趙 巖

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

孤島工作面的開采是煤炭開采中的重大難題，由于工作面應力分布的特殊性，在開采過程容易造成煤壁片幫、頂板下沉、底鼓、巷道快速收斂等災害現(xiàn)象，直接威脅到煤炭的安全高效開采[1-3]。礦井綜采孤島段的斷層后礦壓顯現(xiàn)劇烈，開采過程中不同階段的開采特征不明顯，在各個開采階段很難采取不同的治理措施[4]?；诖?，通常采取孤島工作面頂板超前預裂并對煤體進行弱化來治理[5]；同時了解到回采工作面端頭來壓更劇烈，應加強端頭的防護[6]。

綜合研究孤島頂板回采過程覆巖垮落與管控，有效地進行災害防治，處理好孤島工作面與兩側采空區(qū)以及孤島開采頂板管理等方面的關系，對于保障孤島工作面的安全開采、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。井田內無基巖出露，其上被黏土覆蓋。井田含煤豐富，含煤地層總厚度超過300 m，其中煤層總厚度30 m，含煤系數(shù)高達7.71%。所研究的孤島工作面所對應的煤層平均埋深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運輸平巷和輔助運輸平巷之間，其兩邊的工作面早已開采完畢，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，回采工作面長度40 m，工作面推進長度500 m，且沿著工作面的推進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 孤島工作面開采特征

一般工作面的兩側除過回風平巷和運輸平巷以外，在工作面的一側或兩側還包括未開采大片煤壁，對該工作面開采起到保護作用，而孤島工作面的兩側或周圍都為采空區(qū)，這一特點增加了孤島工作面的開采難度。由于孤島工作面的兩側都為采空區(qū)，因此孤島工作面開采過程中除要承受自身覆巖的壓力外，還要承受來自采空區(qū)對孤島工作面的側向壓力。尤其當孤島工作面寬度較小的情況下，很難承受開采過程中頂板的巨大壓力，會造成沖擊地壓、頂板下沉、巷道破壞、煤壁片幫等災害[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 孤島工作面力學特征

孤島工作面的長度對其開采起到很大作用。當工作面長度很大時，在煤柱的兩側邊緣會出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，使得兩側的應力明顯增大，遠高于原巖應力，但是在孤島工作面的中央位置，載荷分布均勻，覆巖應力近似于原巖應力。從孤島工作面中央到工作面兩側邊緣，孤島工作面依次為彈性變形區(qū)（即：原巖應力區(qū)）、塑性變形區(qū)和破裂區(qū)。當工作面長度較小時，煤柱兩側的應力現(xiàn)象與工作面長度很大時的應力現(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，導致應力大于原巖應力。孤島工作面應力分布如圖3。

圖3 孤島工作面應力分布

3 相似模擬現(xiàn)象分析

3.1 試驗模型構建

模型包括開采煤層旁邊的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，比例設置為1:100，模型總體積為：200 cm×20 cm×145 cm。結合物理相似模擬相關要求與實際情況，試驗采用砂、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志點，采用全站儀監(jiān)測并記錄標志點的位置變化情況。物理模型巖層模擬材料配比見表1。

表1 物理模型頂?shù)装迥M材料配比

3.2 試驗現(xiàn)象分析

將整個模型中的煤層兩側采空作為孤島工作面兩側采空區(qū)，等兩側采空區(qū)覆巖完全垮落并充填整個采空區(qū)，在模型中間留下40 cm（按照比例對應到實際長度為40 m）長度的煤層作為要研究的孤島工作面，形成兩側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）

孤島工作面長度40 m，試驗過程中每次推進10 m 記錄一次煤柱及其覆巖情況，共開采4 次可全部完成整個工作面的開采工作。當工作面向前推進10 m 時，剩余煤柱長度為30 m，此時剛開采后形成的采空區(qū)覆巖沒有出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，剩余煤柱形狀完好，沒有出現(xiàn)明顯變形；當工作面向前推進20 m時，剩余煤柱長度為20 m，開采后形成的采空區(qū)覆巖和剩余煤柱與工作面向前推進10 m 時的一樣，即采空區(qū)無垮落，剩余煤柱無變形；當工作面向前推進30 m，剩余煤柱長度為10 m 時，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，但整個工作面并沒有被冒落矸石完全充填；當整個孤島工作面被全部開采，此時整個頂板全部冒落，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志點坐標見表2。采用全站儀對不同推進程度下覆巖標志點位置變化情況進行監(jiān)測與記錄，并繪制出不同推進度下工作面覆巖下沉曲線圖（圖5），直觀分析孤島工作面開采過程中覆巖下沉規(guī)律。

表2 模型工作面覆巖標志點坐標

圖5 不同推進度下工作面覆巖下沉曲線

由圖5 可知，當孤島工作面推進10 m 和20 m時，頂板下沉曲線基本吻合，而且下沉量接近于0 m，說明工作面推進10 m 和20 m 時，采空區(qū)覆巖沒有發(fā)生較大變形；當孤島工作面推進30 m 時，在水平坐標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0～10 m 的范圍，頂板下沉接近于孤島工作面推進10 m 和20 m 時頂板下沉量，說明在工作面推進30 m 時，頂板出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象，且最大下沉量為4 m；當整個孤島工作面全部采完時，整個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?；谌緝x數(shù)據(jù)的定量分析得出的結果與相似模擬定性得出的結果基本一致，進一步證明孤島工作面開采過程頂板垮落規(guī)律的合理性。

5 結論

1）通過對馬蘭礦孤島工作面的開采特征和力學特征的闡述，分析得出在孤島工作面回采過程中，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，進而導致孤島工作面開采中更容易出現(xiàn)沖擊地壓、煤壁片幫等動力災害。

2）通過對物理相似模擬的試驗現(xiàn)象與試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出該孤島工作面在推進前20 m 時頂板沒有出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，當推進30 m 時工作面采空區(qū)出現(xiàn)大面積冒落，直至工作面全部開采后整個覆巖大量下沉，最終完全充滿整個采空區(qū)并壓實。