姜福兴1，王同旭2，汪华君2，吴士良2

(1.北京科技大学土木学院，北京100083;2.山东科技大学资源与环境工程学院，山东青岛266510)

摘要:论文通过理论和实践研究，提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题，是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题，是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例，系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明，论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的，可以在条件相似的矿区推广应用。

关键词:矿山压力;四面采空“孤岛”;岩层空间结构;综采放顶煤;矿压监测

中图分类号:TU452;TD325文献标识码:A文章编号:1000-4548(2005)09-1101-04

作者简介:姜福兴((1962-)，男，江苏常州人，1994年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，获博士学位，现为教授，博士生导师。主要研究方向为矿山压力与岩层控制。

1形成四面采空“孤岛”采场的开采与地质条件

“孤岛”采场一般是指因跳采而留下的上下侧均为采空区的采场(即三面采空)，近年来，因国内大力推广综采放顶煤技术，以及因防水、防冲击地压等原因而留设了大量煤柱，形成了综采放顶煤采场不得不回采上分层停采线附近煤柱或断层、隔离带煤柱的局面，即采场必须回采四面采空的“孤岛”煤柱，否则综放采场将频繁“搬家”。

随着开采深度的不断增加，以及矿井的日益老化，这类采场将越来越多，采深的增加还使四面采空“孤岛”煤柱中的应力激增，高压煤体潜在的冲击地压和软岩快速变形灾害，已经成为四面采空“孤岛”(以下简称四面“孤岛”)采场安全开采的主要障碍，也是矿压控制的重点和难点[1]

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图1示出了典型四面“孤岛”采场的开采与地质条件。图1(a)表示一个“孤岛”综放采场正向上分层停采线推进，两个采场煤壁之间的煤柱越来越小(形成四面“孤岛”)，而高压煤体中潜在的矿山压力灾害却越来越大;图1(b)表示上山的一侧已经采空，此时“孤岛”采场向上山推进，煤柱越来越小从而形成四面“孤岛”;图1(c)表示断层一侧已经采空，采场在另一侧向断层推进，最终形成四面“孤岛”。

2四面“孤岛”开采矿压控制的理论与工程问题

2.1四面“孤岛”开采矿压控制的理论问题

此类采场最大的安全威胁是:①覆岩运动造成“孤岛”煤柱突然破裂而发生冲击地压;②煤柱逐渐破裂之后快速变形，挤出的煤体封堵两巷;③当煤柱变小和采场推过煤柱后，覆岩结构的突然失稳造成支架的冲击载荷，以及大面积片帮“压死”运输机。

由此可见，解决此问题的理论难点是:四面“孤岛”采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系[2-3]。

根据笔者在河南义马和山东兖矿集团的研究结果，决定四面“孤岛”采场矿压显现的主要因素，是环绕“孤岛”煤柱的覆岩多层空间结构的运动，其平面投影如图2(a)所示。图中的椭圆线表示空间结构的触矸线。该结构与煤柱的作用关系可近似用图2(b),(c)的模型表示。图2(b)表示煤柱变小时，覆岩多层空间结构与煤柱的作用关系，其中，E表示煤体，P表示覆岩多层空间结构上位岩层的作用力，煤体上方的弧线表示多层空间结构轴力的轨迹线。称之为“中间有支撑”型空间结构。图2(c)表示煤柱完全采出后覆岩空间结构的状况。此时空间结构已经失去支撑，空间结构的自身平衡能力，决定了采场矿压显现的规律。当煤柱两侧分别为分层开采和放顶煤开采采场时，两侧的空间结构将呈“不等高”状况。

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2.2四面“孤岛”开采矿压控制的工程问题

(1)煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法。

随采场推进，煤柱越来越小，此时煤柱是以冲击形式还是以快速变形形式破坏，以及如何在工程中准确判定，是保障采场安全的第一个关键工程问题。

(2)煤柱失稳灾害的控制技术。

如何针对灾害的形式和程度，采取有效的技术措施控制灾害，是保障采场安全的第二个关键工程问题。具体来讲，就是冲击地压、巷道围岩快速移近和采场煤壁大面积片帮的控制技术。

(3)其它灾害控制。

四面“孤岛”形成一段时间后，四周采空区内可能积聚水和瓦斯，尤其是当煤体被压裂后长期处于通风供氧状态，很可能发生煤炭自燃，因此，过煤柱前对这些灾害的探测与预处理，是保障采场安全的第三个关键工程问题。

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