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姜福興1，王同旭2，汪華君2，吳士良2

(1.北京科技大學(xué)土木學(xué)院，北京100083;2.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)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(jié)構(gòu)和相關(guān)礦壓控制技術(shù)。此類采場礦壓控制的理論問題，是采場覆巖的多層空間結(jié)構(gòu)運動及其與采動應(yīng)力場的關(guān)系;其工程問題，是煤柱失穩(wěn)造成的災(zāi)害形式及其判定方法、煤柱失穩(wěn)的災(zāi)害的控制技術(shù)以及水、火和瓦斯的控制問題。論文通過河南義馬煤業(yè)集團(tuán)的實例，系統(tǒng)介紹了災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)和控制方法。開采結(jié)果表明，論文中提出的對巖層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和采取的控制技術(shù)是正確的，可以在條件相似的礦區(qū)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:礦山壓力;四面采空“孤島”;巖層空間結(jié)構(gòu);綜采放頂煤;礦壓監(jiān)測

中圖分類號:TU452;TD325文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)為教授，博士生導(dǎo)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(zhì)條件

“孤島”采場一般是指因跳采而留下的上下側(cè)均為采空區(qū)的采場(即三面采空)，近年來，因國內(nèi)大力推廣綜采放頂煤技術(shù)，以及因防水、防沖擊地壓等原因而留設(shè)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(yīng)力激增，高壓煤體潛在的沖擊地壓和軟巖快速變形災(zāi)害，已經(jīng)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]

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圖1示出了典型四面“孤島”采場的開采與地質(zhì)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(jìn)，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(zāi)害卻越來越大;圖1(b)表示上山的一側(cè)已經(jīng)采空，此時“孤島”采場向上山推進(jìn)，煤柱越來越小從而形成四面“孤島”;圖1(c)表示斷層一側(cè)已經(jīng)采空，采場在另一側(cè)向斷層推進(jìn)，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(fā)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(dāng)煤柱變小和采場推過煤柱后，覆巖結(jié)構(gòu)的突然失穩(wěn)造成支架的沖擊載荷，以及大面積片幫“壓死”運輸機(jī)。

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(jié)構(gòu)運動及其與采動應(yīng)力場的關(guān)系[2-3]。

根據(jù)筆者在河南義馬和山東兗礦集團(tuán)的研究結(jié)果，決定四面“孤島”采場礦壓顯現(xiàn)的主要因素，是環(huán)繞“孤島”煤柱的覆巖多層空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的觸矸線。該結(jié)構(gòu)與煤柱的作用關(guān)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(jié)構(gòu)與煤柱的作用關(guān)系，其中，E表示煤體，P表示覆巖多層空間結(jié)構(gòu)上位巖層的作用力，煤體上方的弧線表示多層空間結(jié)構(gòu)軸力的軌跡線。稱之為“中間有支撐”型空間結(jié)構(gòu)。圖2(c)表示煤柱完全采出后覆巖空間結(jié)構(gòu)的狀況。此時空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去支撐，空間結(jié)構(gòu)的自身平衡能力，決定了采場礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。當(dāng)煤柱兩側(cè)分別為分層開采和放頂煤開采采場時，兩側(cè)的空間結(jié)構(gòu)將呈“不等高”狀況。

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2.2四面“孤島”開采礦壓控制的工程問題

(1)煤柱失穩(wěn)造成的災(zāi)害形式及其判定方法。

隨采場推進(jìn)，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(zhǔn)確判定，是保障采場安全的第一個關(guān)鍵工程問題。

(2)煤柱失穩(wěn)災(zāi)害的控制技術(shù)。

如何針對災(zāi)害的形式和程度，采取有效的技術(shù)措施控制災(zāi)害，是保障采場安全的第二個關(guān)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(shù)。

(3)其它災(zāi)害控制。

四面“孤島”形成一段時間后，四周采空區(qū)內(nèi)可能積聚水和瓦斯，尤其是當(dāng)煤體被壓裂后長期處于通風(fēng)供氧狀態(tài)，很可能發(fā)生煤炭自燃，因此，過煤柱前對這些災(zāi)害的探測與預(yù)處理，是保障采場安全的第三個關(guān)鍵工程問題。

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