摘要:論文通過理論和實踐研究，提出了四面采空“孤島”采場的頂板結構和相關礦壓控制技術。此類采場礦壓控制的理論問題，是采場覆巖的多層空間結構運動及其與采動應力場的關系;其工程問題，是煤柱失穩(wěn)造成的災害形式及其判定方法、煤柱失穩(wěn)的災害的控制技術以及水、火和瓦斯的控制問題。論文通過河南義馬煤業(yè)集團的實例，系統(tǒng)介紹了災害監(jiān)測技術和控制方法。開采結果表明，論文中提出的對巖層結構的認識和采取的控制技術是正確的，可以在條件相似的礦區(qū)推廣應用。
關鍵詞:礦山壓力;四面采空“孤島”;巖層空間結構;綜采放頂煤;礦壓監(jiān)測
中圖分類號:TU 452; TD 325文獻標識碼:A文章編號:1000-4548(2005)09-1101-04
作者簡介:姜福興((1962-)，男，江蘇常州人，1994年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)為教授，博士生導師。主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。
1形成四面采空“孤島”采場的開采與地質條件
????“孤島”采場一般是指因跳采而留下的上下側均為采空區(qū)的采場(即三面采空)，近年來，因國內大力推廣綜采放頂煤技術，以及因防水、防沖擊地壓等原因而留設了大量煤柱，形成了綜采放頂煤采場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，即采場必須回采四面采空的“孤島”煤柱，否則綜放采場將頻繁“搬家”。
??? 隨著開采深度的不斷增加，以及礦井的日益老化，這類采場將越來越多，采深的增加還使四面采空“孤島”煤柱中的應力激增，高壓煤體潛在的沖擊地壓和軟巖快速變形災害，已經成為四面采空“孤島”(以下簡稱四面“孤島”)采場安全開采的主要障礙，也是礦壓控制的重點和難點[1]

??? 圖1示出了典型四面“孤島”采場的開采與地質條件。圖1(a)表示一個“孤島”綜放采場正向上分層停采線推進，兩個采場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害卻越來越大;圖1 (b)表示上山的一側已經采空，此時“孤島”采場向上山推進，煤柱越來越小從而形成四面“孤島”;圖1(c)表示斷層一側已經采空，采場在另一側向斷層推進，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
??? 此類采場最大的安全威脅是:①覆巖運動造成“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當煤柱變小和采場推過煤柱后，覆巖結構的突然失穩(wěn)造成支架的沖擊載荷，以及大面積片幫“壓死”運輸機。
??? 由此可見，解決此問題的理論難點是:四面“孤島”采場覆巖的多層空間結構運動及其與采動應力場的關系[2-3]。
??? 根據筆者在河南義馬和山東兗礦集團的研究結果，決定四面“孤島”采場礦壓顯現(xiàn)的主要因素，是環(huán)繞“孤島”煤柱的覆巖多層空間結構的運動，其平面投影如圖2 (a)所示。圖中的橢圓線表示空間結構的觸矸線。該結構與煤柱的作用關系可近似用圖2(b), (c)的模型表示。圖2 (b)表示煤柱變小時，覆巖多層空間結構與煤柱的作用關系，其中，E表示煤體，P表示覆巖多層空間結構上位巖層的作用力，煤體上方的弧線表示多層空間結構軸力的軌跡線。稱之為“中間有支撐”型空間結構。圖2 (c)表示煤柱完全采出后覆巖空間結構的狀況。此時空間結構已經失去支撐，空間結構的自身平衡能力，決定了采場礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律。當煤柱兩側分別為分層開采和放頂煤開采采場時，兩側的空間結構將呈“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)造成的災害形式及其判定方法。
??? 隨采場推進，煤柱越來越小，此時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確判定，是保障采場安全的第一個關鍵工程問題。
??? (2)煤柱失穩(wěn)災害的控制技術。
??? 如何針對災害的形式和程度，采取有效的技術措施控制災害，是保障采場安全的第二個關鍵工程問題。具體來講，就是沖擊地壓、巷道圍巖快速移近和采場煤壁大面積片幫的控制技術。
??? (3)其它災害控制。
??? 四面“孤島”形成一段時間后，四周采空區(qū)內可能積聚水和瓦斯，尤其是當煤體被壓裂后長期處于通風供氧狀態(tài)，很可能發(fā)生煤炭自燃，因此，過煤柱前對這些災害的探測與預處理，是保障采場安全的第三個關鍵工程問題。

3四面“孤島”開采的礦壓控制技術
3. 1理論上對四面“孤島”采場頂板結構運動的基本認識
??? 由于“孤島”四周是采空區(qū)，且有一面是正在開采的采場，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構，以“四周一體”的方式運動。圖3是綜放采場過分層采場停采線煤柱時的覆巖結構剖面示意圖。