1、专题部分23孤岛工作面危险性分析曹现磊矿业工程学院 中国矿业大学 徐州 210008摘要：本文围绕孤岛工作面开采前后，覆岩断裂破坏特征及孤岛煤体支承压力分布规律等得出了孤岛冲击倾向性煤层发生冲击地压的固有属性和力学条件，建立了孤岛煤柱冲击地压模型，详细分析了孤岛煤柱在不同力学条件下的各类破坏方式。根据冲击地压显现特征，综合分析了孤岛煤柱冲击地压的影响因素。应用矿山压力的理论，计算了煤柱顶底板的应力分布，结合不同宽度煤柱的应力特点，给出了孤岛煤柱的三类应力分布规律:一般应力分布、马鞍型应力分布、拱型应力分布。应用软件，对不同宽度的煤柱进行了模拟计算研究，验证了孤岛煤柱的应力分布规律。基于孤岛煤柱
2、应力分布规律，综合利用钻屑法理论、数值模拟研究成果，采用距离修正指标，针对孤岛煤柱弱面滑移型、煤柱压垮型、底板破坏型、底板参与型的破坏方式，提出了具体的分类方法来评价孤岛煤柱的冲击危险性，并给出了各个评价方法的评价指标。结合本文研究成果，为现场的冲击地压危险性评价提供了理论依据，并完善了孤岛煤柱冲击地压危险性评价理论与方法。关键词:孤岛工作面 上覆岩层破坏 冲击地压 危险性1绪论1.1问题的提出及研究意义我国的煤炭资源条件较差，90%以上的煤炭产量来白于地下开采。经过长期大规模的采掘活动，我国中东部产煤区的浅部煤炭资源己逐渐枯竭，日前平均开采深度己达600米左右，并且以每年8一12米的速度向下
3、延伸。虽然我国西部地区浅部煤炭资源相当丰富，但水资源缺乏、生态环境脆弱，同时也受到交通运输等外部条件制约，煤炭开采十分困难。尽管国家很早就提出“巩固东部发展西部，的煤炭工业发展战略，但煤炭开发重心西移的方案在近期内难以实现。所以，除了开采技术的提高和煤矿资源开采向深部的转移之外，孤岛工作面的开采对于煤炭资源回收率的提高具有十分重要的战略意义和经济意义。1.2选题的背景及意义为了避免连续工作面之间的干扰和安全开采的需要，采区内工作面之间有时需要采用跳采接续方式。另一方面，由于煤层开采的地质条件限制，如断层等构造的存在，切割了煤层的连续性，全国各大矿区都普遍存在着多种形式的孤岛工作面，有时为两面采
4、空的孤岛工作面，有时为三面采空的孤岛工作面以及四面采空的孤岛工作面。由于孤岛工作面开采顶板控制难度很大，同时也给工作面的快速推进带来较大的困难。孤岛工作面安全高效生产将会遇到下列突出问题：第一，孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度提高，采用常规的措施将不能对工作面围岩实施有效控制，影响工作面的快速推进;第二，围岩破坏严重，巷道支护困难，覆岩离层和断裂现象十分明显，采用己有一的巷道布置和支护技术体系，难以有效地控制孤岛开采顺槽巷道围岩变形量，影响工作面正常回采;第三，孤岛工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与非孤岛开采条件有很大差别，目前有限采动条件下孤岛工作面两侧覆岩处于非充分采动状态
5、，孤岛开采将对本工作面及相邻工作面覆岩结构特征产生重大影响，极容易发生冲击地压。所以，孤岛工作面矿压显现剧烈，围岩破坏严重，回采巷道支护比较困难，在孤岛工作面开采的过程中，煤与瓦斯突出、煤层自燃、冲击地压、巷道布置、巷道支护、顶板管理等一系列问题一直是制约煤矿安全生产的头等大事。由于问题的复杂性，日前为止，对孤岛工作面高应力冲击地压的研究还没有建立符合实际的冲击地压发生及破坏过程的理沦，影响了对孤岛工作面高应力冲击地压的预测、预报及防治方法的开展。因此，正确分析孤.岛工作而发生冲击失稳的主要因素，研究冲击地压发生时上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响，采取有效的手段控制工作
6、面顶板和巷道变形是确保孤岛工作而安全开采的关键问题。本文通过现场调杏分析了地质构造、工作面开采深度、煤岩体物理力学特性、工作面开采条件对孤岛工作面发生冲击地压的影响规律，确定了巷道顶板受工作面动压影响的剧烈的区域;运用强度理论、能量理论研究了工作面不同埋深、不同地应力场、不同煤层厚度和煤岩体材料的各向异性对孤岛工作面冲击地压的影响特征特征，分析了孤岛工作面应力场和能量场的变化规律，结合现场监测结果，确定了孤岛工作面发生冲击失稳的危险区域;研究了孤岛工作面回采过程中不同煤柱宽度情况下煤柱应力场、位移场和塑性破坏区的变化规律，对孤岛煤柱发生冲击失稳的可能性进行了动态预测。采用数值分析方法研究了在工
7、作面回采过程中，在顺槽巷道采用超前卸压孔的卸压效果，分析了布置孔径d，孔间距a和孔深1的优化参数。本文的研究对于孤岛工作面安全开采和煤柱保护具有科学意义和工程指导价值。1.3国内外研究现状1）孤岛工作面冲击地压失稳理论研究现状关于孤岛工作面发生冲击地压的理论分析主要有孤岛一顶板受力系统的失稳机理、主关键层理论以及突变理论等。将孤岛工作面和顶板作为受力系统分析其失稳机理在国内外取得了一定的进展，基于温克尔假设，将坚硬顶板视为弹性板，煤柱等效为连续均匀分布的支撑弹簧，从而形成煤柱一顶板相互作用系统，同时，将煤柱视为应变软化介质，采用近似的weibull分布描述它的损伤本构模型，依据板壳理论和非线性
8、动力学理论对采空区煤柱一顶板系统失稳机理进行了研究，得出了系统失稳的突变机制，并给出了系统失稳的数学判据和力学条件。将坚硬顶板视为弹性梁，把煤柱视为应变软化介质，对坚硬顶板和煤柱组成的力学系统研究了失稳的演化过程。通过对建立的尖点突变模型的分析发现，系统失稳主要取决于系统的刚度比k与材料的均匀性或脆性指标脚值，并给出了失稳的充要条件力学判据和失稳突跳量的表达式。同时，根据材料损伤与声发射累计计数的对应关系，建立了煤柱一顶板失稳演化过程中声发射率的动力学模型。孤岛工作面两侧采空区上覆岩层中土关键层受采动影响是否充分视为区分条件，并将主关键层设为三种不同边界条件下的薄板模型，分析了孤岛工作面主关键
9、层破断的机理。关于孤岛工作面及煤柱冲击破坏的突变理论近儿年的研究成果较多，窦林名等应用突变理论，建立了煤柱受载失稳发生冲击地压的检点突变模型，得到了在刚度比和全位移两个变量控制空间下煤柱发生冲击地压动力现象的的分歧点集，得出了预测预报煤柱失稳发生冲击破坏的临界点位移公式。潘岳等基于简化的狭窄煤柱岩爆分析模型和功、能增量平衡关系，得出狭窄煤柱岩爆的折迭突变模型。而且这种突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态，可对煤柱以岩爆形式破坏或者渐进形式破坏过程的主要行为作出详细的描述，对理解围岩一煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。张勇等在潘岳所研究的基础上将未采煤层视为弹性地基，根据能量守恒
10、原理得到了功、能增量平衡关系式，求得围岩一煤柱系统作准静态形变时的平衡方程，在分析过程中，用折迭突变总势能函数作为判别准则，计算了煤柱岩爆地震能释放量，阐明煤柱岩爆机制是由于岩梁弹性能释放量超过峰后软化煤柱形变所耗的能量所造成的。徐曾和阵通过对尖点突变模型对坚硬顶板条件下煤柱岩爆非稳定机制的分析，给出了煤柱岩爆发生的准则、岩爆时的项板突跳和能量释放量，讨论了影响岩爆的因素及影响程度，并以此为基础讨论了岩爆发生的前兆规律与过程，提出了可监测的前兆信息。2）孤岛工作面冲击地压评价及控制研究现状孤岛工作面及其周围巷道附近应力集中程度高，项板运动剧烈，加上地质构造的影响及其容易发生冲击地压。己有许多学
11、者对孤岛工作面冲击地压进行了评价和控制研究，如窦林名指出孤岛工作面冲击矿压危险监测预报及控制的技术重点是首先要分析冲击危险程度，确定冲击危险指数，采用电磁辐射和钻屑法进了丁及时预报，采用爆破法进行卸压处理，用电磁辐射和钻屑法检验防治措施的效果。刘晓斐以南山矿孤岛煤柱冲击地压为例，将其它磁辐别一前兆序列划分为有危险和无危险两个样本，分析了煤柱冲击地压电磁辐射前兆时序特征，为实现冲击地压电磁辐射前兆信息的定量识别和准确预测提供依据，为冲击地压电磁辐射预测研究提供了新的尝试。姜福兴网通过建立下保护层中残留孤岛煤柱的结构力学模型，应用力学原理分析了残留煤柱及被保护层煤体中的应力状态，得到煤柱诱发冲击地
12、压的机理，井且指出保护层中残留的孤岛煤柱使上层煤中的应力水平成倍增加，在大采深条件下必然会发生冲击破坏。姜福兴的研究结果表明，煤柱诱发冲击地压的原理是在煤柱的支撑作用下形成了2个强剪切带，剪切带内的强剪切力分别使煤柱和岩层断裂，释放弹性能，从而诱发冲击地压。同时，微震监测数据显示，当微震事件不随f作面开采向前发展，而是在某一区域内停滞不前时，则此区域处于高应力区的边缘，发生冲击的可能性增加。经过理论和现场微震监测分析之后，姜福兴提出深孔爆破卸压、大孔径钻孔卸压是治理孤岛煤柱型冲击地压的有效手段。刘心广在分析了孤岛煤柱发生冲击地压危险区域的基础上，提出了以钻屑法为主、电磁辐射仪监测和钻孔应力计监
13、测相结合的方法防治冲击地压高危区域。吴兴荣通过调研徐州三河尖煤矿东翼厚煤层区域回采的三个孤岛煤柱工作面先后发生的冲击矿压，提出了合理布置巷道位置、充分利用工艺破煤效果进行卸压、采用综合检测技术进行预测预报等技术，对孤岛煤柱工作面发生冲击地压做出评价和预报。徐思朋针对煤柱冲击地压发生的滞后性，建立了一个简单力学模型，从煤柱流变性的角度给出了其发生的判别准则。1.1.3目前研究存在的问题孤岛工作面由于其特有的地质结构，特别容易发生冲击地压，这决定了其回采过程中与非孤岛工作面不同的矿压显现特征，所以针对孤岛工作面冲击失稳理论、现场矿压监测、顺槽巷道围岩支护以及冲击倾向性评价有较多的科研成果，但目前的
14、研究存在如下问题:(l)对判断孤岛工作面发生冲击失稳的指标存在争议。目前大部分研究仍然将应力集中部位视为发生冲击地压的危险区域，但现场实测显示，某些高应力区域并没有发生冲击地压。本文将通过现场监测数据对判断孤岛一作面是否发生冲击地压做初步探讨。(2)目前的研究中孤岛工作面开采过程中的矿压规律较为模糊。孤岛工作面由于其周围煤体被采空，上覆岩层的自重被孤岛工作面承担，加上特殊的地质构造，孤岛工作面回采过程中的矿压显现规律会随着矿井的条件而变化，日前无法形成适合大部分孤岛工作面回采的矿压显现规律。(3)国内外研究现状中针对孤岛工作面回采过程中能量场的变化规律涉及较少。工作面回采过程中，工作面前方能量
15、的积聚是发生冲击地压的主要因素，所以，探明孤岛工作面前方的能量变化对研究冲击破坏有一定的知道意义，本文将在这一方向做具体分析。综述所述，木文的主体思路是以孤岛工作面发生冲击地压的主要诱囚为主线，详细归纳了工作面地质构造和构造应力、工作面开采深度、煤层物理力学性质和高冲击倾向胜、顶底板岩层属性临近工作面的开采和本工作面的回采技术条件对孤岛工作面发生冲击失稳的主要影响规律;通过现场调查和矿压监测得出孤岛工作面顺槽巷道变形破坏以及工作面支架载荷的变化规律，运用电磁辐射和钻屑法评估孤岛工作面发生冲击破坏的危险程度，确定孤岛工作面发生冲击失稳的危险区域;运用数值分析的手段对不同理深、不同地应力场、不同煤
16、层厚度以及煤岩体材料各向异性对孤岛工作面冲击地压的影响进行了详细的分析和计算，进一步确定孤岛工作面发生冲击失稳的区域，并且验证现场监测结果;在此研究的基础上，分析了孤岛工作面回采过程中不同煤柱宽度情况下煤柱应力场、位移场和塑性破坏区的变化规律，进一步分析了不同煤柱宽度条件下煤柱支承压力和弹性核的随工作面回采的动态变化规律;最后提出孤岛工作面超前卸压孔的布置方案，确定了卸压孔孔径、孔深和孔间距等参数，评估防冲卸压效果。2孤岛工作面上覆岩层运动和破坏以及支承力2.1覆岩断裂系破坏分析孤岛工作面煤体支承压力比正常工作面大，并且在孤岛工作面两侧一定范围内的煤体上形成应力集中。孤岛工作面的来压步距比一般正常工作面小。这说明孤岛工作面形成过程中，上覆岩层受到两侧工作面开采影响。矿山压力显现是覆岩运动的直接反应，根据孤岛工作面开采与正常工作面开采的矿山压力显现对比，可以推知两种回采工作面上覆岩层运动和破坏存在差异。两侧工作面开采时，上覆岩层已经发生断裂破坏，如
