四面采空“孤島”綜放采場(chǎng)礦壓控制的研究與實(shí)踐

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(guò)理論和實(shí)踐研究，提出了四面采空“孤島”采場(chǎng)的頂板結(jié)構(gòu)和相關(guān)礦壓控制技術(shù)。此類(lèi)采場(chǎng)礦壓控制的理論問(wèn)題，是采場(chǎng)覆巖的多層空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及其與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系;其工程問(wèn)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(wèn)題。論文通過(guò)河南義馬煤業(yè)集團(tuán)的實(shí)例，系統(tǒng)介紹了災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)和控制方法。開(kāi)采結(jié)果表明，論文中提出的對(duì)巖層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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(cè)
中圖分類(lèi)號(hào):TU 452; TD 325文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-4548(2005)09-1101-04
作者簡(jiǎn)介:姜福興((1962-)，男，江蘇常州人，1994年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專(zhuān)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?yàn)榈V山壓力與巖層控制。
1形成四面采空“孤島”采場(chǎng)的開(kāi)采與地質(zhì)條件
“孤島”采場(chǎng)一般是指因跳采而留下的上下側(cè)均為采空區(qū)的采場(chǎng)(即三面采空)，近年來(lái)，因國(guó)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(chǎng)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(chǎng)必須回采四面采空的“孤島”煤柱，否則綜放采場(chǎng)將頻繁“搬家”。
隨著開(kāi)采深度的不斷增加，以及礦井的日益老化，這類(lèi)采場(chǎng)將越來(lái)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(jiǎn)稱(chēng)四面“孤島”)采場(chǎng)安全開(kāi)采的主要障礙，也是礦壓控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]

圖1示出了典型四面“孤島”采場(chǎng)的開(kāi)采與地質(zhì)條件。圖1(a)表示一個(gè)“孤島”綜放采場(chǎng)正向上分層停采線推進(jìn)，兩個(gè)采場(chǎng)煤壁之間的煤柱越來(lái)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(lái)越大;圖1 (b)表示上山的一側(cè)已經(jīng)采空，此時(shí)“孤島”采場(chǎng)向上山推進(jìn)，煤柱越來(lái)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(chǎng)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(kāi)采礦壓控制的理論與工程問(wèn)題
2. 1四面“孤島”開(kāi)采礦壓控制的理論問(wèn)題
此類(lèi)采場(chǎng)最大的安全威脅是:①覆巖運(yùn)動(dòng)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(chǎng)推過(guò)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(yùn)輸機(jī)。
由此可見(jiàn)，解決此問(wèn)題的理論難點(diǎn)是:四面“孤島”采場(chǎng)覆巖的多層空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及其與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(chēng)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(shí)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(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。當(dāng)煤柱兩側(cè)分別為分層開(kāi)采和放頂煤開(kāi)采采場(chǎng)時(shí)，兩側(cè)的空間結(jié)構(gòu)將呈“不等高”狀況。

2.2四面“孤島”開(kāi)采礦壓控制的工程問(wèn)題
(1)煤柱失穩(wěn)造成的災(zāi)害形式及其判定方法。
隨采場(chǎng)推進(jìn)，煤柱越來(lái)越小，此時(shí)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(chǎng)安全的第一個(gè)關(guān)鍵工程問(wèn)題。
(2)煤柱失穩(wěn)災(zāi)害的控制技術(shù)。
如何針對(duì)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(chǎng)安全的第二個(gè)關(guān)鍵工程問(wèn)題。具體來(lái)講，就是沖擊地壓、巷道圍巖快速移近和采場(chǎng)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(shí)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(zhǎng)期處于通風(fēng)供氧狀態(tài)，很可能發(fā)生煤炭自燃，因此，過(guò)煤柱前對(duì)這些災(zāi)害的探測(cè)與預(yù)處理，是保障采場(chǎng)安全的第三個(gè)關(guān)鍵工程問(wèn)題。

3四面“孤島”開(kāi)采的礦壓控制技術(shù)
3. 1理論上對(duì)四面“孤島”采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的基本認(rèn)識(shí)
由于“孤島”四周是采空區(qū)，且有一面是正在開(kāi)采的采場(chǎng)，因此，“孤島”邊緣的覆巖中，有常規(guī)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(jié)構(gòu)，以“四周一體”的方式運(yùn)動(dòng)。圖3是綜放采場(chǎng)過(guò)分層采場(chǎng)停采線煤柱時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)剖面示意圖?！?BR>


關(guān)于空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及其與放出率、巖層幾何力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，已經(jīng)另文發(fā)表。
3.2四面“孤島”采場(chǎng)的礦壓控制實(shí)踐
本節(jié)以河南義馬煤業(yè)集團(tuán)某綜放采場(chǎng)穿越巨厚礫巖下高壓煤柱為例，闡述四面“孤島”開(kāi)采的礦壓控制技術(shù)。
采場(chǎng)的基本條件
該采場(chǎng)傾斜長(zhǎng)度223 m，走向長(zhǎng)度1460 m，其中自切眼開(kāi)始580 m為頂分層未采區(qū)，外段880 m為頂分層已采區(qū)，工作面上、下側(cè)均為采空區(qū)，上下巷均采用留小煤柱沿空掘巷和錨網(wǎng)架聯(lián)合支護(hù)，其中上巷側(cè)煤柱寬度為4-5 m，下巷側(cè)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(chǎng)礦壓控制的總體方案
(1)在理論上預(yù)計(jì)巖層結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并預(yù)計(jì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[4-6]
(2)制定礦壓監(jiān)測(cè)方案:a)采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤柱內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，從而判斷和預(yù)報(bào)煤體是發(fā)生沖擊破壞還是快速變形，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施;b)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)支架壓力從而監(jiān)控采場(chǎng)內(nèi)的安全狀況;c)監(jiān)測(cè)順槽圍巖變形規(guī)律，從而確定支護(hù)方式和加固、翻修的時(shí)間、地點(diǎn)和程度。
(3)制定了水、火、瓦斯的防治預(yù)案。
(4)改變工藝參數(shù)以適應(yīng)巖層運(yùn)動(dòng)和壓力顯現(xiàn)，如:適時(shí)降低頂煤回收率和切割高度，減小巖層運(yùn)動(dòng)的范圍，從而減弱礦壓顯現(xiàn)程度;改變作業(yè)程序，加快推進(jìn)速度;調(diào)整工作面推進(jìn)方向，人為造成煤壁的“分段來(lái)壓”;進(jìn)入煤柱區(qū)前，提前調(diào)整和維護(hù)好采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶機(jī)、泵站等設(shè)備，確?？焖偻七M(jìn);加強(qiáng)兩巷和端頭支護(hù)，按要求開(kāi)掘安全通道等。
實(shí)施后取得的主要結(jié)果
(1)煤柱破壞形式的判定
圖4是距離分層采場(chǎng)停采線46 m (#5點(diǎn))和52m ( #6點(diǎn))處煤體深部20 m處鉆孔應(yīng)力計(jì)的曲線圖。由圖中可以看出，5月1日起，應(yīng)力值開(kāi)始急劇下降，說(shuō)明煤體開(kāi)始破裂，此時(shí)煤柱的寬度為92 m, #5點(diǎn)和#6點(diǎn)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(jù)巷道的變形速度確定翻修的方案
根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果確定擴(kuò)修時(shí)間間隔，以滿足安全生產(chǎn)需要和最少投入為原則。大致規(guī)律是:以?xún)蓭鸵平?.7 m為臨界值，距離分層采場(chǎng)停采線300 m以外的巷道，擴(kuò)修間隔為6090 d; 300200 m以?xún)?nèi)的巷
道為40-60 d; 200m-100 m以?xún)?nèi)的巷道為30-40 d .100 m以?xún)?nèi)的巷道則采取構(gòu)筑安全通道、加強(qiáng)支護(hù)等措施保障安全。大部分地段實(shí)現(xiàn)了一次擴(kuò)修到位的目標(biāo)。
(3)穿越煤柱地段構(gòu)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(fā)煤體突出堵塞巷道的危險(xiǎn)。根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果，從煤柱寬度為60 m起，到分層采場(chǎng)停采線，在兩巷中構(gòu)筑安全通道。安全通道尺寸與支護(hù)方式為:兩巷的安全均設(shè)在巷道下邦，通道寬1.0 m,高2.8 m，頂幫均采用錨網(wǎng)并用單體液壓支柱配合金屬頂梁支護(hù)。
(4)采用快速可靠的加固和封堵材料
采場(chǎng)臨近高壓區(qū)時(shí)，區(qū)段小煤柱破裂嚴(yán)重，兩個(gè)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?！榜R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(xì)小的裂縫中，有極好的粘合能力和良好的韌性，可與水反應(yīng)并封閉水流。注漿加固完成后，經(jīng)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(zhuǎn)載機(jī)順利通過(guò)加固段，施工效果基本達(dá)到要求。
上下巷防滅火、防瓦斯工程中，下巷注射了“羅克休”?！傲_克休”產(chǎn)品是由兩種成分組成的注射產(chǎn)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(wèn)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(wèn)題，使注漿得以順利實(shí)施。為防止漏漿，在頂板上鋪設(shè)了彩條布?！傲_克休”充填后，破碎頂煤得到加固，為補(bǔ)打錨桿創(chuàng)造了條件，其綜合效果使得巷道變形明顯減小，維護(hù)狀況得到明顯改善。充填后，且直到回采結(jié)束，試驗(yàn)段巷道沒(méi)有出現(xiàn)自然發(fā)火征兆。試驗(yàn)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
通過(guò)上述綜合技術(shù)方案，采場(chǎng)安全采過(guò)了高壓煤柱。
4結(jié)論
(1)四面采空“孤島”采場(chǎng)越來(lái)越成為深部和老礦井的重大安全隱患，專(zhuān)題研究這類(lèi)采場(chǎng)的礦壓控制問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值，提出了三種典型的四面采空“孤島”的開(kāi)采地質(zhì)條件。
(2)將四面采空“孤島”采場(chǎng)覆巖視為多層空間結(jié)構(gòu)，有助于正確認(rèn)識(shí)巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，在理論上作出合理的分析。
(3)制定并實(shí)施了采場(chǎng)礦壓控制的總體方案，通過(guò)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤柱內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了煤體破壞形式的判斷，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施;通過(guò)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)支架壓力從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控采場(chǎng)內(nèi)的頂板安全狀況;通過(guò)監(jiān)測(cè)順槽圍巖變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了順槽圍巖支護(hù)方式和加固、翻修等的科學(xué)決策。
(4)采用新材料進(jìn)行煤體的加固和封堵，是防治災(zāi)害的有效手段。
衷心感謝河南省義馬煤業(yè)集團(tuán)以及常村礦課題組的大力支持和良好合作!
參考文獻(xiàn):
[1]賈民，齊方躍，彭?yè)?dān)任綜放“孤島”開(kāi)采工作面兩巷礦壓顯現(xiàn)[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(chǎng)覆巖空間破裂與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的微震探測(cè)研究[J]巖土工程學(xué)報(bào)，2003,25(1):23一25
[3]姜福興，楊淑華，XUN LUO微地震監(jiān)測(cè)揭示的采場(chǎng)圍巖空間破裂形態(tài)[J]煤炭學(xué)報(bào)，2003,28(4):357一360
[4]張頂立，王悅漢綜采放頂煤工作面巖層結(jié)構(gòu)分析[[J]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,(4):340一343
[5]陸明心，郝海金，吳健，綜放開(kāi)采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響[J]煤炭學(xué)報(bào)，2002, (6):591-595
[6]錢(qián)鳴高，繆協(xié)興，等巖層控制的關(guān)鍵層理論[M]徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.