工作面壓架原因分析及預防措施

文/王崇景

液壓支架是重要的煤炭開采機械設備，但在進行綜采或綜放采煤過程中，工作面壓架事故時有發生。2021年10月，陜西中太能源投資有限公司朱家峁煤礦-2工作面在開采過程中發生液壓支架壓架情況，通過對綜采工作面壓架原因進行分析，采用消除支架頂板應力方法進行了有效處理，并提出預防措施，對礦井以后預防支架壓架和做好工作面頂板管理具有借鑒價值。

一、工作面概況

朱家峁煤礦1305-2工作面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。區內地勢西北部低，東南部高，地形起伏較大，溝壑縱橫。中部有兩條季節性河流（溝谷）通過，流向為自南向北。1305-2工作面整體為一單斜構造，地質構造簡單，兩順槽及切眼掘進過程中均未發現斷層、巖漿巖體、沖刷帶、陷落柱等地質構造，煤層頂底板有一定起伏，預計對回采影響不大，物探報告也未發現工作面內部發育其他地質構造。煤層總厚為2.4～3.1m，平均為2.8m；煤層傾角為0°～0.6°，穩定；可采系數為1.0。

二、支架技術參數

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

基本支架外型長6755mm、寬1660～1860mm（中心距1750mm），由頂梁、掩護梁、連桿、底座、擋矸板、側護板、推溜框架構成，手動片閥操作。初撐力為6412kN（泵站壓力31.5MPa），支護工作阻力為9000kN，支護強度為1.05～1.10MPa，單柱活柱直徑為340mm（立柱直徑為420mm），支架總重約為27t。

三、液壓支架壓架經過

2021年10月5日，1305-2工作面46號～122號支架頂板在煤壁處切頂斷開，壓力顯現明顯，現場立即結束檢修，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。5日11時45分，工作面開機生產，煤機割煤后，后部支架壓力持續加大，支架高度持續降低，現場采取挑頂及臥底的方式繼續進行割煤，割完一刀煤后，采煤機位于60號往機尾方向割煤，64號～97號支架高度繼續降低，支架高度由平均高度2.8m降低至2.2m左右。5日15時40分，60號支架高度已不能過機，此時后部支架持續來壓，支架高度進一步降低，降至最低高度為1.8m。為防止壓死采煤機，現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，5日18時40分將采煤機牽引至機頭頂板較穩定處。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支設單體的方式進行加強支護。最嚴重地段為70號～92號支架，基本壓死，工作面多處液壓管路損毀。

四、支架壓架原因分析

1.主觀原因

（1）礦壓技術管理欠缺。關于本區淺埋、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律研究總結不夠，僅限于礦壓觀測系統，技術分析指導流于形式。

（2）設備操作管理不規范。從礦壓觀測數據分析可知，由于部分支架接頂不嚴、操作不規范、升架時持續時間過短，導致兩立柱受力偏差過大，未充分發揮出支架的支撐作用。

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

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

2.客觀原因

（1）工作面頂板壓力分析。工作面壓架區域位于黃土梁峁底部，兩條季節性河流（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。液壓支架壓架時工作面正通過沙空溝底部100余m，處于周期來壓和見方來壓期間，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。

（2）支架設計。如前所述，ZY9000/17/35型掩護式液壓支架最大工作阻力為9000kN（初撐力為6412kN）。當直接頂懸臂梁達12.8m以上時，自然狀態下作用在支架上的壓力大于6411.1kN，而頂板壓力顯現時，根據動載系數（1.0～1.3）的最大值估算（礦壓研究報告最大動載系數為1.31），其壓力值遠大于自然狀態下的壓力值，達到9100kN。偽頂隨采隨落，11.5～12.8m時自然狀態下作用在支架上的壓力為5994.3～6411.1kN。而當頂板來壓時，其壓力值遠遠超過該值。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到安全閥的開啟壓力值42MPa。

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

（3）制造缺陷。從支架壓死情況可知，支架立柱操作閥的安設位置不合理，支架壓死時，易將支架操作閥擠壓變形，致使處理困難。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）特殊地質構造原因。工作面地形特殊，谷壑地表、地形起伏落差較大，局部是坡陡。通過對工作面覆巖柱狀進行關鍵層位置判別后發現，雖然基巖內存在5層硬巖層，但由于上覆厚風積沙的載荷傳遞作用（垂直應力最小為0.9MPa），導致上部硬巖層的破斷步距小于下部硬巖層，從而判別出覆巖中僅有一層關鍵層，為復合單一關鍵層結構。因此，覆巖中上部各硬巖層與底部硬巖層發生復合同步破斷，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生。

五、支架壓死處理方法

支架被壓死處理方法有兩種：消除支架頂板應力；清除支架底板阻力。現采用消除支架頂板應力方法。

（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。

（2）對被壓死的支架，每架另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，采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架時按順序進行處理。

六、預防壓架措施

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

（2）加強采煤工作面礦壓規律研究。掌握關于本區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律。

（3）進行頂板預裂爆破。根據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100m，由此確定具體切頂范圍為100m（共57架，施工57個鉆孔）。

（4）加強工作面工程質量管理。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）采取頂板水力預裂方案。鉆孔數量及平面布置為：進風巷孔布置30個，仰角5°，孔深125m；回風巷孔布置30個，仰角5°，孔深125m；孔位布置間距10m，預裂高度控制在11m左右，水壓30MPa。

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