孤岛工作面危险性分析

孤岛工作面危险性分析,孤岛,工作面,危险性,分析 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，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，XX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。己有许多学者对孤岛工作面冲击地压进行了评价和控制研究，如XX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，如图2.1所示，可以看出孤岛工作面上覆岩层结构发生了改变，断裂破坏以上的岩层，保持了完整的结构，并承担自身以及上部岩层重力，并且有着良好的传递力条件，对该岩层可以简化成板或梁模型。孤岛工作面支承压力来源于孤岛工作面正上方覆岩以及两侧板或梁所控制的覆岩范围重力，这便是孤岛工作面支承压力较正常工作面大的直接原因。鉴于此，在开采孤岛工作面时，必然导致其上覆岩层运动和破坏不同。为了弄清孤岛工作面覆岩运动和破坏，首先分析两侧工作面开采后，覆岩运动和破坏情况。根据文献“’研究，工作面上覆岩层第一层两端断裂前悬跨度为L,，其上一岩层的实际跨度LZ = 0.8L,，依此类推。研究表明:覆岩断裂破坏高度随着工作面开采范围增加而增大，但工作面开采范围达到或者超过临界尺寸时，覆岩断裂破坏高度保持基本稳定。说明工作面采空范围大小，对上覆岩层运动和断裂破坏有着明显影响。本章主要研究两侧采空范围变化时，孤岛工作面煤体平均支承压力、工作面最小可开采尺寸和工作面开采后覆岩断裂破坏最大高度和破坏区域形态。 图1-1 两侧工作面开采后覆岩状态 2.2两侧工作面开采时覆岩断裂特征 工作面煤层开采出来后，其上覆岩层发生冒落、断裂、离层以及下沉。工作面上覆岩层中，可能存在多个覆岩层组，组内各岩层发生同步运动，组间发生分开运动。下面分析覆岩层运动情况。把工作面上覆岩层简化成两端固定梁模型。设上覆岩层共n层，从下至上分别为1、 2、 3、····n 。 由材料力学可知:两端固定岩梁弯沉时，最大曲率和挠度分别为 ρmaxi=γ1Li22Eimi2 ωmaxi=γ1Li432Eimi2 （1.1） 式中：-第i岩层容重； -第i岩层跨度； -第i岩层弹性模量； -第i岩层厚度 如果相邻两个岩梁的曲率和挠度有如下关系: 或 则表明:岩层发生同步运动，如图1-2所示： 或 则表明:岩层发生分开运动，如图1-3所示。 图1-2 岩层同步运动 1-3 岩层分步运动 根据公式(1.1)分别判断覆岩层运动情况。通过判断，设开采范围为L情况下，可分成:组同步运动，每组内有s，层岩层，如图1-4所示。 图1-4 覆岩组分开运动组内岩层同步运动 现在分析同步运动岩层受力状态，设第k (1≤K≤S)同步运动岩层组中有s*层岩层发生同步运动，每层岩层厚度为dkr(1≤r≤Sk)，密度为 ρkr(1≤r≤sk)。 由于第k岩层组中有Sk层发1r生同步运动，考虑到层状岩体中面上的抗剪力较弱，则由组合梁理论可知， Mk1 Ek1Ik1=Mk2Ek2Ik2=Mk3Ek3Ik3=…=Mk1Ek1Ik1 （1.2） 式中： -第同步运动岩层组中第层岩层弯矩； -第同步运动岩层组中第层岩层弹性模量 -第同步运动岩层组中第层岩层惯性矩，其中 由公式（2.4）可解得： Mk1 Mk2=Ek1Ik1Ek2Ik2 ,Mk1Mk3=Ek1Ik1Ek3Ik3 ,…Mk1Mkr=Ek1Ik1EkrIkr （1.3） 其组合梁矩为： Mkx= Mk1x+Mk2x+Mk13x+Mk4x+…+Mkrx=r=1skMkrx （1.4） 其中第一岩层其弯矩为， Mk1x=Ek1Ik1Mkx/r=1skMkrIkr （1.5） 由梁的受力原理可得第一层岩层受q1x/kr力： q1x=Ek1Ik1Mkx/r=1skMkrIkr （1.6） 式中： q(x)——第k同步运动岩层组自重分布载荷， q(x)= r=1skρkrdkr qk1x=(Ekrdkr3r=1skρkrdkr)/r=1skEkrdkr3 (1.7) 并且考虑到和q(x)的表达式qk1(x)时，第一层岩层受力可写成如下形式， 同理可得，在第k组同步岩层组中，如第:一1层岩层发生断裂破坏，则:r层岩层上载荷为: qk1x=(Ekrdkr3r=1skρkrdkr)/r=1skEkrdkr3 (1.8) 下面分析岩层断裂破坏情况，假设在第k同步运动岩层组中第:岩层发生一次断裂破坏，其上一层岩层第((r + I)层没有发生破坏，在第;以下的岩层认为都发生了断裂破坏。 对第r岩层，在发生断裂破坏之前，其支承条件可看作两端固定梁模型，力学模型如图1-5所示。图中L1为该岩梁的跨度。 图1-5 两端固定梁力学模型 对第k同步运动岩层组中第(r+1)层岩层不发生断裂破坏有以下两种情况:(I) 岩梁两端最大应力没有达到岩梁发生断裂破坏时极限应力，且岩梁最大挠曲小于SA (1l)岩梁两端最大应力没有达到岩梁发生断裂破坏时极限应力，且岩梁最大挠曲大于SA。这两种情况，用数学表达为: σk(r+1)max<σk(r+1)t且fk(r+1)maxL1) (1.17) 在采动范围中部正上方两侧一定位置覆岩断裂破坏最大高度H1为 H1=s=1kr=1strdsr （1.18） 图1-6 A放大 图1-7 非充分采动覆岩断裂破坏 图1-8 A放大 图1-9 充分采动覆岩断裂破坏 并且覆岩断裂破坏形态如图2.7所示。 由此可知，覆岩断裂破坏高度和破坏形态与采空范围存在着密切关系，当采空范围小于临界采空范围时，覆岩破坏最大高度为 ， H1=s=1kr=1strdsr (LL1) ，破坏形态为，两边高中间低凹形。 2.3 孤岛工作面煤体支承压力 孤岛工作面煤体支承压力较一般正常工作面煤体支承压力大，并且在孤岛工作面两侧内煤体一定范围形成应力集中，在某一位置达到最大。下面分析孤岛工作面煤体支承压力较大的原因。根据孤岛工作面两侧采空情况，分两种情况讨论:(1)两侧都没达到临界采空范围;(2)两侧超过临界采空范围。 2.3.1 两侧小于临界采空范围 根据前面分析，两侧采空范围没有达到临界范围，表明在覆岩层中，存在某一层岩层承担自身以及其上部岩层的重量，并且通过该岩层把其所承担的载荷一半传递到孤岛工作面煤体;以下发生断裂破坏岩层对孤岛工作面支承压力影响不大。孤岛工作面工作面煤体支承压力来源于二个方面，工作面正上方覆岩重力，两侧采空区上方悬跨岩层重力。 两侧工作面开采后，假设发生断裂破坏的最高层位是第i层和m层，岩层容重和厚度分别为r和d。第i+1和m十1岩层承担上方覆岩载荷Qx+1和Qk+1分别为： Qs+1=0.8mLRs=m+1ndsρs （2.1） 式中： LL-左侧采空区范围 LR-左侧采空区范围 n-岩层总层数 孤岛工作面正上方覆岩重量为Q为 Q=LGs=1ndsρs+LL2s=1i(1−0.8s)dsρs+LR2s=1m(1−0.8s)dsρs （2.2） 式中： LG-孤岛工作面侧向宽度 孤岛工作面煤体总的压力Qz为 Qz=Q+Qi+1+Qs+1 （2.3） Qz=LGs=1ndsρs+LL2s=1i1−0.8sdsρs+ LR2s=1m(1−0.8s)dsρs+0.8mLRs=m+1ndsρs (2.4) 工作面煤体支承压力平均集中系数K为， K=QzQr 式中： Qr-孤岛工作面媒体原始力 K=(QzQr+LGs=1ndsρs+LL2s=1i1−0.8sdsρs+ LR2s=1m1−0.8sdsρs+0.8mLRs=m+1ndsρs)/LGs=1nds （2.5） 上式说明，孤岛工作面煤体支承压力平均集中系数大于1，随着两侧开采范围增大，集中系数也增大，两侧采空范围接近临界范围时孤岛工作面煤体支承压力集中系数达到最大。 2.3.2 两侧临界采空范围 由前面分析可知，当两侧开采范围达到充分采动时，设采空区覆岩断裂破坏最大层位为第t层，上部t+l岩层发生沉降并且与下部断裂、冒落岩层接触，t上部岩层载荷不能完全传递到孤岛工作面上。同样孤岛工作面支承压力来源二个方面:工作面正上方覆 岩重力，两侧最高断裂破坏岩层上一层所传递到孤岛工作面煤体上的重力。 采空区上部岩层所传递到孤岛工作面煤体上力为接触位置到固定端部上力的一半。即Qs+1为 Qs+1=Lt+1s=t+1ndsρs2 （2.6） 式中： Lt+1——第t+1岩层极限跨度的一半；可以下式求得， qt+1Lt+1212Wt+1=[σt+1 （2.7） Lt+1'=12[σt+1]Wt+1qt+1 （2.8） Lt+1=Lt+1'2 （2.9） 式中： [σt+1]——第t+1岩层极限应力 qt+1——第t+1岩层上载荷 Wt+1——第t+1岩层截面模量 Lt+1'——第t+1岩层极限跨度 由式（2.8）和（2.9）可得： Qt+1=Lt+1s=t+1ndsρs2=Lt+1s=t+1ndsρs4 （2.10） 由上式可知，两侧超过临界采空范围时，孤岛工作面煤体支承压力平均集中系数不随着两侧开采范围增大而增大，即支承压力集中系数保持稳定，此时进一步增大两侧采空范围对煤体支承压力影响不大。 本章总结 两侧工作面开采后，由于中间孤岛工作面相隔，在各自采空范围上方形成断裂破坏区域，并且采空范围没有达到临界范围时，覆岩断裂破坏最大高度在采空区中部正上方，当采空范围超过临界范围时，覆岩断裂破坏最高位置在采空区上方两侧，由于未发生断裂破坏覆岩下沉作用，正上方覆岩断裂破坏高度比两侧小 。 孤岛工作面开采后，其覆岩断裂破坏范围和高度与两侧采空区有着密切联系，当两侧采空范围超过临界开采范围时，覆岩断裂破坏高度不会增加，即覆岩断裂破坏最高层位不会发生变化;当两侧采空范围中只有一侧超过临界范围时，同样覆岩断裂破坏高度不会增加，但导致没有达到临界范围侧覆岩断裂破坏高度增大:当两侧采空范围都没有达到临界范围时，覆岩断裂破坏高度会增大，并且当整个采空范围小于临界范围时，覆岩断裂破坏最大高度在整个采空范围中部正上方，破坏形态与非充分采动相似，当整个采空范围超过临界范围时，覆岩断裂破坏最高在整个采空范围上方两侧，破坏形态与达到充分采动破坏形态相似，3种情况，覆岩破坏区域都贯通。 孤岛工作面煤体支承压力平均集中系数大于1，与两侧采空范围大小存在联系，随着两侧采空范围向临界范围增大，煤体平均支承压力也增大，最大在两侧采空范围都达到临界范围时，当两侧开采范围超过临界范围时，支承压力集中系数基本保持不变。 3孤岛工作面冲击地压诱因及危险性规律 为了进一步确定孤岛工作面冲，附也压的危险区域，研究了孤岛工作面不同理深、不同地应力场、不同煤层厚度以及煤岩体材料各向异性对孤岛工作而冲击地压的诱因，分别计算了不同情况下孤岛工作面应力场和能量场的变化规律。在分析冲击地压诱因的基础上，工作面现场监测结果，确定了孤岛工作面发生冲击失稳的危险区域。 3.1孤岛工作面发生冲击地压的主要诱因分析 岛工作面作为煤矿开采中的一种特殊工作面，冲击地压的发生将以更加突然、急剧、猛烈的形式出现。根据煤岩体的应力状态不同，可将孤岛工作面冲击地压分为重力型冲击地压和构造应力型冲击地压。而冲击地压的主要诱因可以概括为不同煤厚、不同理深、不同地应力场以及煤岩体材料的各向异性。 3.1.1不同煤厚对孤岛工作面冲击地压的影响 1.应力场变化规律 本节通过研究煤层厚度为3m、5m、7m三种情况下，孤岛工作面煤层垂直应力的变化规律，以煤层垂直应力为指标讨论不同煤层厚度对孤岛工作面发生冲击破坏的影响。图2-1一图2-2为不同煤厚孤岛工作面垂直应力云图以及二维视图。 由图2-1一图2-2可以看出，孤岛工作面煤层垂直应力场的特征可以概括如下:第一，工作面前方超前支承压力范围内出现垂直应力峰值，随着远离工作面垂直应力逐渐降低直至原岩应力水平;第二，靠近煤壁的巷帮由于卸压垂直应力有很人幅度降低，随着深入煤层内部垂直应力出现应力峰值;第三，顺槽巷道与工作面叠加应力的汇交处垂直应力峰值较工作面处大:第四：工作面后方煤柱由于采空区卸压，应力集中程度高。 图2-1煤厚为3m时孤岛工作面煤层垂直应力场石图及二维视图 图2-2 煤厚为sm时孤岛下作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-3 煤厚为sm时孤岛下作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图中数据显示，随着煤厚的增加，工作面前方垂直应力峰值逐渐增大，垂直应力峰值距工作面煤壁距离也逐渐增大，即峰值位置逐渐远离工作面向煤层内部转移。顺槽巷道与工作面叠加应力的汇交处垂直应力峰值同时也随着煤厚的增加而逐渐远离工作面，表2-1给出了工作面前方垂直应力峰值及位置。 表2-1 不同煤厚孤岛工作面垂直应力分布特征统计 煤厚(m) 垂直应力峰值(MPa) 应力峰值至工作面趾离(m) 3 39.4 6.5 5 40.5 10.5 7 42.2 14.5 图2-4 不同煤厚孤岛工作面垂直应力变化情况 图为不同煤厚孤岛工作面垂直应力变化曲线。图中曲线和上表中数据显示，当煤厚为3米时，工作面前方垂直应力峰值为10.47MPa，垂直应力峰值位置距工作面煤壁6.5米；当煤厚为7米时，工作面前方垂直应力峰值为11.66MPa，垂直应力峰值位置距工作面煤壁14.5米。随着煤层厚度的增加，工作面前方发生冲击破坏的可能性逐渐增大，而且危险区域巨剑向煤层内部移动。顺槽巷道与工作面叠加应力的汇交处发生冲击破坏的危险程度最高，随着煤层厚度的增加，此区域的应力峰值也向煤层内部转移，所以应对此部位实施防冲措施。 2.能量场变化规律 当应力和应变满足线性关系时，根据虚功原理可知，物体上任意微单元变形能和外力做功在数值上相等，得到如下变形能的计算公式u=0.5δε 图2-5 单元微变性能图 当外力做功时，外力功转化为此微单元的弹性变性能，就叫做弹性应变能。由于力和变形是线性增加的，所以这是变力做功。所以，微单元每一个主应力与其主应变在如下力与位移的对应关系。 所以，当应力和应变满足线性关系时，整个微单元里应变能的数值等一r外力做的功，即作用在微单元二对面上的力所做的功， 本研究的对象是微单元单位体积里的应变能，即应变能 所以三向应力状态卜的应变比能是 根据广义胡克定律 得出微单元体在二向应力状态下的应变比能是 本节通过研究煤层厚一度为3m、5m、7m三种情况下，孤岛工作面煤层垂直应力和能量场的变化规律，以变形比能为指标讨论不同煤层厚度对孤岛工作而发生冲击破坏的影响。图2-6一图2-8为不同煤厚的孤岛工作面煤层能量场云图及三维视图。 图2-6 煤厚为3m“时孤岛工作面煤层能量场云图及三维视图 图2-7 煤厚为5m“时孤岛工作面煤层能量场云图及三维视图 图2-8 煤厚为7m“时孤岛工作面煤层能量场云图及三维视图 表2-2 不同煤厚孤岛工作面能量分布特征统汁 煤厚(m) 能量峰值(KL/m3) 能量峰值至工作面趾离(m) 3 472 6.5 5 507 10.5 7 549 14.5 图2-9 不同煤厚孤岛工作面能量变化情况 由图2-6一图2-8能量场云图和三维视图可以看出，孤岛工作面煤层能量场的特征可以概括如下:第一，给作面前方超前支承压力范围内出现能量峰值，随着远离工作面能量逐渐降低直至未受采动影响水平;第一，靠近煤壁的巷帮由于卸压能量有很人幅度降低，随着深入煤层内部出现能量峰值;第三，工作面和顺槽巷道的交界处能量峰值较工作面处大;第四，工作面后方煤柱由于采空区卸压，能量积聚程度较高。图中数据显示，随着煤厚的增加，工作面前方能量积聚程度逐渐增大，能量峰值距上作面煤壁距离也逐渐增大，即峰值位置逐渐远离工作面向煤层内部转移。顺槽巷道与工作面叠加应力汇交处的能量峰值同时也随着煤厚 的增加而逐渐远离工作面，表2-2给出了工作面前方能量积聚长度及位置。 图2-9为不同煤厚孤岛工作面能量变化曲线，图中曲线和表2-2中数据显示，当煤厚为3m时，工作面前方能量峰值为472KJ/m3，峰值位置距工作面煤壁6.5m;当煤厚为7m，能量峰值为549KJ/m，，位置距煤壁14.5m。所以，运用能量理论分析不同煤厚的孤岛工作面煤层发生冲击破坏的规律是，随着煤层厚度的增加，工作面前方发生冲击破坏的可能性逐渐增大，而且危险区域逐渐向煤层内部转移。顺槽巷道与工作面叠加应力的汇交处发生冲击破坏的危险程度最高，随着煤厚的增加，此区域的应力峰值也向煤层内部转移，所以应对此部位实施防冲措施。 3.1.2不同埋深对冲击地压的影响 不同理深对冲击地压的影响主要是指受重力作用影响下引起的冲击地压，而没有或者有极小构造应力影响，目前枣庄、抚顺和开滦等煤矿多发生重力型冲击矿压。本节将着重分析埋深500m、600m、700m、800m、I000m、1200m六种情况下煤层垂直应力场的变化规律。根据人量的地应力测试结果，我国人部分地区水平应力小上垂直应力，所以，本模拟过程中采用水平应力是垂直应力的0.5倍进行分析。图2-10一图2-15为不同埋深情况下煤层垂直应力场云图及二维视图。 图2-10埋深500m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-11埋深600m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-12埋深700m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-13埋深800m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-14埋深1000m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 图2-15 埋深1200m孤岛工作面煤层垂直应力场云图及二维视图 从垂直应力云图可以看出，随着工作面理深的增加，工作面前方支承压力逐渐向煤层内转移，超前支承压力峰值位置见表4.4。垂直应力场云图及三维视图显示，顺槽巷道和工作而叠加应力的汇交处处应力集中程度较高。随着理深的增加，汇交处的应力峰值同样向煤层内部转移。这一规律表明，煤层赋存越深，发生冲击地压的可能性越大，而且煤层发生冲击破坏的范围逐渐向煤层内部发展，除巷道超前支承压力范围内需要加强支护以外，煤层内部需要实施钻孔卸压等防冲措施。 表2-3 不同煤厚孤岛工作面能量分布特征统汁 埋深(m) 应力峰值(KL/m3) 能量峰值至工作面趾离(m) 500 29.82 5.5 600 37.40 6.5 700 41.33 6.5 800 48.69 6.5 1000 62.22 7.5 1200 74.90 7.5 图2-16 不同埋深情况下孤岛工作面超前支承压力变化情况 图2-16为不同理深工作面超前支承压力变化曲线，表2-3为超前支承压力分布特征的统计值。从上图和表中可知，随着煤层理深从500m增加到 1200m，工作面超前支承压力从29.82MPa逐渐增人到74.90MPa，增加幅度151%。由此可见，煤层赋存深度的增加导致工作面前方应力集中程度的增加，发生冲击地压的可能逐渐增大。表4.4中数据显示，煤层理深的增加会使超前支承压力远离工作面，即理深从50Om增加到 1200m时，超前支承压力从工作面前方5.5m向煤层内延伸至7.5m，使煤层内发生冲击破坏的可能性逐渐增大。但是，埋深的增加与超前支承压力位置的转移并不是呈现出线性变化规律。表中数据显示，可将埋深分为二个等级，即小于50m、大于500m小于800m、大于800m，超前支承压力位置呈现阶梯式向煤层内转移。 总之，不同理深情况下孤岛给作面发生冲击地压的特征可以概括为，煤层理深的增加导致了工作面超前支承压力的增大，而且支承压力的位置逐渐向煤层内部转移，使煤层发生冲击破坏的可能性增加，煤岩体发生冲击失稳的范围逐渐扩人到煤层内部。 总结 为了全面、系统地描述孤岛工作面冲击地压危险的机理和影响因素，以 工作面地质和开采技术条件为背景，从强度理论、能量理论和冲击倾向性理论出发，采用软件研究孤岛工作面发生冲击地压的机理。详细归纳分析了不同埋深、不同煤厚对孤岛工作面冲击地压的诱因，分别计算了不同情况下孤岛工作面应力场和能量场的变化规律，得到如下结论： 运用强度理论和能量理论分析不同煤厚的孤岛工作面煤层发生冲击破坏的规律是：随着煤层厚度的增加，工作面前方发生冲击破坏的可能性逐渐增大，而且危险区域逐渐向煤层内部转移。顺槽巷道与工作面叠加应力的汇交处发生冲击破坏的危险程度最高，随着煤厚的增加，此区域的应力峰值也向煤层内部转移，所以应对此部位实施防冲措施。 不同埋深情况下孤岛工作面发生冲击地压的特征是煤层埋深导致了工作面超前支撑压力的增大，而且支撑压力的位置逐渐向煤层内部转移，是煤层发生冲击破坏的可能性增加，煤岩体发生冲击失稳的范围逐渐扩大到煤层内部；而不同地应力场的孤岛工作面发生冲击地压的特征可以概括为水平应力的增加会导致孤岛工作面超前支撑压力增大，而且超前支撑压力的影响范围同时也在扩大，说明工作面前方发生冲击破坏的区域逐渐扩大。水平应力的增加会使此处的应力峰值增大，峰值位置向煤层内部转移，发生冲击破坏的媒体深度逐渐扩大。 随着工作面回采支撑压力峰值逐渐向前移动。压力峰值位于工作面和巷道交叉点的位置，即工作面前方7.5-10米的区域，此区域内支撑压力峰值集中程度高，发生冲击失稳的可能性较为强烈，同时，在工作面前方14-20米的范围内的护巷煤柱中同样是发生冲击失稳的危险区域。  参考文献 [1] 钱鸣高、石平五等，矿山压力与岩层控制，中国矿业大学出版社，2003 [2] 钱鸣高等，岩层控制中的关键层理论研究[J]，煤炭学报，V61.21 No.3 1996 [3] XX等，坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析[[J]，煤矿开采，Vol 8 No.2, 2003 [4] 姜福兴，采场顶板控制设计及其专家系统[M]，中国矿业大学出版社，1995 [5] 钱鸣高等，采场覆岩中关键层上载荷的变化规律[Iii，煤炭学报，Vol.23 No.2,1998 [6] 杜计平等，支承压力作用下深部巷道的变形规律[J]，矿山压力与顶板管理No.4, 1994 [7] 煤科院北京开采所，煤矿地表移动与覆岩破坏规律及应用[M]，煤炭工业出版社，1981.12 [8] 朱庆华，孤岛工作面开采浅探[[J]，矿山压力与顶板管理，N0.3 1997 [9] 吴士良，对采场矿山压力有明显影响的覆岩破坏运动演化规律[D]，山东科技大学，2002 [10] 隋金峰等，“孤岛”对拉回采面通风系统调整[J]，山东煤炭科技，No.2 1996 [11] 布克林斯基BA，矿山岩层与地表移动[M]，王金庄译:煤炭工业出版社，1989. [12] 李厚勤，试析动压构造对软岩顶板孤岛煤柱开采的影响[[J]，山东煤炭科技，NO. 1 , 2000 [13] 赵国栋，孤岛煤柱综放面矿压显现特征浅析[LJl，西安科技学院学报，vol.20增刊， 2000.6 [14] 朱庆华，孤岛工作面开采浅探[[J]，矿山压力与顶板管理，N0.3 1997 [15] 李科举等，孤岛工作面松软破碎顶板的控制[J]，矿山压力与顶板管理，No.2 [16] 马庆云，采场支承压力分布规律及其发展规律[[J]，煤，No.5 1996 [17] 赵经彻，关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题，岩石力学与工程学报，1997 [18] 刘鸿文等材料力学，高等教育出版社[MI, 2004 [19] 许家林等，岩层控制关键层理论的应用研究与实践[fJ]，中国矿业，Vol 10 No.6, 2001 [20] XX等，坚硬顶板对冲击矿压危险的影响分析[[J]，煤矿开采，Vol 8 No.2, 2003 [21] 缪协兴等，，采动岩体的关键层理论研究新进展[[J]，中国矿业大学学报，Vol 29 No. l2000 [22] 闻吉太等，“孤岛’，综采放顶煤工作面矿压预测预报[[3]，中国矿业大学学报，Vol.25 No.41996 [23] 吕锡田，63 101“孤岛”综放工作面综合防灭火治理研究[J]，山东煤炭科技，No.l 1995 [24] 邵光宗等，63上01“孤岛”综放面的矿压观测研究[[J]，煤矿开采，增刊，1996 [25] 缪协兴等，，采动岩体的关键层理论研究新进展[[J]，中国矿业大学学报，Vol 29 No. l200