jiān)督到位。