孤島地形對工作面礦壓影響的研究

孔彪

摘 要：隨著礦井產量的增加，采區開發強度的加大，以及在邊殘采區的收縮中，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實意義。

關鍵詞：孤島工作面；礦壓顯現；煤柱

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：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、下側面甚至停采線一側皆已采空的條件下進行的。當工作面長度較大（一般大于80m）稱之為孤島工作面； 這種工作面一般比較正規，工作面長度較大較整齊。在煤礦生產中幾乎各礦都有。煤礦生產中，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強度大，采掘接續緊張，開采煤層自燃發火期短，處于要盡快收縮的邊殘采區及開采向斜盆地煤層水文條件復雜等條件下。

2 孤島工作面上覆巖層運動的特點

壓力分布規律。以跳采采序形成的孤島工作面為例。其上覆巖層運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方向的覆巖運動，又有兩側已采鄰面沿垂直推進方向的運動。通過現場試驗研究可以看到：由于受相鄰采區一次采動的影響，孤島工作面的礦壓顯現及老頂的運動規律往往是分階段的。上覆巖層的運動規律決定著礦山壓力的顯現程度。孤島工作面如果發生大面積的頂板事故，與其相鄰采動工作面的老頂運動及上覆巖層交替重復運動密切相關。因此，對孤島面礦壓顯現規律及常見事故的分析，必須從孤島面易于產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殘余應力相互疊加，端頭處頂板經常處于高壓期，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殘余應力雙重影響，壓力顯現非常明顯，煤柱發生嚴重的片幫、破碎等現象。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越小，兩側所承受的最大支撐力越大，礦壓顯現越明顯。當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，這種從兩側向中部轉移的速度和幅度愈大。煤柱內應力集中的系數也將愈來愈高。在礦井的實際生產作業時，當煤柱寬度減少到接近或小于煤柱開采以前可能出現的兩側塑性區的寬度之和時（大約8～20m），則煤柱內將無穩定的核區存在。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殘余應力雙重影響，兩巷壓力顯現明顯，圍巖變形速度較大。特別是某個區段內圍巖變形嚴重，因此該而兩巷超前支護必須有一個合理的距離。

3 孤島工作面礦壓顯現

孤島工作面礦壓規律主要由工作面的礦壓宏觀顯現的特征進行體現，孤島面區別于其它綜采面的的礦壓顯現及礦壓規律主要表現在以下兩個方面。

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生沖擊地壓。沖擊傾向受煤的強度、埋深及上覆巖層的影響，強度越高，傾向性越大，引發沖擊礦壓所要求的應力越小，越容易發生沖擊礦壓。

（3）決定沖擊地壓發生的另外一個重要因素就是頂板巖層結構當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，對工作面形成強烈震動，導致頂板煤層型（沖擊壓力型）沖擊礦壓或頂板型（沖擊型）沖擊礦壓發生。

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

3.1.2 發生機理

沖擊地壓事故在孤島（煤柱）工作面發生的概率很高。由于“煤爆”現象的機理非常的復雜，根據理論結合實踐，將煤礦的沖擊地壓發生的機理簡單的劃分為三個維度，建立數學模型：即強度準則、能量準則、和沖擊傾向度準則約束組。煤礦沖擊地壓發生的充分必要條件為三個維度相疊加，共同作用。產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—圍巖力學系統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內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一側的壓力迭加現象。當孤島工作面煤體上支承壓力的迭加區（壓力高峰值區）恰在彈塑性煤體交界處靠彈性體一側，且煤礦沖擊地壓的誘發因素之一即孤島面四周各側內應力場的老頂來壓較為頻繁，呈多發之勢。故產生壓力沖擊的三個準則只要煤體本身符合沖擊傾向度準則，采深又達到該工作面產生礦山沖擊的臨界深度后，在孤島面發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。礦井在接續規劃時，應盡量將井田邊界、盤區設計考慮詳細，避免孤島工作面的形成。特別是當煤層存在沖擊傾向，且采深達到了一定的程度（可用類比法、計算法或巷道掘進中的直觀顯現綜合得出），應盡量避免形成孤島工作面；如已形成，開采前應詳細化驗所采煤層的沖擊頃向，形成科學嚴謹的回采可行性研究，以防發生礦山沖擊事故。endprint

（2）卸壓爆破。孤島工作面沖擊地壓危險性監測預報與控制主要從分析工作面生產技術條件出發，分析工作面周圍的應力分布狀態。在沖擊危險性高的區域和地段，采用卸壓爆破的方式，對危險區域進行解危，如果沖擊危險己降低，則可進行正常生產；如果沖擊危險性沒有降低，則需進一步采取措施，待危險性降低后，方可進行正常作業。孤島面沖擊地壓危險性檢測預報及控制方案見圖2。

3.2 大冒頂和老頂突然來壓

3.2.1 發生機理

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向動能轉化的一種動力過程。其發生的地點，主要在孤島面四周已采側形成的內應力場范圍。除了推進方向的應力場，老頂有規律的斷裂與運動外，工作面兩側所形成的內應力場的老頂活動往往具有突然性，容易造成頂板事故。即當采空區內遺留有煤柱，采空區內冒落不充分，以及已采側存在懸頂等條件下，往往發生這種突然的頂板活動。實踐證明，在回采作業時，如果嚴格探測采空區頂板冒落、煤柱應力分布，將實際情況記錄標注在回采報告中，根據需要采取頂板來壓預測預報等手段，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

通過現場實踐及理論研究表明，確保孤島工作面安全生產開采條件之一，就是進行采場來壓預測預報的礦壓觀測。此舉能夠有效應對大面積冒頂及老頂突然來壓。因此，孤島工作面的回采，應嚴格做好“來壓”預測預報工作。

4 結語

“孤島”工作面受相鄰采空區影響，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殘余應力相互疊加，端頭處頂板經常處于高壓期，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向中部轉移。煤柱內應力集中的系數高。因此，回采巷道在采動及相鄰采空區殘余應力雙重影響下，圍巖變形速度較大。

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

（2）預防沖擊地壓。孤島工作面周圍已開采側支承壓力迭加現象嚴重。孤島煤體上支承壓力的迭加區（壓力高峰值區）恰在彈塑性煤體交界處靠彈性體一側，容易誘發礦山沖擊和老頂突然運動等運力現象。孤島工作面煤體具有最大的應力集中現象，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，是工作面生產過程中要注意的重點部位，要預防沖擊地壓發生和頂煤頂板破壞。

（3）礦壓顯現預測及其控制。直接頂初次來壓時礦壓顯現明顯，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，礦壓顯現劇烈。須采取提高初撐力，加快推進速度，及時控制煤壁片幫和頂煤冒落等措施，以保證控頂安全，確定支架實現初壓穩定，動作到位，操作快捷。

綜上所述，孤島工作面開采過程中，雖然頂板運動及煤體應力分布等與非孤島工作面開采有明顯的區別，但只要在工作面開采前對巖層運動和礦壓顯現規律心中有數，采用綜采支架作為控頂的主要手段，并采取針對性的頂板控制措施，一定可以實現對孤島開采巖層運動的有效控制，保證工作面的安全和高效開采。

參考文獻

[1]孫國先.孤島（煤柱）工作面礦壓顯現的特點及常見頂板事故的分析[M].黑龍江科技信息，2008.

[2]康廣超.深井綜放開采危險分析與安全生產技術研究[J].山東科技大學學報，2014，（1），1-3.

[3]姜福興，楊淑華.采場覆巖空間破裂與采動應力場的微震研究[J].巖土工程學報，2003，（l），23-25.

[4]翟英達.采場上覆巖層中的面接觸塊體結構及其穩定性力學機理[D].北京：煤炭工業出版社，2006.

[5]繆協興，錢鳴高.采場圍巖整體結構與砌體梁力學模型[J].礦山壓力與頂板管理，1995，（Z1）：11.endprint