義馬煤田特厚煤層區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性分析

張萬鵬，王佩璐，廉 潔，姚小帥，王 康

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南義馬 472300；2.義煤公司職教中心，河南義馬 472300）

義馬煤田特厚煤層區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性分析

張萬鵬1，王佩璐2，廉 潔1，姚小帥1，王 康1

（1.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南義馬 472300；2.義煤公司職教中心，河南義馬 472300）

為了研究義馬煤田特厚煤層和煤厚變化等地質(zhì)因素與沖擊地壓之間的關(guān)系，以義馬煤田的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，描述了煤田的沖擊地壓概況和煤層特征，分析了特厚煤層及其厚度變化區(qū)域的沖擊地壓危險(xiǎn)性。研究指出，特厚煤層區(qū)域，采高大，采掘活動(dòng)對(duì)煤層上覆堅(jiān)硬頂板擾動(dòng)大，易造成采后堅(jiān)硬頂板彈性能的蓄積，從而導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生；煤層厚度急劇變化區(qū)域，煤層受到水平附加應(yīng)力的影響，易造成局部應(yīng)力集中，加之煤層厚度變化區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致煤巖體性質(zhì)發(fā)生變化，沖擊地壓發(fā)生的可能性也更大。最終指出特厚煤層及其厚度變化區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性較強(qiáng)，并提出了沖擊地壓危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，為義馬煤田受沖擊地壓威脅礦井的沖擊地壓防治工作提供了指導(dǎo)。

特厚煤層；沖擊地壓；煤層厚度；煤厚變化；義馬煤田

0 引言

沖擊地壓是在開發(fā)礦產(chǎn)資源時(shí)，地層受到擾動(dòng)而發(fā)生的典型的礦山動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為采掘空間周圍煤巖體中所積聚的彈性應(yīng)變能突然、劇烈的釋放，常導(dǎo)致巷道損毀，甚至造成重大人員傷亡，對(duì)礦山安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。近年來，隨著采掘活動(dòng)向深部延伸、開采強(qiáng)度的不斷增大，受沖擊地壓威脅的礦山越來越多，危害越來越重。

義馬煤田位于三門峽市境內(nèi)，是全國(guó)沖擊地壓災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，其沖擊地壓事件多發(fā)生在煤田深部特厚煤層及煤厚急劇變化區(qū)域。針對(duì)義馬煤田的沖擊地壓災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外專家開展了大量研究，提出了針對(duì)性的防治對(duì)策，為沖擊地壓防治工作提供了科學(xué)指導(dǎo)[1-5]。沖擊地壓是地質(zhì)因素和采礦因素綜合作用的結(jié)果，在以往研究中，多從采礦因素角度出發(fā)，較少開展關(guān)于地質(zhì)因素方面的研究，更沒對(duì)煤層與沖擊地壓之間的關(guān)系進(jìn)行專門分析。本研究意在結(jié)合義馬煤田煤層賦存特征，分析特厚煤層與煤厚急劇變化區(qū)域的沖擊地壓危險(xiǎn)性，為防治沖擊地壓提供啟示。

1 沖擊地壓發(fā)生情況

義馬煤田位于三門峽市境內(nèi)，是河南省唯一的中生代成煤盆地，下屬5對(duì)井工開采礦井（楊村礦、耿村礦、千秋礦、躍進(jìn)礦和常村礦）和1個(gè)露天礦（北露天礦）。義馬煤田沖擊地壓從20世紀(jì)80年代開始顯現(xiàn)，由于未影響生產(chǎn)、缺乏認(rèn)識(shí)，故未做記錄。首次有記錄的是1998年在千秋煤礦18152工作面所發(fā)生的沖擊地壓事件，導(dǎo)致巷道底鼓變形，損壞大量工字鋼支架，沖擊煤量約500 m3，局部區(qū)段幾近充填。該事故造成2人死亡，1人受傷，工作面停產(chǎn)60 d。之后，義馬煤田中部5對(duì)礦井陸續(xù)出現(xiàn)沖擊地壓，不同程度地受到?jīng)_擊地壓威脅。近年來，義馬煤田5對(duì)生產(chǎn)礦井均轉(zhuǎn)入深部開采，隨著采深的增加和開采強(qiáng)度的加大，沖擊地壓災(zāi)害趨于嚴(yán)重。截至到2014年7月，義馬煤田已累計(jì)發(fā)生有記錄的較為明顯的沖擊地壓107次，累計(jì)損毀巷道數(shù)千米，死亡30余人，直接、間接經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)達(dá)數(shù)億元，成為全國(guó)沖擊地壓危害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一。

2 地層及煤層特征

2.1 地層

義馬煤田煤層直接頂板一般為泥巖，之上為中侏羅統(tǒng)馬凹組，為砂礫巖-泥砂巖互層，平均厚度166 m。再向上為發(fā)育到地表或接近地表的最厚達(dá)700余米的上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖層。煤層底板發(fā)育有薄層泥巖、煤矸互層或與底礫巖直接相連（圖1）。

圖1 義馬煤田地層柱狀簡(jiǎn)圖Figure 1 Yima coalfield simplified stratigraphic column

2.2 煤層

2.2.1 煤層的分叉性

義馬煤田主要含煤巖系屬中侏羅統(tǒng)義馬組，共含煤五層，分2組5層，自上而下分別是1煤組的1-1煤和1-2煤，2煤組的2-1煤、2-2煤和2-3煤；2煤組在深部合并，合并區(qū)統(tǒng)稱為2-3煤。

目前，各礦井均在煤田深部開采合并區(qū)2-3煤。2-3煤位于煤系底部，在煤田內(nèi)普遍發(fā)育，分布面積廣。煤厚0～37.5 m，平均8 m，厚度大，厚度變化亦大，且隨埋深增加，2-3煤先與2-2煤合并，后在煤田深部又與2-1合并為一層（圖2）。煤層分叉的標(biāo)準(zhǔn)為煤層中存在厚度大于500 mm的夾矸，圖2中陰影區(qū)域內(nèi)，2-1煤和2-3煤之間存在夾矸，雖然厚度多在1～3 m，平均2 m左右，但與其他煤層分叉區(qū)域相比，夾矸厚度相對(duì)較薄，為了便于統(tǒng)一分析，在本文中將該區(qū)域稱為2-1煤和2-3煤的近合并區(qū)。

圖2 義馬煤田2煤組合并線平面圖Figure 2 Yima coalfield coal No.2 merging line plan

2.2.2 煤層的沖擊傾向性

沖擊傾向性是指煤巖體發(fā)生沖擊破壞的固有能力或?qū)傩?，是引起沖擊地壓的一個(gè)內(nèi)在因素。生產(chǎn)實(shí)踐與試驗(yàn)研究表明：①在一定的圍巖與壓力條件下，任何煤層中的巷道或采場(chǎng)都可能發(fā)生沖擊地壓。②煤的強(qiáng)度越高，引發(fā)沖擊地壓所要求的應(yīng)力越??；反過來說，若煤的強(qiáng)度越小，要引發(fā)沖擊地壓，就需要比硬煤高得多的應(yīng)力。③煤的沖擊傾向性是評(píng)價(jià)煤層沖擊性的特征參數(shù)之一。

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)、北京煤科總院、遼寧工程大學(xué)等科研院所和高校根據(jù)煤層沖擊傾向性判別指標(biāo)，對(duì)義馬煤田中部五礦的煤層沖擊傾向性進(jìn)行了鑒定，結(jié)論是：義馬煤田五礦煤層為弱沖擊傾向或強(qiáng)沖擊傾向，具有沖擊危險(xiǎn)性（表1）。

2.2.3 煤層的厚度變化

義馬煤田多煤層發(fā)育，煤層多含夾矸，煤層厚度大、厚度變化大。義馬煤田煤層特征存在著東西分區(qū)、南北分帶的特點(diǎn)。從東西方向上看，煤田西部楊村礦、耿村礦和千秋礦西翼一帶煤層發(fā)育好；東部常村礦一帶煤層發(fā)育較好，大部分區(qū)域煤厚在10 m以上，煤層厚度最大區(qū)域位于千秋礦西翼，最厚達(dá)30余米；中部千秋礦東翼至和躍進(jìn)礦一帶煤層發(fā)育相對(duì)較差，煤層厚度多在8 m以下。從南北方向上看，由北往南煤層厚度逐漸增大（圖3）。厚煤區(qū)和特厚煤區(qū)主要發(fā)育在煤田的南部，尤其在煤層合并區(qū)，由于受煤田南部逆沖推覆構(gòu)造的推擠作用，在臨近斷層區(qū)域，局部煤厚可達(dá)百余米。

表1 義馬煤田煤層沖擊傾向性鑒定Table 1 Yima coalfield coal seam pressure bump tendencies identification

3 煤層厚度與沖擊地壓的關(guān)系

沖擊地壓與煤層厚度關(guān)系密切，在其它影響因素相同條件下，二者大體呈正相關(guān)關(guān)系。義馬煤田煤層合并區(qū)厚度較大，大部分區(qū)域煤層厚度在10 m以上，屬特厚煤層。近十幾年來，義馬煤田各礦井普遍采用一次采全高放頂煤回采工藝。全部開采后，煤層厚度大的區(qū)域必然對(duì)頂板的擾動(dòng)破壞也大，導(dǎo)裂發(fā)育高度更高，所波及的上覆礫巖更厚，更容易造成頂板巨厚堅(jiān)硬巖石的猛然斷裂和所蘊(yùn)藏彈性能的瞬間釋放，發(fā)生沖擊地壓的可能性和規(guī)模也更大。

義馬煤田煤層頂板發(fā)育上侏羅統(tǒng)巨厚礫巖，義馬煤田2煤組距離上侏羅統(tǒng)礫巖平均約200 m，為了確定特厚煤層綜采工作面采后“三帶”的發(fā)育高度和波及范圍，引入《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》中關(guān)于頂板為堅(jiān)硬巖石的導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算采后“三帶”發(fā)育高度：

式中：Hf——導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶），ｍ；

M——累計(jì)采厚，ｍ；

n——煤分層層數(shù)。

根據(jù)計(jì)算公式可知，采用放頂煤一次采全高采煤工藝，當(dāng)采高大于8.7 m時(shí)，采后導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度可以達(dá)到200 m，能夠延伸至上侏羅統(tǒng)礫巖層下段。義馬煤田煤層合并區(qū)，煤厚多在10 m以上，采后導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度均能到達(dá)上侏羅統(tǒng)礫巖段，該礫巖巖性堅(jiān)硬，完整性好，抗變形能力強(qiáng)，煤層開采后，不易垮落，利于彈性變形能的儲(chǔ)存，所積聚彈性能將逐漸增大，一旦礫巖頂板發(fā)生脆性斷裂，巨大的彈性能將瞬間釋放，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。煤層厚度越大的區(qū)域，采后“三帶”發(fā)育高度更高，對(duì)上侏羅統(tǒng)堅(jiān)硬礫巖的擾動(dòng)越大，越易導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生（表2）。

表2 義馬煤田沖擊事件頻發(fā)區(qū)域2-3煤層厚度Table 2 Yima coalfield pressure bump accident frequent occurrence area coal No.2-3 thickness

4 煤厚急劇變化與沖擊地壓的關(guān)系

煤厚變化實(shí)際上也反映了煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀的變化，煤厚變化大，煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀變化也大。根據(jù)煤層受力分析，當(dāng)煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀變化時(shí)，在煤層內(nèi)必然產(chǎn)生附加水平應(yīng)力，該應(yīng)力大小決定于煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀變化的大小，煤厚穩(wěn)定，煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)狀也穩(wěn)定，則水平附加應(yīng)力為0；如果煤層產(chǎn)狀變化大，附加水平應(yīng)力也大（圖4）[6-7]。

圖4 煤厚變化引起地應(yīng)力變化示意圖Figure 4 Schematic diagram of in-situ stress variation caused by coal thickness changes

煤層厚度異常變化，除沉積環(huán)境差異原因外，往往與構(gòu)造的推滑、擠壓、牽引等作用有關(guān)。義馬煤田2煤組在淺部分叉，深部合并。在合并區(qū)，煤層厚度大，普遍在10 m以上，一半以上區(qū)域煤層厚度超過20 m；在合并帶附近煤層厚度變化大，煤層厚度最大可達(dá)35 m，最小不足1 m；在靠近F16逆斷層附近，由于受到推擠、阻滯等地質(zhì)作用，煤層急劇增厚，最厚超過100 m。煤層厚度變化區(qū)段，易造成應(yīng)力集中，易導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生[8]。

本研究采用煤厚等值線梯度（單位距離煤厚變化量）定量表示煤厚變化情況。義馬煤田2-3煤層厚度急劇變化區(qū)域（2-3煤厚等值線梯度較大區(qū)域）位于煤層合并帶，主要分布在楊村井田東南部、耿村井田東翼和千秋井田西翼、躍進(jìn)井田東翼深部三個(gè)區(qū)域，其煤厚等值線梯度分別為0.031～0.043，0.023～0.026和0.017～0.024，而其他區(qū)域2-3煤厚等值線梯度多在0.006以下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年7月，義馬煤田發(fā)生的107次沖擊事件中，位于上述三個(gè)區(qū)域的沖擊事件有87次，占比81%（圖5）。

圖5 義馬煤田2-3煤層厚度急劇變化區(qū)域分布圖Figure 5 Yima coalfield coal No.2-3 thickness drastic changing area distribution

同時(shí)，煤層厚度變化處往往是構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，該區(qū)域附近存在著較高的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)煤體中裂隙發(fā)育，存在大量層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)開采活動(dòng)影響到該區(qū)域時(shí)，煤巖體極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生[9]。

5 沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法

對(duì)于特厚煤層及其厚度急劇變化區(qū)域的沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，大致可以分為兩類。一類是以鉆屑法為主的局部探測(cè)法，包括煤巖體變形觀測(cè)法（頂板動(dòng)態(tài)、圍巖變形）、煤巖體應(yīng)力測(cè)量法（相對(duì)應(yīng)力測(cè)量，絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量）等，主要用于探測(cè)采掘局部區(qū)段的沖擊危險(xiǎn)程度。第二類是系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法，包括地音系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法和微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法，以及其他地球物理方法（地溫、地電、地磁等）。根據(jù)連續(xù)記錄煤巖體內(nèi)出現(xiàn)的動(dòng)力現(xiàn)象預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)。在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)采取局部探測(cè)法和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法相結(jié)合的方法，在常規(guī)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)在時(shí)間和空間上進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，例如，對(duì)于局部探測(cè)法，在上述區(qū)域應(yīng)加密鉆屑法施工鉆孔密度，增加煤巖體變形和煤巖體應(yīng)力變化觀測(cè)次數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法，應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析工作，根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果制定針對(duì)性的沖擊地壓防治措施。

6 結(jié)語

特厚煤層及其厚度變化區(qū)域沖擊地壓危險(xiǎn)性較強(qiáng)。相對(duì)于薄煤層，特厚煤層區(qū)域，放頂煤開采后，頂板“三帶”發(fā)育高度更高，對(duì)頂板擾動(dòng)更大，能夠波及堅(jiān)硬頂板的厚度更大，更易造成采后堅(jiān)硬頂板彈性能的積聚，當(dāng)蓄積彈性能超過堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生；與煤厚穩(wěn)定區(qū)域相比，煤厚變化區(qū)域煤層受到水平附加應(yīng)力，易造成局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度隨煤厚變化情況而變。同時(shí)，煤厚變化區(qū)往往構(gòu)造較為發(fā)育，煤巖體性質(zhì)發(fā)生變化，在采礦活動(dòng)影響下，煤巖體極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。針對(duì)特厚煤層及其厚度急劇變化區(qū)域的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，在防沖工作中可采取局部探測(cè)法和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法相結(jié)合的方法做好沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，為制定針對(duì)性地沖擊地壓防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

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Extra-thick Coal Seam Area Pressure Bump Hazard Analysis in Yima Coalfield

Zhang Wanpeng1,Wang Peilu2,Lian Jie1,Yao Xiaoshuai1and Wang Kang1
(1.Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.Vocational Education Center of Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300)

To study relationship between geological factors of extra-thick coal seam,coal thickness variation and pressure bump in the Yima coalfield.On the basis of geological condition in the coalfield,described the coalfield pressure bump general situation and coal seam features;analyzed extra-thick coal seam and its thickness variation area pressure bump hazard.The study has shown that in extra-thick coal seam with large shear height area,disturbance from mining activities on overlying hard roof is large,and easy to cause buildup of hard roof elastic energy,thus result in pressure bumps.In coal seam thickness drastic changing area,coal seam is impacted by horizontal subsidiary stress,easy to cause local stress concentration,together with developed structures,have changed coal and rock mass properties,thus caused more pressure bump possibilities.Finally the paper pointed out:in extra-thick coal seam area and thickness drastic changing area have larger pressure bump hazard,and put forward prediction and forecast methods,thus provided guidance for prevention and control works in pressure bump threatened coalmines.

extra-thick coal seam;pressure bump;coal seam thickness;coal thickness changing;Yima coalfield

TD321+.1

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.11

1674-1803(2017)01-0053-04

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（41130419）

張萬鵬（1986—），男，河南魯山人，碩士研究生，工程師，主要從事礦井水文地質(zhì)方面的研究。

2016-07-11

責(zé)任編輯：樊小舟