趙 巖

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

孤島工作面的開(kāi)采是煤炭開(kāi)采中的重大難題，由于工作面應(yīng)力分布的特殊性，在開(kāi)采過(guò)程容易造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、巷道快速收斂等災(zāi)害現(xiàn)象，直接威脅到煤炭的安全高效開(kāi)采[1-3]。礦井綜采孤島段的斷層后礦壓顯現(xiàn)劇烈，開(kāi)采過(guò)程中不同階段的開(kāi)采特征不明顯，在各個(gè)開(kāi)采階段很難采取不同的治理措施[4]?；诖耍ǔ２扇」聧u工作面頂板超前預(yù)裂并對(duì)煤體進(jìn)行弱化來(lái)治理[5]；同時(shí)了解到回采工作面端頭來(lái)壓更劇烈，應(yīng)加強(qiáng)端頭的防護(hù)[6]。

綜合研究孤島頂板回采過(guò)程覆巖垮落與管控，有效地進(jìn)行災(zāi)害防治，處理好孤島工作面與兩側(cè)采空區(qū)以及孤島開(kāi)采頂板管理等方面的關(guān)系，對(duì)于保障孤島工作面的安全開(kāi)采、提高煤炭資源的采出率具有重要意義。

1 工程背景

馬蘭礦孤島工作面，海拔高度介于1225～1337 m。井田內(nèi)無(wú)基巖出露，其上被黏土覆蓋。井田含煤豐富，含煤地層總厚度超過(guò)300 m，其中煤層總厚度30 m，含煤系數(shù)高達(dá)7.71%。所研究的孤島工作面所對(duì)應(yīng)的煤層平均埋深386 m，煤層厚度平均為5.2 m，屬于近水平煤層。該孤島工作面為相鄰兩區(qū)段之間的區(qū)段煤柱（局部），介于工作面帶式輸送機(jī)運(yùn)輸平巷和輔助運(yùn)輸平巷之間，其兩邊的工作面早已開(kāi)采完畢，已經(jīng)成為覆巖完全垮落后的采空區(qū)。孤島工作面底板高度處于1030～1065 m 之間，回采工作面長(zhǎng)度40 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度500 m，且沿著工作面的推進(jìn)方向底板海拔不斷增加。孤島工作面煤層底板等高線圖如圖1。

圖1 孤島工作面煤層底板等高線圖（m）

2 孤島工作面理論分析

2.1 孤島工作面開(kāi)采特征

一般工作面的兩側(cè)除過(guò)回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷以外，在工作面的一側(cè)或兩側(cè)還包括未開(kāi)采大片煤壁，對(duì)該工作面開(kāi)采起到保護(hù)作用，而孤島工作面的兩側(cè)或周圍都為采空區(qū)，這一特點(diǎn)增加了孤島工作面的開(kāi)采難度。由于孤島工作面的兩側(cè)都為采空區(qū)，因此孤島工作面開(kāi)采過(guò)程中除要承受自身覆巖的壓力外，還要承受來(lái)自采空區(qū)對(duì)孤島工作面的側(cè)向壓力。尤其當(dāng)孤島工作面寬度較小的情況下，很難承受開(kāi)采過(guò)程中頂板的巨大壓力，會(huì)造成沖擊地壓、頂板下沉、巷道破壞、煤壁片幫等災(zāi)害[7-8]。孤島工作面布置示意如圖2。

圖2 孤島工作面布置示意圖

2.2 孤島工作面力學(xué)特征

孤島工作面的長(zhǎng)度對(duì)其開(kāi)采起到很大作用。當(dāng)工作面長(zhǎng)度很大時(shí)，在煤柱的兩側(cè)邊緣會(huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得兩側(cè)的應(yīng)力明顯增大，遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力，但是在孤島工作面的中央位置，載荷分布均勻，覆巖應(yīng)力近似于原巖應(yīng)力。從孤島工作面中央到工作面兩側(cè)邊緣，孤島工作面依次為彈性變形區(qū)（即：原巖應(yīng)力區(qū)）、塑性變形區(qū)和破裂區(qū)。當(dāng)工作面長(zhǎng)度較小時(shí)，煤柱兩側(cè)的應(yīng)力現(xiàn)象與工作面長(zhǎng)度很大時(shí)的應(yīng)力現(xiàn)象一致，但在孤島工作面的中央位置，支撐壓力出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力大于原巖應(yīng)力。孤島工作面應(yīng)力分布如圖3。

圖3 孤島工作面應(yīng)力分布

3 相似模擬現(xiàn)象分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

模型包括開(kāi)采煤層旁邊的8 層地層和1 層煤層，剩余地層的重量用等同重量的鐵磚代替。模擬架高度200 cm，比例設(shè)置為1:100，模型總體積為：200 cm×20 cm×145 cm。結(jié)合物理相似模擬相關(guān)要求與實(shí)際情況，試驗(yàn)采用砂、大白粉、熟石膏、云母、水和煤灰等模擬材料，以河砂為主。模型正面布置均勻標(biāo)志點(diǎn)，采用全站儀監(jiān)測(cè)并記錄標(biāo)志點(diǎn)的位置變化情況。物理模型巖層模擬材料配比見(jiàn)表1。

表1 物理模型頂?shù)装迥M材料配比

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

將整個(gè)模型中的煤層兩側(cè)采空作為孤島工作面兩側(cè)采空區(qū)，等兩側(cè)采空區(qū)覆巖完全垮落并充填整個(gè)采空區(qū)，在模型中間留下40 cm（按照比例對(duì)應(yīng)到實(shí)際長(zhǎng)度為40 m）長(zhǎng)度的煤層作為要研究的孤島工作面，形成兩側(cè)鄰空的孤島工作面模型。孤島工作面模型如圖4。

圖4 孤島工作面模型圖（m）

孤島工作面長(zhǎng)度40 m，試驗(yàn)過(guò)程中每次推進(jìn)10 m 記錄一次煤柱及其覆巖情況，共開(kāi)采4 次可全部完成整個(gè)工作面的開(kāi)采工作。當(dāng)工作面向前推進(jìn)10 m 時(shí)，剩余煤柱長(zhǎng)度為30 m，此時(shí)剛開(kāi)采后形成的采空區(qū)覆巖沒(méi)有出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，剩余煤柱形狀完好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯變形；當(dāng)工作面向前推進(jìn)20 m時(shí)，剩余煤柱長(zhǎng)度為20 m，開(kāi)采后形成的采空區(qū)覆巖和剩余煤柱與工作面向前推進(jìn)10 m 時(shí)的一樣，即采空區(qū)無(wú)垮落，剩余煤柱無(wú)變形；當(dāng)工作面向前推進(jìn)30 m，剩余煤柱長(zhǎng)度為10 m 時(shí)，采空區(qū)出現(xiàn)明顯垮落現(xiàn)象，采空區(qū)覆巖出現(xiàn)冒頂，頂板巖層出現(xiàn)極大裂隙，但整個(gè)工作面并沒(méi)有被冒落矸石完全充填；當(dāng)整個(gè)孤島工作面被全部開(kāi)采，此時(shí)整個(gè)頂板全部冒落，其上大面積的覆巖出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，整個(gè)采空區(qū)全部被冒落矸石充滿。

4 相似模擬數(shù)據(jù)分析

模型工作面上覆巖層標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表2。采用全站儀對(duì)不同推進(jìn)程度下覆巖標(biāo)志點(diǎn)位置變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與記錄，并繪制出不同推進(jìn)度下工作面覆巖下沉曲線圖（圖5），直觀分析孤島工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖下沉規(guī)律。

表2 模型工作面覆巖標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)

圖5 不同推進(jìn)度下工作面覆巖下沉曲線

由圖5 可知，當(dāng)孤島工作面推進(jìn)10 m 和20 m時(shí)，頂板下沉曲線基本吻合，而且下沉量接近于0 m，說(shuō)明工作面推進(jìn)10 m 和20 m 時(shí)，采空區(qū)覆巖沒(méi)有發(fā)生較大變形；當(dāng)孤島工作面推進(jìn)30 m 時(shí)，在水平坐標(biāo)10～30 m 范圍發(fā)生明顯變化，頂板下沉量突然增高，但在水平坐標(biāo)0～10 m 的范圍，頂板下沉接近于孤島工作面推進(jìn)10 m 和20 m 時(shí)頂板下沉量，說(shuō)明在工作面推進(jìn)30 m 時(shí)，頂板出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，且最大下沉量為4 m；當(dāng)整個(gè)孤島工作面全部采完時(shí)，整個(gè)孤島工作面頂板全部出現(xiàn)下沉，且各處下沉量基本相等，平均下沉量大約為4.2 m。基于全站儀數(shù)據(jù)的定量分析得出的結(jié)果與相似模擬定性得出的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證明孤島工作面開(kāi)采過(guò)程頂板垮落規(guī)律的合理性。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)馬蘭礦孤島工作面的開(kāi)采特征和力學(xué)特征的闡述，分析得出在孤島工作面回采過(guò)程中，由于工作面兩邊鄰空的原因，使得孤島工作面上覆巖層支承壓力大于一般工作面，進(jìn)而導(dǎo)致孤島工作面開(kāi)采中更容易出現(xiàn)沖擊地壓、煤壁片幫等動(dòng)力災(zāi)害。

2）通過(guò)對(duì)物理相似模擬的試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該孤島工作面在推進(jìn)前20 m 時(shí)頂板沒(méi)有出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，當(dāng)推進(jìn)30 m 時(shí)工作面采空區(qū)出現(xiàn)大面積冒落，直至工作面全部開(kāi)采后整個(gè)覆巖大量下沉，最終完全充滿整個(gè)采空區(qū)并壓實(shí)。