工作面压架原因分析及预防措施

文/王崇景

液压支架是重要的煤炭开采机械设备，但在进行综采或综放采煤过程中，工作面压架事故时有发生。2021年10月，陕西中太能源投资有限公司朱家峁煤矿-2工作面在开采过程中发生液压支架压架情况，通过对综采工作面压架原因进行分析，采用消除支架顶板应力方法进行了有效处理，并提出预防措施，对矿井以后预防支架压架和做好工作面顶板管理具有借鉴价值。

一、工作面概况

朱家峁煤矿1305-2工作面地表被第四系松散沉积物所覆盖，对应地面位置主要为黄土梁峁。区内地势西北部低，东南部高，地形起伏较大，沟壑纵横。中部有两条季节性河流（沟谷）通过，流向为自南向北。1305-2工作面整体为一单斜构造，地质构造简单，两顺槽及切眼掘进过程中均未发现断层、岩浆岩体、冲刷带、陷落柱等地质构造，煤层顶底板有一定起伏，预计对回采影响不大，物探报告也未发现工作面内部发育其他地质构造。煤层总厚为2.4～3.1m，平均为2.8m；煤层倾角为0°～0.6°，稳定；可采系数为1.0。

二、支架技术参数

本工作面布置145组支架。基本支架选用136架ZY9000/17/35型掩护式液压支架，机头侧选用3架ZYG9000/17/35型过渡液压支架、1架ZYT9000/17/35型端头液压支架、1架ZYT6800/17/35型端头液压支架，机尾侧选用4架ZYG9000/17/35型过渡液压支架。

基本支架外型长6755mm、宽1660～1860mm（中心距1750mm），由顶梁、掩护梁、连杆、底座、挡矸板、侧护板、推溜框架构成，手动片阀操作。初撑力为6412kN（泵站压力31.5MPa），支护工作阻力为9000kN，支护强度为1.05～1.10MPa，单柱活柱直径为340mm（立柱直径为420mm），支架总重约为27t。

三、液压支架压架经过

2021年10月5日，1305-2工作面46号～122号支架顶板在煤壁处切顶断开，压力显现明显，现场立即结束检修，提前开机，采取“割煤让压”的方式避开工作面压力，防止支架受压严重，造成过机高度不够。5日11时45分，工作面开机生产，煤机割煤后，后部支架压力持续加大，支架高度持续降低，现场采取挑顶及卧底的方式继续进行割煤，割完一刀煤后，采煤机位于60号往机尾方向割煤，64号～97号支架高度继续降低，支架高度由平均高度2.8m降低至2.2m左右。5日15时40分，60号支架高度已不能过机，此时后部支架持续来压，支架高度进一步降低，降至最低高度为1.8m。为防止压死采煤机，现场决定将采煤机向机头支架高度较高处牵引，此时支架高度已不能正常过机，在拆除采煤机拖缆装置后，5日18时40分将采煤机牵引至机头顶板较稳定处。工作面仍能听到顶板来压的声响，未压死支架仍有下降趋势，于是在支架前梁采取支设单体的方式进行加强支护。最严重地段为70号～92号支架，基本压死，工作面多处液压管路损毁。

四、支架压架原因分析

1.主观原因

（1）矿压技术管理欠缺。关于本区浅埋、薄基岩、厚风积沙这一特殊赋存条件下，煤层开采时的覆岩运动及矿压规律研究总结不够，仅限于矿压观测系统，技术分析指导流于形式。

（2）设备操作管理不规范。从矿压观测数据分析可知，由于部分支架接顶不严、操作不规范、升架时持续时间过短，导致两立柱受力偏差过大，未充分发挥出支架的支撑作用。

（3）支架初撑力管理不到位。现场支架的初撑力没有进行标准管理考核，仅按照不小于24MPa的标准进行认定，泵站压力只有28MPa，工作面支架压力考核、工程质量监督不到位。

（4）基础制度管理不匹配。安全生产技术类的基础制度未及时修编，与现场的管理不匹配。

2.客观原因

（1）工作面顶板压力分析。工作面压架区域位于黄土梁峁底部，两条季节性河流（沙空沟谷）中间，顶板岩石常年受水流冲蚀，岩性较脆，抗剪强度降低。以往在开采过程中，直接顶随采随落。液压支架压架时工作面正通过沙空沟底部100余m，处于周期来压和见方来压期间，同时受谷底重力不均匀影响，顶板来压造成工作面支架压架。

（2）支架设计。如前所述，ZY9000/17/35型掩护式液压支架最大工作阻力为9000kN（初撑力为6412kN）。当直接顶悬臂梁达12.8m以上时，自然状态下作用在支架上的压力大于6411.1kN，而顶板压力显现时，根据动载系数（1.0～1.3）的最大值估算（矿压研究报告最大动载系数为1.31），其压力值远大于自然状态下的压力值，达到9100kN。伪顶随采随落，11.5～12.8m时自然状态下作用在支架上的压力为5994.3～6411.1kN。而当顶板来压时，其压力值远远超过该值。因此，工作面支架初撑受力后，周期来压期间压力值很快就达到安全阀的开启压力值42MPa。

为进一步证实工作阻力是否满足支护需要，对1305-2工作面近期矿压观测数据进行分析。如前所述，当工作面直接悬臂过长达到顶板来压距时（3煤层顶板初次来压步距为32.7m，周期来压步距为11.5～12.8m），作用在支架上的压力部分大于支架安全阀卸载压力42MPa，因此中部支架工作阻力不能完全满足支护需要。

（3）制造缺陷。从支架压死情况可知，支架立柱操作阀的安设位置不合理，支架压死时，易将支架操作阀挤压变形，致使处理困难。同时，支架管路布置不合理，支架压死时易损坏管路，增大了处理的难度。

（4）特殊地质构造原因。工作面地形特殊，谷壑地表、地形起伏落差较大，局部是坡陡。通过对工作面覆岩柱状进行关键层位置判别后发现，虽然基岩内存在5层硬岩层，但由于上覆厚风积沙的载荷传递作用（垂直应力最小为0.9MPa），导致上部硬岩层的破断步距小于下部硬岩层，从而判别出覆岩中仅有一层关键层，为复合单一关键层结构。因此，覆岩中上部各硬岩层与底部硬岩层发生复合同步破断，引起覆岩的全厚切落。当大于支架最大工作阻力时，造成切顶压架事故的发生。

五、支架压死处理方法

支架被压死处理方法有两种：消除支架顶板应力；清除支架底板阻力。现采用消除支架顶板应力方法。

（1）把支架顶梁、前梁上方的大块矸石用风镐或打眼放炮的方式破碎，矸石放下后升起前梁支架，确保采煤机能顺利通过。

（2）对被压死的支架，每架另用一根液压支柱支撑顶梁。

（3）更换损坏的支架配件。

（4）待支架顶梁上方被掏空或震松后，将支架立柱升起，卸去支撑支架顶梁支柱后，再降立柱拉架，最终将支架处理活。

（5）处理支架时，采用由两头往中间顺序进行。放炮处理时一次只处理一架，且必须控制好装药量，防止将支架炸坏；剩下不足5架时按顺序进行处理。

六、预防压架措施

（1）加大对支架初撑力的考核管理。对每架支架都进行考核，支架初撑力由24MPa增加到26MPa，让顶板在采空区断裂，降低关键层破段长度。

（2）加强采煤工作面矿压规律研究。掌握关于本区浅埋薄基岩厚风积沙这一特殊赋存条件下，煤层开采时的覆岩运动及矿压规律。

（3）进行顶板预裂爆破。根据井下揭露的煤层顶板岩性情况，直接顶中砂岩目前位于工作面中部，影响范围约为100m，由此确定具体切顶范围为100m（共57架，施工57个钻孔）。

（4）加强工作面工程质量管理。避免煤壁、支架受力不均，局部压力过大。

（5）建立矿压规律预测预报“日分析”制度。每天定时专人进行分析，预警超标时采取人工断顶卸压、高压水预裂等措施。

（6）采取顶板水力预裂方案。钻孔数量及平面布置为：进风巷孔布置30个，仰角5°，孔深125m；回风巷孔布置30个，仰角5°，孔深125m；孔位布置间距10m，预裂高度控制在11m左右，水压30MPa。

（7）对泵站进行特护管理。对水处理设备全面检查检修，确保备用完好；乳化液浓度、压力按要求达标运行并监督到位。