四面采空“孤島”綜放采場礦壓控制的研究與實踐

姜福興1，王同旭2，汪華君2，吳士良2
(1.北京科技大學土木學院，北京100083; 2.山東科技大學資源與環境工程學院，山東青島266510)

摘要:論文通過理論和實踐研究，提出了四面采空“孤島”采場的頂板結構和相關礦壓控制技術。此類采場礦壓控制的理論問題，是采場覆巖的多層空間結構運動及其與采動應力場的關系;其工程問題，是煤柱失穩造成的災害形式及其判定方法、煤柱失穩的災害的控制技術以及水、火和瓦斯的控制問題。論文通過河南義馬煤業集團的實例，系統介紹了災害監測技術和控制方法。開采結果表明，論文中提出的對巖層結構的認識和采取的控制技術是正確的，可以在條件相似的礦區推廣應用。
關鍵詞:礦山壓力;四面采空“孤島”;巖層空間結構;綜采放頂煤;礦壓監測
中圖分類號:TU 452; TD 325文獻標識碼:A文章編號:1000-4548(2005)09-1101-04
作者簡介:姜福興((1962-)，男，江蘇常州人，1994年畢業于中國礦業大學采礦工程專業，獲博士學位，現為教授，博士生導師。主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。
1形成四面采空“孤島”采場的開采與地質條件
“孤島”采場一般是指因跳采而留下的上下側均為采空區的采場(即三面采空)，近年來，因國內大力推廣綜采放頂煤技術，以及因防水、防沖擊地壓等原因而留設了大量煤柱，形成了綜采放頂煤采場不得不回采上分層停采線附近煤柱或斷層、隔離帶煤柱的局面，即采場必須回采四面采空的“孤島”煤柱，否則綜放采場將頻繁“搬家”。
隨著開采深度的不斷增加，以及礦井的日益老化，這類采場將越來越多，采深的增加還使四面采空“孤島”煤柱中的應力激增，高壓煤體潛在的沖擊地壓和軟巖快速變形災害，已經成為四面采空“孤島”(以下簡稱四面“孤島”)采場安全開采的主要障礙，也是礦壓控制的重點和難點[1]

圖1示出了典型四面“孤島”采場的開采與地質條件。圖1(a)表示一個“孤島”綜放采場正向上分層停采線推進，兩個采場煤壁之間的煤柱越來越小(形成四面“孤島”)，而高壓煤體中潛在的礦山壓力災害卻越來越大;圖1 (b)表示上山的一側已經采空，此時“孤島”采場向上山推進，煤柱越來越小從而形成四面“孤島”;圖1(c)表示斷層一側已經采空，采場在另一側向斷層推進，最終形成四面“孤島”。
2四面“孤島”開采礦壓控制的理論與工程問題
2. 1四面“孤島”開采礦壓控制的理論問題
此類采場最大的安全威脅是:①覆巖運動造成“孤島”煤柱突然破裂而發生沖擊地壓;②煤柱逐漸破裂之后快速變形，擠出的煤體封堵兩巷;③當煤柱變小和采場推過煤柱后，覆巖結構的突然失穩造成支架的沖擊載荷，以及大面積片幫“壓死”運輸機。
由此可見，解決此問題的理論難點是:四面“孤島”采場覆巖的多層空間結構運動及其與采動應力場的關系[2-3]。
根據筆者在河南義馬和山東兗礦集團的研究結果，決定四面“孤島”采場礦壓顯現的主要因素，是環繞“孤島”煤柱的覆巖多層空間結構的運動，其平面投影如圖2 (a)所示。圖中的橢圓線表示空間結構的觸矸線。該結構與煤柱的作用關系可近似用圖2(b), (c)的模型表示。圖2 (b)表示煤柱變小時，覆巖多層空間結構與煤柱的作用關系，其中，E表示煤體，P表示覆巖多層空間結構上位巖層的作用力，煤體上方的弧線表示多層空間結構軸力的軌跡線。稱之為“中間有支撐”型空間結構。圖2 (c)表示煤柱完全采出后覆巖空間結構的狀況。此時空間結構已經失去支撐，空間結構的自身平衡能力，決定了采場礦壓顯現的規律。當煤柱兩側分別為分層開采和放頂煤開采采場時，兩側的空間結構將呈“不等高”狀況。

2.2四面“孤島”開采礦壓控制的工程問題
(1)煤柱失穩造成的災害形式及其判定方法。
隨采場推進，煤柱越來越小，此時煤柱是以沖擊形式還是以快速變形形式破壞，以及如何在工程中準確判定，是保障采場安全的第一個關鍵工程問題。
(2)煤柱失穩災害的控制技術。
如何針對災害的形式和程度，采取有效的技術措施控制災害，是保障采場安全的第二個關鍵工程問題。具體來講，就是沖擊地壓、巷道圍巖快速移近和采場煤壁大面積片幫的控制技術。
(3)其它災害控制。
四面“孤島”形成一段時間后，四周采空區內可能積聚水和瓦斯，尤其是當煤體被壓裂后長期處于通風供氧狀態，很可能發生煤炭自燃，因此，過煤柱前對這些災害的探測與預處理，是保障采場安全的第三個關鍵工程問題。

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