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。

3四面“孤島”開采的礦壓控制技術
3. 1理論上對四面“孤島”采場頂板結構運動的基本認識
    由于“孤島”四周是采空區，且有一面是正在開采的采場，因此，“孤島”邊緣的覆巖中，有常規的直接頂和老頂，分屬各自的“邊”。老頂之上的巖層則形成了空間結構，以“四周一體”的方式運動。圖3是綜放采場過分層采場停采線煤柱時的覆巖結構剖面示意圖。“



    關于空間結構穩定性分析及其與放出率、巖層幾何力學參數的關系，已經另文發表。
3.2四面“孤島”采場的礦壓控制實踐
    本節以河南義馬煤業集團某綜放采場穿越巨厚礫巖下高壓煤柱為例，闡述四面“孤島”開采的礦壓控制技術。
    采場的基本條件
    該采場傾斜長度223 m，走向長度1460 m，其中自切眼開始580 m為頂分層未采區，外段880 m為頂分層已采區，工作面上、下側均為采空區，上下巷均采用留小煤柱沿空掘巷和錨網架聯合支護，其中上巷側煤柱寬度為4-5 m，下巷側煤柱寬度為6-7 m。煤層平均厚度9.5 m，其中采高2.5 m，頂煤厚7m。傾角平均12°，煤層上的巖層依次為:粗砂巖10.5 m,中砂巖6.76 m、粉砂巖8.41 m、煤線0.04 m、泥巖15.67m、煤線0.52 m、砂巖互層26 m。再往上為多組厚層礫巖。
    采場礦壓控制的總體方案
    (1)在理論上預計巖層結構及其運動規律，并預計礦壓顯現規律[4-6]
    (2)制定礦壓監測方案:a)采用鉆孔應力計監測煤柱內的應力狀態，從而判斷和預報煤體是發生沖擊破壞還是快速變形，并制定相應的應對措施;b)監測采場支架壓力從而監控采場內的安全狀況;c)監測順槽圍巖變形規律，從而確定支護方式和加固、翻修的時間、地點和程度。
    (3)制定了水、火、瓦斯的防治預案。
    (4)改變工藝參數以適應巖層運動和壓力顯現，如:適時降低頂煤回收率和切割高度，減小巖層運動的范圍，從而減弱礦壓顯現程度;改變作業程序，加快推進速度;調整工作面推進方向，人為造成煤壁的“分段來壓”;進入煤柱區前，提前調整和維護好采煤機、運輸機、轉載機、皮帶機、泵站等設備，確保快速推進;加強兩巷和端頭支護，按要求開掘安全通道等。
    實施后取得的主要結果
    (1)煤柱破壞形式的判定
    圖4是距離分層采場停采線46 m (#5點)和52m ( #6點)處煤體深部20 m處鉆孔應力計的曲線圖。由圖中可以看出，5月1日起，應力值開始急劇下降，說明煤體開始破裂，此時煤柱的寬度為92 m, #5點和#6點分別距離綜放面46 m和40 m。依此可以判定，煤柱將以快速變形的方式破壞。



    (2)依據巷道的變形速度確定翻修的方案
    根據礦壓觀測結果確定擴修時間間隔，以滿足安全生產需要和最少投入為原則。大致規律是:以兩幫移近0.7 m為臨界值，距離分層采場停采線300 m以外的巷道，擴修間隔為6090 d; 300200 m以內的巷
道為40-60 d; 200m-100 m以內的巷道為30-40 d .100 m以內的巷道則采取構筑安全通道、加強支護等措施保障安全。大部分地段實現了一次擴修到位的目標。
    (3)穿越煤柱地段構筑安全通道
    隨著煤柱尺寸的逐漸減小，兩巷變形速度將急劇增加并有因煤炮引發煤體突出堵塞巷道的危險。根據礦壓觀測結果，從煤柱寬度為60 m起，到分層采場停采線，在兩巷中構筑安全通道。安全通道尺寸與支護方式為:兩巷的安全均設在巷道下邦，通道寬1.0 m,高2.8 m，頂幫均采用錨網并用單體液壓支柱配合金屬頂梁支護。
    (4)采用快速可靠的加固和封堵材料
    采場臨近高壓區時，區段小煤柱破裂嚴重，兩個端頭壓力很大，為了確保安全，選擇了注射“馬麗散”加固煤體的方案。“馬麗散”是一種低粘度、雙組分合成高分子一聚亞胺膠脂材料，能很好地滲入細小的裂縫中，有極好的粘合能力和良好的韌性，可與水反應并封閉水流。注漿加固完成后，經受了采煤工作面超前壓力的劇烈影響，巷道變形明顯減小，轉載機順利通過加固段，施工效果基本達到要求。
上下巷防滅火、防瓦斯工程中，下巷注射了“羅克休”。“羅克休”產品是由兩種成分組成的注射產品，用于充填、密閉、防火和加固地層。由于頂煤破碎，普通鉆孔存在塌孔問題，所以采用了特制的自帶鉆頭的注漿麻花空心管，順利解決了塌孔問題，使注漿得以順利實施。為防止漏漿，在頂板上鋪設了彩條布。“羅克休”充填后，破碎頂煤得到加固，為補打錨桿創造了條件，其綜合效果使得巷道變形明顯減小，維護狀況得到明顯改善。充填后，且直到回采結束，試驗段巷道沒有出現自然發火征兆。試驗基本達到預期目標。
    通過上述綜合技術方案，采場安全采過了高壓煤柱。
4結論
    (1)四面采空“孤島”采場越來越成為深部和老礦井的重大安全隱患，專題研究這類采場的礦壓控制問題具有重要的理論和實用價值，提出了三種典型的四面采空“孤島”的開采地質條件。
    (2)將四面采空“孤島”采場覆巖視為多層空間結構，有助于正確認識巖層運動規律及其與采動應力場的關系，在理論上作出合理的分析。
    (3)制定并實施了采場礦壓控制的總體方案，通過鉆孔應力計監測煤柱內的應力狀態，從而實現了煤體破壞形式的判斷，并制定相應的應對措施;通過監測采場支架壓力從而實現了監控采場內的頂板安全狀況;通過監測順槽圍巖變形規律，實現了順槽圍巖支護方式和加固、翻修等的科學決策。
    (4)采用新材料進行煤體的加固和封堵，是防治災害的有效手段。
    衷心感謝河南省義馬煤業集團以及常村礦課題組的大力支持和良好合作!
參考文獻:
[1]賈民，齊方躍，彭擔任綜放“孤島”開采工作面兩巷礦壓顯現[J]礦山壓力與頂板管理，2004,21(3):29一31
[2]姜福興，XUN LUO，楊淑華采場覆巖空間破裂與采動應力場的微震探測研究[J]巖土工程學報，2003,25(1):23一25
[3]姜福興，楊淑華，XUN LUO微地震監測揭示的采場圍巖空間破裂形態[J]煤炭學報，2003,28(4):357一360
[4]張頂立，王悅漢綜采放頂煤工作面巖層結構分析[[J]中國礦業大學學報，1998,(4):340一343
[5]陸明心，郝海金，吳健，綜放開采上位巖層的平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響[J]煤炭學報，2002, (6):591-595
[6]錢鳴高，繆協興，等巖層控制的關鍵層理論[M]徐州:中國礦業大學出版社，2000.