摘要:論文通過理論和實(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)。此類采場(chǎng)礦壓控制的理論問題，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、火和瓦斯的控制問題。論文通過河南義馬煤業(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，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”。
??? 隨著開采深度的不斷增加，以及礦井的日益老化，這類采場(chǎng)將越來越多，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)稱四面“孤島”)采場(chǎng)安全開采的主要障礙，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(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，解決此問題的理論難點(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)分別為分層開采和放頂煤開采采場(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”開采礦壓控制的工程問題
??? (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)鍵工程問題。具體來講，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)鍵工程問題。

3四面“孤島”開采的礦壓控制技術(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)過分層采場(chǎng)停采線煤柱時(shí)的覆巖結(jié)構(gòu)剖面示意圖。