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(cè)12405 工作面已回采完畢，東側(cè)12403 工作面為備用回采面，北側(cè)靠近盤區(qū)軌道大巷，南側(cè)為井田邊界。12403 工作面上面為采空區(qū)。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(zhuǎn)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(zhì)及礦壓數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)這部分支架掩護梁處出現(xiàn)了不同程度的裂紋現(xiàn)象，立柱下縮量最大達到450 mm，工作面機尾處出現(xiàn)壓架現(xiàn)象。

2 大采高工作面發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)，見表1.

表1 支架工作阻力數(shù)據(jù)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(tài)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(chǎn)生不同程度的裂紋。通過分析可知，該回采工作面發(fā)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(nèi)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(tài)，工作面頂板在這段時間也出現(xiàn)了顯著的下沉，液壓支架的可伸縮量持續(xù)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(guān)鍵零部件長時間處于疲勞運行狀態(tài)，發(fā)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(xiàn)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(xù)增大，造成液壓支架發(fā)生壓潰事故。其中，安全閥的工作過程如下:在工作面通過構(gòu)造、斜切眼、收尾時，隨著礦壓的持續(xù)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(guān)閉狀態(tài)。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(xiàn)支架泄壓現(xiàn)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(tài)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(tài)，特別是當其載荷超過額定載荷時，會產(chǎn)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(guī)則、材質(zhì)均勻時，掩護梁的拉應力、剪應力與采空區(qū)垮落頂板對掩護梁作用力成正比例關(guān)系，與掩護梁沿垂直方向的夾角β 成正比例關(guān)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(tài)下運行，這種運行狀態(tài)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(chǎn)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(fā)生剪切破壞而產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象［4］.2)回采工作面采高降低，支架受到的合力作用點發(fā)生前移，支架的切頂力降低，從而導致直接頂或基本頂?shù)目迓洳骄嘧冮L，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(jù)回采工作面的地質(zhì)條件，特別是頂?shù)装?、煤層厚度、礦壓觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)地質(zhì)構(gòu)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(shù)據(jù)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(qū)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(jié) 論

1)工作面在遇到構(gòu)造、斜切眼等區(qū)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(tài)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(fā)生剪切破壞。

2)今后要根據(jù)工作面的地質(zhì)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(zhì)觀測及預測預報工作，加快在地質(zhì)構(gòu)造、斜切眼等區(qū)域時的推進速度，從而避免大采高工作面壓架事故的發(fā)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(jiān)測監(jiān)控技術(shù)［J］.煤炭科學技術(shù)，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(xiàn)關(guān)系研究［J］.煤炭科學技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(qū)長壁采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與支架選型［J］.煤炭科學技術(shù)，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(fā)生條件及防治研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學，2012.