黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓地質(zhì)特征與防治

潘俊鋒，簡(jiǎn)軍峰，劉少虹，趙文革，原德勝，王洪濤，劉 虎

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.陜西省煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)督管理局，陜西 西安 710000； 3.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 711300；4.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 711300； 5.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 711300)

沖擊地壓是典型煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一，并可能誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自然發(fā)火、冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害，嚴(yán)重威脅我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)[1-10]。我國(guó)主要沖擊地壓礦區(qū)，在致沖主控因素上表現(xiàn)出顯著的共性特征，比如河南義馬礦區(qū)主要受巨厚礫巖和大型逆沖斷層影響；山東兗州礦區(qū)主要受上覆巨厚紅層砂巖影響；山東巨野礦區(qū)主要受厚表土薄基巖影響；山東濟(jì)寧礦區(qū)主要受斷層構(gòu)造影響。上述大型主控因素往往是形成沖擊地壓的主導(dǎo)因素。因此，橫向總結(jié)礦區(qū)主控因素，基于主控因素開(kāi)展礦區(qū)沖擊地壓災(zāi)害分類防治是新時(shí)期沖擊地壓災(zāi)害防治的重點(diǎn)，也為解決群死群傷的重大沖擊地壓災(zāi)害提供了新思路。

本文利用課題組多年來(lái)在陜西省開(kāi)展研究得來(lái)的數(shù)據(jù)成果，以陜西黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)、永隴礦區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)域沖擊地壓發(fā)生的自然地質(zhì)特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)得出黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓地質(zhì)特征，提出了防治思路與建議，為黃隴侏羅紀(jì)煤田深部安全開(kāi)采提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓礦井條件

1.1 沖擊地壓礦井地質(zhì)開(kāi)采條件

陜西省主要煤炭資源可分為五大煤田，即陜北侏羅紀(jì)煤田、陜北石炭二疊紀(jì)煤田、陜北三疊紀(jì)煤田、渭北石炭二疊紀(jì)煤田和黃隴侏羅紀(jì)煤田。黃隴侏羅紀(jì)煤田包括了永隴礦區(qū)、彬長(zhǎng)礦區(qū)、黃陵礦區(qū)(煤層平均埋深350m)、焦平礦區(qū)(煤層平均埋深400m)和旬耀礦區(qū)(煤層埋深200～350m)。截至2018年12月，陜西省沖擊地壓礦井共計(jì)12座，主要分布于煤層埋深較大的黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)、永隴礦區(qū)，行政區(qū)劃屬咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣、彬縣和寶雞市麟游縣境內(nèi)。彬長(zhǎng)礦區(qū)主采4號(hào)煤層，永隴礦區(qū)主采2號(hào)、3號(hào)煤層，各煤層普遍較硬，埋深大，厚度變化大，瓦斯高，頂部堅(jiān)硬，并且富含裂隙水。各礦井地質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)條件詳細(xì)見(jiàn)表1。

1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

表1 黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓礦井地質(zhì)及開(kāi)采條件

沖擊地壓在陜西省煤礦出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)較晚，直到2013年黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)、永隴礦區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)，沖擊地壓災(zāi)害才開(kāi)始凸顯，但之后沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量、發(fā)生次數(shù)井噴式增長(zhǎng)，短短4a內(nèi)即成為黃隴侏羅紀(jì)煤田深部開(kāi)采區(qū)主要災(zāi)種之一。

據(jù)調(diào)研，2013年1月，胡家河煤礦在準(zhǔn)備402103工作面時(shí)首次發(fā)生沖擊地壓，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為煤炮頻繁且劇烈，煤塊彈射嚴(yán)重，頂?shù)装逅查g大變形，錨索斷裂頻繁等。該礦沖擊地壓顯現(xiàn)主要表現(xiàn)在構(gòu)造影響區(qū)的采掘擾動(dòng)。

彬長(zhǎng)礦區(qū)的孟村煤礦沖擊地壓發(fā)生在一盤(pán)區(qū)開(kāi)拓大巷掘進(jìn)期間，主要分在褶曲與斷層帶。亭南煤礦在2盤(pán)區(qū)開(kāi)采第3個(gè)工作面時(shí)出現(xiàn)了沖擊地壓顯現(xiàn)，并且單面可達(dá)42次沖擊，主要表現(xiàn)為向斜軸部的臨空巷道。高家堡煤礦在一盤(pán)區(qū)3條開(kāi)拓大巷同一區(qū)域發(fā)生多次沖擊地壓。

永隴礦區(qū)崔木煤礦頂板堅(jiān)硬，在盤(pán)區(qū)大巷、工作面回采巷道、停采回撤聯(lián)絡(luò)巷多次發(fā)生沖擊地壓。招賢煤礦工作面回采、掘進(jìn)都出現(xiàn)了沖擊地壓顯現(xiàn)。此外郭家河煤礦也有沖擊地壓動(dòng)力現(xiàn)象，周邊的園子溝煤礦目前仍處于建設(shè)階段，開(kāi)拓及準(zhǔn)備期間可見(jiàn)輕微動(dòng)力現(xiàn)象，經(jīng)評(píng)價(jià)具有沖擊危險(xiǎn)性。

2 黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓地質(zhì)特征

2.1 煤巖沖擊傾向性

一般來(lái)說(shuō)，煤巖沖擊傾向性越強(qiáng)，發(fā)生沖擊地壓的可能性就越大，但并不是說(shuō)具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層就一定會(huì)發(fā)生沖擊地壓，沖擊地壓的發(fā)生不僅僅與煤、巖層的沖擊傾向性有關(guān)，而且與煤巖層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和煤巖層的組合形式具有密切的關(guān)系，同時(shí)還受開(kāi)采技術(shù)條件的直接影響。沖擊傾向性是煤巖發(fā)生沖擊地壓的必要因素之一。

黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓礦井煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表2所示。由表可知，彬長(zhǎng)礦區(qū)4煤層強(qiáng)度較高，大部分區(qū)域4煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度可達(dá)20MPa以上，包括高家堡、孟村和胡家河煤礦，具有強(qiáng)沖擊傾向性，小莊和雅店礦具有弱沖擊傾向性。此外，附近礦井開(kāi)采的1煤、2煤和3煤均具有弱沖擊傾向性。

黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓礦井頂板巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果如表3所示。由表可知，煤層頂板以弱沖擊傾向性為主，除亭南和小莊煤礦的頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性。

2.2 開(kāi)采深度

沖擊地壓的發(fā)生和煤層埋深有一定關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析表明開(kāi)采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性也越大。我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊地壓的最小臨界深度大都在400m左右。由于不同礦區(qū)的地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件不同，沖擊地壓發(fā)生的最小臨界深度差異較大，根據(jù)胡家河、孟村、亭南、高家堡等礦井動(dòng)力顯現(xiàn)情況分析，彬長(zhǎng)礦區(qū)沖擊地壓臨界深度約為500～600m。

表2 各礦井煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果

表3 各礦井頂部巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果

如表4所示，黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)、永隴礦區(qū)所選的這9個(gè)礦井煤層埋深普遍較大，其中亭南煤礦207工作面煤層最大埋深接近700m，胡家河煤礦、小莊煤礦40214工作面煤層最大埋深均達(dá)到760m，孟村煤礦401～403盤(pán)區(qū)煤層最大埋深接近900m，高家堡煤礦沖擊地壓災(zāi)害比較嚴(yán)重的一盤(pán)區(qū)煤層最大埋深超過(guò)1089m。永隴礦區(qū)崔木煤礦22302工作面、招賢煤礦1307工作面礦井煤層埋深一般在600m左右，園子溝煤礦首采面的最大埋深超過(guò)840m。埋深比較小的是彬長(zhǎng)礦區(qū)的雅店礦井，首采面范圍1煤最大埋深僅為446.85m，而4煤的最大埋深也超過(guò)600m。

2.3 頂板特性

實(shí)踐表明，鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖或礫巖往往具有較高的強(qiáng)度，當(dāng)其厚度超過(guò)10m時(shí)，采空區(qū)周邊懸頂問(wèn)題較為顯著。頂板懸頂不僅會(huì)給采場(chǎng)圍巖產(chǎn)生高應(yīng)力集中，而一旦斷裂，其產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載也容易誘發(fā)采場(chǎng)沖擊地壓[11]。

表4 各礦井的部分區(qū)域埋深情況

黃隴侏羅紀(jì)煤田各礦井頂板巖層情況如表5所示。由表可知，各礦井煤層上方100范圍內(nèi)的頂板巖層多以粗粒砂巖、中粒砂巖及含礫粗砂巖為主；一般而言，基本頂砂巖承載能力較強(qiáng)，在工作面回采及相鄰采空區(qū)通過(guò)該層頂板產(chǎn)生的動(dòng)、靜載荷對(duì)采掘空間造成影響；當(dāng)?shù)V井出現(xiàn)大面積采空區(qū)時(shí)，洛河砂巖層及宜君組礫巖層等關(guān)鍵層的影響將會(huì)逐漸增大，這些巖層通過(guò)傳遞靜載荷使得采掘空間的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)一步升高。

表5 各礦井頂板巖層情況

2.4 褶曲構(gòu)造

研究表明，在煤巖層褶曲構(gòu)造的向斜和背斜軸部區(qū)域應(yīng)力水平較高，且最大主應(yīng)力一般為水平構(gòu)造應(yīng)力，更易于引起以巷道頂、底板受到顯著破壞為主的礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓，該規(guī)律在掘進(jìn)巷道表現(xiàn)尤為突出。

黃隴侏羅紀(jì)煤田礦井地質(zhì)構(gòu)造情況如表6所示。彬長(zhǎng)礦區(qū)內(nèi)有5組褶曲，分別是：麟游背斜、路家—小靈臺(tái)背斜、七里鋪-西坡背斜、大佛寺向斜、孟村向斜(圖1)[12]。

表6 各礦井褶曲分布

2.5 地應(yīng)力場(chǎng)

國(guó)內(nèi)外井下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明，巖層中的水平應(yīng)力在很多情況下大于垂直應(yīng)力，而且水平應(yīng)力具有明顯的方向性，最大水平主應(yīng)力明顯高于最小水平主應(yīng)力，這種趨勢(shì)在淺部礦井尤為明顯。因此，水平應(yīng)力的作用逐步得到人們的認(rèn)識(shí)和重視。

由表7可知，黃隴侏羅紀(jì)煤田部分礦井地應(yīng)力場(chǎng)為構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)型，大部分區(qū)域?qū)儆诟呋虺邞?yīng)力場(chǎng)。各礦井均有一些巷道與最大水平主應(yīng)力的夾角較大，這些巷道在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道沖擊危險(xiǎn)性升高。

表7 部分礦井地應(yīng)力場(chǎng)情況

3 黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓防治技術(shù)

3.1 建設(shè)礦井低應(yīng)力優(yōu)化布置

黃隴侏羅紀(jì)煤田埋深較大，針對(duì)處于建設(shè)階段的礦井，為了實(shí)現(xiàn)源頭防沖，課題提出應(yīng)從開(kāi)拓、準(zhǔn)備階段就進(jìn)行靜載荷疏導(dǎo)[13-14]，以降低后期局部解危的難度和強(qiáng)度。以高家堡煤礦為例，分析認(rèn)為高家堡煤礦埋深較大，采掘空間基礎(chǔ)靜載荷較為充足，依據(jù)沖擊地壓防治的成套理論與技術(shù)體系：

(1)進(jìn)行了煤巖層沖擊傾向性鑒別，認(rèn)為煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装鍨槿鯖_擊傾向性。

(2)基于最大水平主應(yīng)力方向調(diào)整了一盤(pán)區(qū)大巷方向，并將一盤(pán)區(qū)大巷外延段以及二盤(pán)區(qū)大巷調(diào)整至頂板巖層中，以降低巷道極限平衡區(qū)應(yīng)力集中程度。

(3)將礦井原計(jì)劃采用的分層綜采，基于防沖角度，調(diào)整為一次采全厚的綜放開(kāi)采工藝。由于頂煤的墊層作用，以降低采場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性。

(4)將原來(lái)設(shè)計(jì)的盤(pán)區(qū)兩翼開(kāi)采，調(diào)整為多盤(pán)區(qū)單翼“一區(qū)一面”開(kāi)采，避免了采掘擾動(dòng)應(yīng)力疊加影響。

(5)將原來(lái)設(shè)計(jì)的工作面區(qū)段煤柱由20m調(diào)整為6m沿空掘巷布置，降低了區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度。

此外，對(duì)胡家河煤礦、孟村煤礦也進(jìn)行了盤(pán)區(qū)布置優(yōu)化調(diào)整。實(shí)現(xiàn)“多盤(pán)區(qū)、單翼、一區(qū)一面”低壓均衡生產(chǎn)。

3.2 生產(chǎn)礦井動(dòng)靜載分源調(diào)控

針對(duì)生產(chǎn)礦井及建設(shè)礦井的采掘工作面，12座沖擊地壓礦井共采用了5種沖擊地壓解危方法，包括煤層鉆孔卸壓、煤層爆破、頂板爆破、底板爆破、煤層注水等進(jìn)行動(dòng)靜載荷源分源調(diào)控。

其中9座礦井采用了煤層靜載鉆孔卸壓方法，包括：胡家河煤礦(φ113mm)、高家堡煤礦(φ150mm)、崔木煤礦(φ133mm)、亭南煤礦(φ150mm)、小莊煤礦(φ133mm)、孟村煤礦(φ113mm)、郭家河煤礦(φ105mm)、水簾洞煤礦(φ120mm)、蔣家河煤礦(φ120mm)。3座礦井采用了煤層爆破方法，包括：崔木煤礦、高家堡煤礦、胡家河煤礦。1座礦井采用了煤層注水防沖方法，為胡家河煤礦。

4座礦井采用了頂板動(dòng)載源爆破方法，包括：胡家河煤礦、高家堡煤礦、崔木煤礦、亭南煤礦。

2座礦井采用了底板水平應(yīng)力爆破方法，包括崔木煤礦、亭南煤礦。

4 下一步建議

(1)開(kāi)展覆巖“三帶”高度探測(cè)分析。黃隴侏羅紀(jì)煤田除了沖擊地壓災(zāi)害外，具有高瓦斯、復(fù)雜水文地質(zhì)條件，地表沉陷，覆巖三帶高度分析對(duì)采掘工作面礦壓顯現(xiàn)、沖擊地壓以及涌水量研究具有較大意義。

(2)謹(jǐn)防深部盤(pán)(采)區(qū)大巷群無(wú)動(dòng)載沖擊[8]。黃隴侏羅紀(jì)煤田深部資源開(kāi)發(fā)，已經(jīng)出現(xiàn)了，早已穩(wěn)定的在用盤(pán)區(qū)大巷多次發(fā)生沖擊地壓，并且發(fā)生在全礦井停產(chǎn)階段，此類無(wú)動(dòng)載荷源沖擊地壓隱蔽性強(qiáng)，為災(zāi)害治理帶來(lái)難度。

(3)統(tǒng)籌規(guī)劃礦區(qū)內(nèi)各礦井邊界開(kāi)采設(shè)計(jì)。黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)、永隴礦區(qū)內(nèi)相鄰礦井都存在沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，各礦井應(yīng)該注意邊界相鄰開(kāi)采區(qū)域處于各自監(jiān)測(cè)盲區(qū)，而又受到采掘擾動(dòng)，應(yīng)開(kāi)展聯(lián)合監(jiān)測(cè)、聯(lián)合防治。

(4)繪制彬長(zhǎng)、永隴礦區(qū)地應(yīng)力總體分布圖。黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓礦井主要受褶曲構(gòu)造影響，隨著各礦井地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)不斷完善，應(yīng)繪制彬長(zhǎng)、永隴礦區(qū)地應(yīng)力總體分布圖，以為各礦井開(kāi)拓、開(kāi)采布置提供基本環(huán)境應(yīng)力指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

在各礦井沖擊地壓顯現(xiàn)特征分析基礎(chǔ)上，結(jié)合黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)、永隴礦區(qū)各礦井煤巖層沖擊傾向性鑒定、礦井、采區(qū)、采掘工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)以及防治沖擊地壓方案研究成果，總結(jié)分析了黃隴侏羅紀(jì)煤田沖擊地壓地質(zhì)特征，彬長(zhǎng)礦區(qū)、永隴礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生主導(dǎo)因素為褶曲構(gòu)造與厚硬頂板巖層。

針對(duì)建設(shè)礦井開(kāi)展礦井低應(yīng)力優(yōu)化布置，針對(duì)生產(chǎn)礦井及建設(shè)礦井的采掘工作面，進(jìn)行動(dòng)靜載荷源分源調(diào)控，取得了顯著成效，下一步應(yīng)開(kāi)展礦區(qū)沖擊地壓數(shù)據(jù)橫向關(guān)聯(lián)，聯(lián)防聯(lián)控，為黃隴侏羅紀(jì)煤田深部開(kāi)發(fā)提供安全保障。