孤岛地形对工作面矿压影响的研究

孔彪

摘 要：随着矿井产量的增加，采区开发强度的加大，以及在边残采区的收缩中，跳采采序的使用有增加的趋势，甚至在有的新井设计中也开始使用，因此，研究孤岛（煤柱）工作面的矿压特征有较大的理论与现实意义。

关键词：孤岛工作面；矿压显现；煤柱

中图分类号：TD32 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0139-03

1 引言

孤岛（煤柱）工作面是指这个工作面的回采工作是在上、下侧面甚至停采线一侧皆已采空的条件下进行的。当工作面长度较大（一般大于80m）称之为孤岛工作面； 这种工作面一般比较正规，工作面长度较大较整齐。在煤矿生产中几乎各矿都有。煤矿生产中，由跳采采序形成的孤岛工作面是最常见的一种情况。这种跳采程序多用于采区强度大，采掘接续紧张，开采煤层自燃发火期短，处于要尽快收缩的边残采区及开采向斜盆地煤层水文条件复杂等条件下。

2 孤岛工作面上覆岩层运动的特点

压力分布规律。以跳采采序形成的孤岛工作面为例。其上覆岩层运动的特点相对正常工作面来说，主要是它既有工作面沿推进方向的覆岩运动，又有两侧已采邻面沿垂直推进方向的运动。通过现场试验研究可以看到：由于受相邻采区一次采动的影响，孤岛工作面的矿压显现及老顶的运动规律往往是分阶段的。上覆岩层的运动规律决定着矿山压力的显现程度。孤岛工作面如果发生大面积的顶板事故，与其相邻采动工作面的老顶运动及上覆岩层交替重复运动密切相关。因此，对孤岛面矿压显现规律及常见事故的分析，必须从孤岛面易于产生支承压力的高度集中（迭加）以及孤岛面煤柱支承条件及其变化这两个方面进行综合分析。

和以往综采面矿压观测资料相比，孤岛工作面支承压力的分布呈现端头处工作阻力较高，中段次之，且端头处周期来压不明显。主要原因为“孤岛”工作面受相邻采空区影响，顶板岩石完整性较差，使其破碎、裂隙及断裂，不能起到岩梁作用再加上工作面采动影响与相邻采空区残余应力相互叠加，端头处顶板经常处于高压期，而孤岛面中部往往压力相对较小，周期来压也相对较明显。

孤岛面的煤柱由于受采动及相邻采空区残余应力双重影响，压力显现非常明显，煤柱发生严重的片帮、破碎等现象。煤柱压力分布如图1所示。

图1表明，工作面两顺槽煤柱留设越小，两侧所承受的最大支撑力越大，矿压显现越明显。当煤柱不足以支撑压力时，支撑力将沿煤体向煤柱中心核心部分移动，且煤柱宽度愈小，这种从两侧向中部转移的速度和幅度愈大。煤柱内应力集中的系数也将愈来愈高。在矿井的实际生产作业时，当煤柱宽度减少到接近或小于煤柱开采以前可能出现的两侧塑性区的宽度之和时（大约8～20m），则煤柱内将无稳定的核区存在。因此，大宽度煤柱的弧岛工作面安全状况为好。

“孤岛”工作面，回采巷道受采动及相邻采空区残余应力双重影响，两巷压力显现明显，围岩变形速度较大。特别是某个区段内围岩变形严重，因此该而两巷超前支护必须有一个合理的距离。

3 孤岛工作面矿压显现

孤岛工作面矿压规律主要由工作面的矿压宏观显现的特征进行体现，孤岛面区别于其它综采面的的矿压显现及矿压规律主要表现在以下两个方面。

3.1 冲击矿压（煤爆）

3.1.1 冲击地压影响因素分析

（1）随着开采深度的增加，煤层中的自重应力随之增加，煤岩体中聚积的弹性能也随之增加。

（2）在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或工作面均有可能发生冲击地压。冲击倾向受煤的强度、埋深及上覆岩层的影响，强度越高，倾向性越大，引发冲击矿压所要求的应力越小，越容易发生冲击矿压。

（3）决定冲击地压发生的另外一个重要因素就是顶板岩层结构当工作面上方存在坚硬的厚层砂岩顶板。在工作面采动过程中，由于上覆坚硬岩层容易聚积大量的弹性能，其在破断或滑移的过程中，大量的弹性能突然释放，对工作面形成强烈震动，导致顶板煤层型（冲击压力型）冲击矿压或顶板型（冲击型）冲击矿压发生。

（4）煤系地层的动力运动形成的断层、皱曲等地质构造对煤矿冲击地压的发生有较大的影响实践证明，冲击地压经常发生在向斜轴部，特别是构造变化区、断层附近、煤层倾角变化带、煤层皱曲、构造应力带。

3.1.2 发生机理

冲击地压事故在孤岛（煤柱）工作面发生的概率很高。由于“煤爆”现象的机理非常的复杂，根据理论结合实践，将煤矿的冲击地压发生的机理简单的划分为三个维度，建立数学模型：即强度准则、能量准则、和冲击倾向度准则约束组。煤矿冲击地压发生的充分必要条件为三个维度相叠加，共同作用。产生煤矿冲击矿压的根本原因，在一般条件下，是在“静压”（开采压力）作用下矿体—围岩力学系统静压力平衡条件的破坏，岩层与每层间的平衡被打破，存在于矿体围岩上覆系统内部的变形能突然释放，形成冲击地压。

通过对孤岛工作面上覆岩层运动及支承压力分布的特点综合分析得出，孤岛工作面容易形成靠采空区一侧的压力迭加现象。当孤岛工作面煤体上支承压力的迭加区（压力高峰值區）恰在弹塑性煤体交界处靠弹性体一侧，且煤矿冲击地压的诱发因素之一即孤岛面四周各侧内应力场的老顶来压较为频繁，呈多发之势。故产生压力冲击的三个准则只要煤体本身符合冲击倾向度准则，采深又达到该工作面产生矿山冲击的临界深度后，在孤岛面发生煤爆等矿山事故的可能性、危害性将比正常工作面大的多。

3.1.3 控制措施

（1）避免形成孤岛工作面。矿井在接续规划时，应尽量将井田边界、盘区设计考虑详细，避免孤岛工作面的形成。特别是当煤层存在冲击倾向，且采深达到了一定的程度（可用类比法、计算法或巷道掘进中的直观显现综合得出），应尽量避免形成孤岛工作面；如已形成，开采前应详细化验所采煤层的冲击顷向，形成科学严谨的回采可行性研究，以防发生矿山冲击事故。endprint

（2）卸压爆破。孤岛工作面冲击地压危险性监测预报与控制主要从分析工作面生产技术条件出发，分析工作面周围的应力分布状态。在冲击危险性高的区域和地段，采用卸压爆破的方式，对危险区域进行解危，如果冲击危险己降低，则可进行正常生产；如果冲击危险性没有降低，则需进一步采取措施，待危险性降低后，方可进行正常作业。孤岛面冲击地压危险性检测预报及控制方案见图2。

3.2 大冒顶和老顶突然来压

3.2.1 发生机理

大面积冒顶和顶板突然来压，主要是岩层在自重作用下的位能在较短时间内向动能转化的一种动力过程。其发生的地点，主要在孤岛面四周已采侧形成的内应力场范围。除了推进方向的应力场，老顶有规律的断裂与运动外，工作面两侧所形成的内应力场的老顶活动往往具有突然性，容易造成顶板事故。即当采空区内遗留有煤柱，采空区内冒落不充分，以及已采侧存在悬顶等条件下，往往发生这种突然的顶板活动。实践证明，在回采作业时，如果严格探测采空区顶板冒落、煤柱应力分布，将实际情况记录标注在回采报告中，根据需要采取顶板来压预测预报等手段，就能帮助掌握可能“来压”的时间、地点，从而消除或减轻突然来压的威胁。

3.2.2 控制措施

通过现场实践及理论研究表明，确保孤岛工作面安全生产开采条件之一，就是进行采场来压预测预报的矿压观测。此举能够有效应对大面积冒顶及老顶突然来压。因此，孤岛工作面的回采，应严格做好“来压”预测预报工作。

4 结语

“孤岛”工作面受相邻采空区影响，顶板岩石完整性较差，不能起到岩梁作用，再加上工作面采动影响与相邻采空区残余应力相互叠加，端头处顶板经常处于高压期，而孤岛面中部往往压力相对较小，周期来压也相对较明显。孤岛煤柱的变形从两侧向中部转移。煤柱内应力集中的系数高。因此，回采巷道在采动及相邻采空区残余应力双重影响下，围岩变形速度较大。

（1）加强巷道支护。孤岛工作面轨道顺槽和运输顺槽处于两侧采动影响下，掘进和回采期间围岩相对破碎，顶煤顶板应力集中。巷道支护效果是决定工作面快速推进的主要因素之一。为了有效减轻巷道变形量，掘进期间要加强对顶板的支护，如加强顶板锚索数量和密度。做好超前支护，工作面回采时，梁顺槽超前支护应在相应的基础上加强，单体穿鞋带帽，加大支护力度。

（2）预防冲击地压。孤岛工作面周围已开采侧支承压力迭加现象严重。孤岛煤体上支承压力的迭加区（压力高峰值区）恰在弹塑性煤体交界处靠弹性体一侧，容易诱发矿山冲击和老顶突然运动等运力现象。孤岛工作面煤体具有最大的应力集中现象，尤其是紧邻较大采空面积的轨道顺槽工作面端头出口附近，是工作面生产过程中要注意的重点部位，要预防冲击地压发生和顶煤顶板破坏。

（3）矿压显现预测及其控制。直接顶初次来压时矿压显现明显，煤壁片帮，顶板伴有垮落声，顶板初次垮落时支架工作阻力较大，端头支架工作阻力稍大。老顶初次来压时支架工作阻力明显增大，并伴有煤壁片幫，顶板下沉，矿压显现剧烈。须采取提高初撑力，加快推进速度，及时控制煤壁片帮和顶煤冒落等措施，以保证控顶安全，确定支架实现初压稳定，动作到位，操作快捷。

综上所述，孤岛工作面开采过程中，虽然顶板运动及煤体应力分布等与非孤岛工作面开采有明显的区别，但只要在工作面开采前对岩层运动和矿压显现规律心中有数，采用综采支架作为控顶的主要手段，并采取针对性的顶板控制措施，一定可以实现对孤岛开采岩层运动的有效控制，保证工作面的安全和高效开采。

参考文献

[1]孙国先.孤岛（煤柱）工作面矿压显现的特点及常见顶板事故的分析[M].黑龙江科技信息，2008.

[2]康广超.深井综放开采危险分析与安全生产技术研究[J].山东科技大学学报，2014，（1），1-3.

[3]姜福兴，杨淑华.采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震研究[J].岩土工程学报，2003，（l），23-25.

[4]翟英达.采场上覆岩层中的面接触块体结构及其稳定性力学机理[D].北京：煤炭工业出版社，2006.

[5]缪协兴，钱鸣高.采场围岩整体结构与砌体梁力学模型[J].矿山压力与顶板管理，1995，（Z1）：11.endprint