孤島工作面回采覆巖垮落特征研究

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]。基于此，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段之間的區段煤柱（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，已經成為覆巖完全垮落后的采空區。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，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，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明顯的應力集中現象，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（即：原巖應力區）、塑性變形區和破裂區。當工作面長度較小時，煤柱兩側的應力現象與工作面長度很大時的應力現象一致，但在孤島工作面的中央位置，支撐壓力出現疊加現象，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 物理模型頂底板模擬材料配比

3.2 試驗現象分析

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，等兩側采空區覆巖完全垮落并充填整個采空區，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覆巖沒有出現垮落現象，剩余煤柱形狀完好，沒有出現明顯變形；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，采空區出現明顯垮落現象，采空區覆巖出現冒頂，頂板巖層出現極大裂隙，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明顯下沉現象，整個采空區全部被冒落矸石充滿。

4 相似模擬數據分析

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，采空區覆巖沒有發生較大變形；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，頂板出現了下沉現象，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。基于全站儀數據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象與試驗數據進行分析，得出該孤島工作面在推進前20 m 時頂板沒有出現垮落現象，當推進30 m 時工作面采空區出現大面積冒落，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并壓實。