四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践

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姜福兴1，王同旭2，汪华君2，吴士良2
(1.北京科技大学土木学院，北京100083; 2.山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛266510)

摘要:论文通过理论和实践研究，提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题，是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题，是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例，系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明，论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的，可以在条件相似的矿区推广应用。
关键词:矿山压力;四面采空“孤岛”;岩层空间结构;综采放顶煤;矿压监测
中图分类号:TU 452; TD 325文献标识码:A文章编号:1000-4548(2005)09-1101-04
作者简介:姜福兴((1962-)，男，江苏常州人，1994年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，获博士学位，现为教授，博士生导师。主要研究方向为矿山压力与岩层控制。
1形成四面采空“孤岛”采场的开采与地质条件
    “孤岛”采场一般是指因跳采而留下的上下侧均为采空区的采场(即三面采空)，近年来，因国内大力推广综采放顶煤技术，以及因防水、防冲击地压等原因而留设了大量煤柱，形成了综采放顶煤采场不得不回采上分层停采线附近煤柱或断层、隔离带煤柱的局面，即采场必须回采四面采空的“孤岛”煤柱，否则综放采场将频繁“搬家”。
    随着开采深度的不断增加，以及矿井的日益老化，这类采场将越来越多，采深的增加还使四面采空“孤岛”煤柱中的应力激增，高压煤体潜在的冲击地压和软岩快速变形灾害，已经成为四面采空“孤岛”(以下简称四面“孤岛”)采场安全开采的主要障碍，也是矿压控制的重点和难点[1]

    图1示出了典型四面“孤岛”采场的开采与地质条件。图1(a)表示一个“孤岛”综放采场正向上分层停采线推进，两个采场煤壁之间的煤柱越来越小(形成四面“孤岛”)，而高压煤体中潜在的矿山压力灾害却越来越大;图1 (b)表示上山的一侧已经采空，此时“孤岛”采场向上山推进，煤柱越来越小从而形成四面“孤岛”;图1(c)表示断层一侧已经采空，采场在另一侧向断层推进，最终形成四面“孤岛”。
2四面“孤岛”开采矿压控制的理论与工程问题
2. 1四面“孤岛”开采矿压控制的理论问题
    此类采场最大的安全威胁是:①覆岩运动造成“孤岛”煤柱突然破裂而发生冲击地压;②煤柱逐渐破裂之后快速变形，挤出的煤体封堵两巷;③当煤柱变小和采场推过煤柱后，覆岩结构的突然失稳造成支架的冲击载荷，以及大面积片帮“压死”运输机。
    由此可见，解决此问题的理论难点是:四面“孤岛”采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系[2-3]。
    根据笔者在河南义马和山东兖矿集团的研究结果，决定四面“孤岛”采场矿压显现的主要因素，是环绕“孤岛”煤柱的覆岩多层空间结构的运动，其平面投影如图2 (a)所示。图中的椭圆线表示空间结构的触矸线。该结构与煤柱的作用关系可近似用图2(b), (c)的模型表示。图2 (b)表示煤柱变小时，覆岩多层空间结构与煤柱的作用关系，其中，E表示煤体，P表示覆岩多层空间结构上位岩层的作用力，煤体上方的弧线表示多层空间结构轴力的轨迹线。称之为“中间有支撑”型空间结构。图2 (c)表示煤柱完全采出后覆岩空间结构的状况。此时空间结构已经失去支撑，空间结构的自身平衡能力，决定了采场矿压显现的规律。当煤柱两侧分别为分层开采和放顶煤开采采场时，两侧的空间结构将呈“不等高”状况。

2.2四面“孤岛”开采矿压控制的工程问题
    (1)煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法。
    随采场推进，煤柱越来越小，此时煤柱是以冲击形式还是以快速变形形式破坏，以及如何在工程中准确判定，是保障采场安全的第一个关键工程问题。
    (2)煤柱失稳灾害的控制技术。
    如何针对灾害的形式和程度，采取有效的技术措施控制灾害，是保障采场安全的第二个关键工程问题。具体来讲，就是冲击地压、巷道围岩快速移近和采场煤壁大面积片帮的控制技术。
    (3)其它灾害控制。
    四面“孤岛”形成一段时间后，四周采空区内可能积聚水和瓦斯，尤其是当煤体被压裂后长期处于通风供氧状态，很可能发生煤炭自燃，因此，过煤柱前对这些灾害的探测与预处理，是保障采场安全的第三个关键工程问题。

3四面“孤岛”开采的矿压控制技术
3. 1理论上对四面“孤岛”采场顶板结构运动的基本认识
    由于“孤岛”四周是采空区，且有一面是正在开采的采场，因此，“孤岛”边缘的覆岩中，有常规的直接顶和老顶，分属各自的“边”。老顶之上的岩层则形成了空间结构，以“四周一体”的方式运动。图3是综放采场过分层采场停采线煤柱时的覆岩结构剖面示意图。“



    关于空间结构稳定性分析及其与放出率、岩层几何力学参数的关系，已经另文发表。
3.2四面“孤岛”采场的矿压控制实践
    本节以河南义马煤业集团某综放采场穿越巨厚砾岩下高压煤柱为例，阐述四面“孤岛”开采的矿压控制技术。
    采场的基本条件
    该采场倾斜长度223 m，走向长度1460 m，其中自切眼开始580 m为顶分层未采区，外段880 m为顶分层已采区，工作面上、下侧均为采空区，上下巷均采用留小煤柱沿空掘巷和锚网架联合支护，其中上巷侧煤柱宽度为4-5 m，下巷侧煤柱宽度为6-7 m。煤层平均厚度9.5 m，其中采高2.5 m，顶煤厚7m。倾角平均12°，煤层上的岩层依次为:粗砂岩10.5 m,中砂岩6.76 m、粉砂岩8.41 m、煤线0.04 m、泥岩15.67m、煤线0.52 m、砂岩互层26 m。再往上为多组厚层砾岩。
    采场矿压控制的总体方案
    (1)在理论上预计岩层结构及其运动规律，并预计矿压显现规律[4-6]
    (2)制定矿压监测方案:a)采用钻孔应力计监测煤柱内的应力状态，从而判断和预报煤体是发生冲击破坏还是快速变形，并制定相应的应对措施;b)监测采场支架压力从而监控采场内的安全状况;c)监测顺槽围岩变形规律，从而确定支护方式和加固、翻修的时间、地点和程度。
    (3)制定了水、火、瓦斯的防治预案。
    (4)改变工艺参数以适应岩层运动和压力显现，如:适时降低顶煤回收率和切割高度，减小岩层运动的范围，从而减弱矿压显现程度;改变作业程序，加快推进速度;调整工作面推进方向，人为造成煤壁的“分段来压”;进入煤柱区前，提前调整和维护好采煤机、运输机、转载机、皮带机、泵站等设备，确保快速推进;加强两巷和端头支护，按要求开掘安全通道等。
    实施后取得的主要结果
    (1)煤柱破坏形式的判定
    图4是距离分层采场停采线46 m (#5点)和52m ( #6点)处煤体深部20 m处钻孔应力计的曲线图。由图中可以看出，5月1日起，应力值开始急剧下降，说明煤体开始破裂，此时煤柱的宽度为92 m, #5点和#6点分别距离综放面46 m和40 m。依此可以判定，煤柱将以快速变形的方式破坏。



    (2)依据巷道的变形速度确定翻修的方案
    根据矿压观测结果确定扩修时间间隔，以满足安全生产需要和最少投入为原则。大致规律是:以两帮移近0.7 m为临界值，距离分层采场停采线300 m以外的巷道，扩修间隔为6090 d; 300200 m以内的巷
道为40-60 d; 200m-100 m以内的巷道为30-40 d .100 m以内的巷道则采取构筑安全通道、加强支护等措施保障安全。大部分地段实现了一次扩修到位的目标。
    (3)穿越煤柱地段构筑安全通道
    随着煤柱尺寸的逐渐减小，两巷变形速度将急剧增加并有因煤炮引发煤体突出堵塞巷道的危险。根据矿压观测结果，从煤柱宽度为60 m起，到分层采场停采线，在两巷中构筑安全通道。安全通道尺寸与支护方式为:两巷的安全均设在巷道下邦，通道宽1.0 m,高2.8 m，顶帮均采用锚网并用单体液压支柱配合金属顶梁支护。
    (4)采用快速可靠的加固和封堵材料
    采场临近高压区时，区段小煤柱破裂严重，两个端头压力很大，为了确保安全，选择了注射“马丽散”加固煤体的方案。“马丽散”是一种低粘度、双组分合成高分子一聚亚胺胶脂材料，能很好地渗入细小的裂缝中，有极好的粘合能力和良好的韧性，可与水反应并封闭水流。注浆加固完成后，经受了采煤工作面超前压力的剧烈影响，巷道变形明显减小，转载机顺利通过加固段，施工效果基本达到要求。
上下巷防灭火、防瓦斯工程中，下巷注射了“罗克休”。“罗克休”产品是由两种成分组成的注射产品，用于充填、密闭、防火和加固地层。由于顶煤破碎，普通钻孔存在塌孔问题，所以采用了特制的自带钻头的注浆麻花空心管，顺利解决了塌孔问题，使注浆得以顺利实施。为防止漏浆，在顶板上铺设了彩条布。“罗克休”充填后，破碎顶煤得到加固，为补打锚杆创造了条件，其综合效果使得巷道变形明显减小，维护状况得到明显改善。充填后，且直到回采结束，试验段巷道没有出现自然发火征兆。试验基本达到预期目标。
    通过上述综合技术方案，采场安全采过了高压煤柱。
4结论
    (1)四面采空“孤岛”采场越来越成为深部和老矿井的重大安全隐患，专题研究这类采场的矿压控制问题具有重要的理论和实用价值，提出了三种典型的四面采空“孤岛”的开采地质条件。
    (2)将四面采空“孤岛”采场覆岩视为多层空间结构，有助于正确认识岩层运动规律及其与采动应力场的关系，在理论上作出合理的分析。
    (3)制定并实施了采场矿压控制的总体方案，通过钻孔应力计监测煤柱内的应力状态，从而实现了煤体破坏形式的判断，并制定相应的应对措施;通过监测采场支架压力从而实现了监控采场内的顶板安全状况;通过监测顺槽围岩变形规律，实现了顺槽围岩支护方式和加固、翻修等的科学决策。
    (4)采用新材料进行煤体的加固和封堵，是防治灾害的有效手段。
    衷心感谢河南省义马煤业集团以及常村矿课题组的大力支持和良好合作!
参考文献:
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[5]陆明心，郝海金，吴健，综放开采上位岩层的平衡结构及其对采场矿压显现的影响[J]煤炭学报，2002, (6):591-595
[6]钱鸣高，缪协兴，等岩层控制的关键层理论[M]徐州:中国矿业大学出版社，2000.

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