孤島地形對工作面礦壓影響的研究

孔彪

摘 要：隨著礦井產(chǎn)量的增加，采區(qū)開發(fā)強(qiáng)度的加大，以及在邊殘采區(qū)的收縮中，跳采采序的使用有增加的趨勢，甚至在有的新井設(shè)計中也開始使用，因此，研究孤島（煤柱）工作面的礦壓特征有較大的理論與現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：孤島工作面；礦壓顯現(xiàn)；煤柱

中圖分類號：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0139-03

1 引言

孤島（煤柱）工作面是指這個工作面的回采工作是在上、下側(cè)面甚至停采線一側(cè)皆已采空的條件下進(jìn)行的。當(dāng)工作面長度較大（一般大于80m）稱之為孤島工作面； 這種工作面一般比較正規(guī)，工作面長度較大較整齊。在煤礦生產(chǎn)中幾乎各礦都有。煤礦生產(chǎn)中，由跳采采序形成的孤島工作面是最常見的一種情況。這種跳采程序多用于采區(qū)強(qiáng)度大，采掘接續(xù)緊張，開采煤層自燃發(fā)火期短，處于要盡快收縮的邊殘采區(qū)及開采向斜盆地煤層水文條件復(fù)雜等條件下。

2 孤島工作面上覆巖層運(yùn)動的特點

壓力分布規(guī)律。以跳采采序形成的孤島工作面為例。其上覆巖層運(yùn)動的特點相對正常工作面來說，主要是它既有工作面沿推進(jìn)方向的覆巖運(yùn)動，又有兩側(cè)已采鄰面沿垂直推進(jìn)方向的運(yùn)動。通過現(xiàn)場試驗研究可以看到：由于受相鄰采區(qū)一次采動的影響，孤島工作面的礦壓顯現(xiàn)及老頂?shù)倪\(yùn)動規(guī)律往往是分階段的。上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律決定著礦山壓力的顯現(xiàn)程度。孤島工作面如果發(fā)生大面積的頂板事故，與其相鄰采動工作面的老頂運(yùn)動及上覆巖層交替重復(fù)運(yùn)動密切相關(guān)。因此，對孤島面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及常見事故的分析，必須從孤島面易于產(chǎn)生支承壓力的高度集中（迭加）以及孤島面煤柱支承條件及其變化這兩個方面進(jìn)行綜合分析。

和以往綜采面礦壓觀測資料相比，孤島工作面支承壓力的分布呈現(xiàn)端頭處工作阻力較高，中段次之，且端頭處周期來壓不明顯。主要原因為“孤島”工作面受相鄰采空區(qū)影響，頂板巖石完整性較差，使其破碎、裂隙及斷裂，不能起到巖梁作用再加上工作面采動影響與相鄰采空區(qū)殘余應(yīng)力相互疊加，端頭處頂板經(jīng)常處于高壓期，而孤島面中部往往壓力相對較小，周期來壓也相對較明顯。

孤島面的煤柱由于受采動及相鄰采空區(qū)殘余應(yīng)力雙重影響，壓力顯現(xiàn)非常明顯，煤柱發(fā)生嚴(yán)重的片幫、破碎等現(xiàn)象。煤柱壓力分布如圖1所示。

圖1表明，工作面兩順槽煤柱留設(shè)越小，兩側(cè)所承受的最大支撐力越大，礦壓顯現(xiàn)越明顯。當(dāng)煤柱不足以支撐壓力時，支撐力將沿煤體向煤柱中心核心部分移動，且煤柱寬度愈小，這種從兩側(cè)向中部轉(zhuǎn)移的速度和幅度愈大。煤柱內(nèi)應(yīng)力集中的系數(shù)也將愈來愈高。在礦井的實際生產(chǎn)作業(yè)時，當(dāng)煤柱寬度減少到接近或小于煤柱開采以前可能出現(xiàn)的兩側(cè)塑性區(qū)的寬度之和時（大約8～20m），則煤柱內(nèi)將無穩(wěn)定的核區(qū)存在。因此，大寬度煤柱的弧島工作面安全狀況為好。

“孤島”工作面，回采巷道受采動及相鄰采空區(qū)殘余應(yīng)力雙重影響，兩巷壓力顯現(xiàn)明顯，圍巖變形速度較大。特別是某個區(qū)段內(nèi)圍巖變形嚴(yán)重，因此該而兩巷超前支護(hù)必須有一個合理的距離。

3 孤島工作面礦壓顯現(xiàn)

孤島工作面礦壓規(guī)律主要由工作面的礦壓宏觀顯現(xiàn)的特征進(jìn)行體現(xiàn)，孤島面區(qū)別于其它綜采面的的礦壓顯現(xiàn)及礦壓規(guī)律主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

3.1 沖擊礦壓（煤爆）

3.1.1 沖擊地壓影響因素分析

（1）隨著開采深度的增加，煤層中的自重應(yīng)力隨之增加，煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加。

（2）在一定的圍巖與壓力條件下，任何煤層中的巷道或工作面均有可能發(fā)生沖擊地壓。沖擊傾向受煤的強(qiáng)度、埋深及上覆巖層的影響，強(qiáng)度越高，傾向性越大，引發(fā)沖擊礦壓所要求的應(yīng)力越小，越容易發(fā)生沖擊礦壓。

（3）決定沖擊地壓發(fā)生的另外一個重要因素就是頂板巖層結(jié)構(gòu)當(dāng)工作面上方存在堅硬的厚層砂巖頂板。在工作面采動過程中，由于上覆堅硬巖層容易聚積大量的彈性能，其在破斷或滑移的過程中，大量的彈性能突然釋放，對工作面形成強(qiáng)烈震動，導(dǎo)致頂板煤層型（沖擊壓力型）沖擊礦壓或頂板型（沖擊型）沖擊礦壓發(fā)生。

（4）煤系地層的動力運(yùn)動形成的斷層、皺曲等地質(zhì)構(gòu)造對煤礦沖擊地壓的發(fā)生有較大的影響實踐證明，沖擊地壓經(jīng)常發(fā)生在向斜軸部，特別是構(gòu)造變化區(qū)、斷層附近、煤層傾角變化帶、煤層皺曲、構(gòu)造應(yīng)力帶。

3.1.2 發(fā)生機(jī)理

沖擊地壓事故在孤島（煤柱）工作面發(fā)生的概率很高。由于“煤爆”現(xiàn)象的機(jī)理非常的復(fù)雜，根據(jù)理論結(jié)合實踐，將煤礦的沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理簡單的劃分為三個維度，建立數(shù)學(xué)模型：即強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則、和沖擊傾向度準(zhǔn)則約束組。煤礦沖擊地壓發(fā)生的充分必要條件為三個維度相疊加，共同作用。產(chǎn)生煤礦沖擊礦壓的根本原因，在一般條件下，是在“靜壓”（開采壓力）作用下礦體—圍巖力學(xué)系統(tǒng)靜壓力平衡條件的破壞，巖層與每層間的平衡被打破，存在于礦體圍巖上覆系統(tǒng)內(nèi)部的變形能突然釋放，形成沖擊地壓。

通過對孤島工作面上覆巖層運(yùn)動及支承壓力分布的特點綜合分析得出，孤島工作面容易形成靠采空區(qū)一側(cè)的壓力迭加現(xiàn)象。當(dāng)孤島工作面煤體上支承壓力的迭加區(qū)（壓力高峰值區(qū)）恰在彈塑性煤體交界處靠彈性體一側(cè)，且煤礦沖擊地壓的誘發(fā)因素之一即孤島面四周各側(cè)內(nèi)應(yīng)力場的老頂來壓較為頻繁，呈多發(fā)之勢。故產(chǎn)生壓力沖擊的三個準(zhǔn)則只要煤體本身符合沖擊傾向度準(zhǔn)則，采深又達(dá)到該工作面產(chǎn)生礦山?jīng)_擊的臨界深度后，在孤島面發(fā)生煤爆等礦山事故的可能性、危害性將比正常工作面大的多。

3.1.3 控制措施

（1）避免形成孤島工作面。礦井在接續(xù)規(guī)劃時，應(yīng)盡量將井田邊界、盤區(qū)設(shè)計考慮詳細(xì)，避免孤島工作面的形成。特別是當(dāng)煤層存在沖擊傾向，且采深達(dá)到了一定的程度（可用類比法、計算法或巷道掘進(jìn)中的直觀顯現(xiàn)綜合得出），應(yīng)盡量避免形成孤島工作面；如已形成，開采前應(yīng)詳細(xì)化驗所采煤層的沖擊頃向，形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕夭煽尚行匝芯浚苑腊l(fā)生礦山?jīng)_擊事故。endprint

（2）卸壓爆破。孤島工作面沖擊地壓危險性監(jiān)測預(yù)報與控制主要從分析工作面生產(chǎn)技術(shù)條件出發(fā)，分析工作面周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)。在沖擊危險性高的區(qū)域和地段，采用卸壓爆破的方式，對危險區(qū)域進(jìn)行解危，如果沖擊危險己降低，則可進(jìn)行正常生產(chǎn)；如果沖擊危險性沒有降低，則需進(jìn)一步采取措施，待危險性降低后，方可進(jìn)行正常作業(yè)。孤島面沖擊地壓危險性檢測預(yù)報及控制方案見圖2。

3.2 大冒頂和老頂突然來壓

3.2.1 發(fā)生機(jī)理

大面積冒頂和頂板突然來壓，主要是巖層在自重作用下的位能在較短時間內(nèi)向動能轉(zhuǎn)化的一種動力過程。其發(fā)生的地點，主要在孤島面四周已采側(cè)形成的內(nèi)應(yīng)力場范圍。除了推進(jìn)方向的應(yīng)力場，老頂有規(guī)律的斷裂與運(yùn)動外，工作面兩側(cè)所形成的內(nèi)應(yīng)力場的老頂活動往往具有突然性，容易造成頂板事故。即當(dāng)采空區(qū)內(nèi)遺留有煤柱，采空區(qū)內(nèi)冒落不充分，以及已采側(cè)存在懸頂?shù)葪l件下，往往發(fā)生這種突然的頂板活動。實踐證明，在回采作業(yè)時，如果嚴(yán)格探測采空區(qū)頂板冒落、煤柱應(yīng)力分布，將實際情況記錄標(biāo)注在回采報告中，根據(jù)需要采取頂板來壓預(yù)測預(yù)報等手段，就能幫助掌握可能“來壓”的時間、地點，從而消除或減輕突然來壓的威脅。

3.2.2 控制措施

通過現(xiàn)場實踐及理論研究表明，確保孤島工作面安全生產(chǎn)開采條件之一，就是進(jìn)行采場來壓預(yù)測預(yù)報的礦壓觀測。此舉能夠有效應(yīng)對大面積冒頂及老頂突然來壓。因此，孤島工作面的回采，應(yīng)嚴(yán)格做好“來壓”預(yù)測預(yù)報工作。

4 結(jié)語

“孤島”工作面受相鄰采空區(qū)影響，頂板巖石完整性較差，不能起到巖梁作用，再加上工作面采動影響與相鄰采空區(qū)殘余應(yīng)力相互疊加，端頭處頂板經(jīng)常處于高壓期，而孤島面中部往往壓力相對較小，周期來壓也相對較明顯。孤島煤柱的變形從兩側(cè)向中部轉(zhuǎn)移。煤柱內(nèi)應(yīng)力集中的系數(shù)高。因此，回采巷道在采動及相鄰采空區(qū)殘余應(yīng)力雙重影響下，圍巖變形速度較大。

（1）加強(qiáng)巷道支護(hù)。孤島工作面軌道順槽和運(yùn)輸順槽處于兩側(cè)采動影響下，掘進(jìn)和回采期間圍巖相對破碎，頂煤頂板應(yīng)力集中。巷道支護(hù)效果是決定工作面快速推進(jìn)的主要因素之一。為了有效減輕巷道變形量，掘進(jìn)期間要加強(qiáng)對頂板的支護(hù)，如加強(qiáng)頂板錨索數(shù)量和密度。做好超前支護(hù)，工作面回采時，梁順槽超前支護(hù)應(yīng)在相應(yīng)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)，單體穿鞋帶帽，加大支護(hù)力度。

（2）預(yù)防沖擊地壓。孤島工作面周圍已開采側(cè)支承壓力迭加現(xiàn)象嚴(yán)重。孤島煤體上支承壓力的迭加區(qū)（壓力高峰值區(qū)）恰在彈塑性煤體交界處靠彈性體一側(cè)，容易誘發(fā)礦山?jīng)_擊和老頂突然運(yùn)動等運(yùn)力現(xiàn)象。孤島工作面煤體具有最大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是緊鄰較大采空面積的軌道順槽工作面端頭出口附近，是工作面生產(chǎn)過程中要注意的重點部位，要預(yù)防沖擊地壓發(fā)生和頂煤頂板破壞。

（3）礦壓顯現(xiàn)預(yù)測及其控制。直接頂初次來壓時礦壓顯現(xiàn)明顯，煤壁片幫，頂板伴有垮落聲，頂板初次垮落時支架工作阻力較大，端頭支架工作阻力稍大。老頂初次來壓時支架工作阻力明顯增大，并伴有煤壁片幫，頂板下沉，礦壓顯現(xiàn)劇烈。須采取提高初撐力，加快推進(jìn)速度，及時控制煤壁片幫和頂煤冒落等措施，以保證控頂安全，確定支架實現(xiàn)初壓穩(wěn)定，動作到位，操作快捷。

綜上所述，孤島工作面開采過程中，雖然頂板運(yùn)動及煤體應(yīng)力分布等與非孤島工作面開采有明顯的區(qū)別，但只要在工作面開采前對巖層運(yùn)動和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律心中有數(shù)，采用綜采支架作為控頂?shù)闹饕侄?，并采取針對性的頂板控制措施，一定可以實現(xiàn)對孤島開采巖層運(yùn)動的有效控制，保證工作面的安全和高效開采。

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