礦震對(duì)鶴崗礦區(qū)礦井安全生產(chǎn)的影響及防治對(duì)策

韓福生，連鴻全

(黑龍江龍煤鶴崗礦業(yè)公司，黑龍江 鶴崗 154100)

礦震是由于井下采礦活動(dòng)導(dǎo)致巖層應(yīng)力突然釋放而引起的一種動(dòng)力現(xiàn)象,是與采礦活動(dòng)伴生的地質(zhì)災(zāi)害。只要有采掘活動(dòng)，就有礦震的產(chǎn)生。礦震的發(fā)生往往會(huì)導(dǎo)致井下冒頂、塌方、底鼓、片幫等次生災(zāi)害，帶來工程設(shè)施的毀壞、開采設(shè)備的損壞和作業(yè)人員的傷亡。較大的礦震還會(huì)使地面建筑受到一定程度的破壞,并使地面數(shù)公里范圍內(nèi)有震感。

沖擊地壓是礦震的一種特殊顯現(xiàn)形式，可以定義為：礦山井巷和采場周圍煤巖體，由于變形能的釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。簡單地講，沖擊地壓就是煤(巖)體的突然破壞現(xiàn)象。它是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。

沖擊地壓在我國不同地區(qū)的煤礦和不同專業(yè)書刊中有不同的稱謂，常見的有“沖擊礦壓”、“礦山?jīng)_擊”、“煤爆”、“巖爆”等。

1 鶴崗礦區(qū)概況

鶴崗礦區(qū)是一個(gè)具有百年開采歷史的老礦區(qū)，1917年開發(fā)，1945年建企，井田呈南北分布，礦區(qū)面積252 km2. 煤種以1/3焦煤和氣煤為主，兼有部分主焦煤，煤質(zhì)特低硫、低磷、低砷，是國家首批確定的特殊和稀缺煤類礦區(qū)?，F(xiàn)有地質(zhì)儲(chǔ)量16.2億t，其中可采儲(chǔ)量8.8億t，有可采和局部可采煤層36層，煤層總厚度39～86 m，煤層傾角20°～30°.

鶴崗附近是天然構(gòu)造地震活躍的地區(qū)，礦區(qū)內(nèi)有規(guī)模宏大的活動(dòng)性斷裂“郯-廬”，斷裂北延帶的分支“伊-舒”斷裂在鶴崗煤田東部通過。鶴崗煤田處于3個(gè)地震帶之間，鳳翔-興東-四方山地震帶、尚志-石頭廟子地震帶、湯源-裕德地震帶，其中尚志-石頭廟子地震帶距鶴崗煤田較近、較活躍。

2 礦震危害對(duì)鶴崗礦區(qū)安全生產(chǎn)的影響

鶴崗礦區(qū)因地質(zhì)構(gòu)造的斷裂、地震活動(dòng)的影響以及開采深度的增加，礦震頻繁、能量較大。從富力礦1998年發(fā)生第一起沖擊地壓事故起，已有多個(gè)礦井發(fā)生沖擊地壓，分別為富力礦、南山礦、峻德礦和興安礦。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2012.01.01—2013.03.17，鶴崗分公司微震系統(tǒng)監(jiān)測到1×104J以上礦震活動(dòng)總計(jì)2 071次，發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)21次。鶴崗地震臺(tái)監(jiān)測到鶴崗礦區(qū)發(fā)生礦震291次，其中有139次與礦區(qū)微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測時(shí)間相吻合。

其中，峻德礦微震系統(tǒng)監(jiān)測到74次，總計(jì)發(fā)生影響生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)9次，沖擊顯現(xiàn)區(qū)域均為三水平北17層三四區(qū)一段一分層。發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的最大能量為1.34×106J，震級(jí)2.28，時(shí)間為2012年9月12日；最小能量為2.22×103J，震級(jí)0.81，時(shí)間為2012年8月30日；沖擊影響破壞最大的為2013年3月15日，能量為9.36×104J，震級(jí)1.67，造成5名礦工遇難。

興安礦監(jiān)測到194次，總計(jì)發(fā)生影響生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)5次，沖擊顯現(xiàn)區(qū)域?yàn)樗乃奖?1層1-3區(qū)二段底板層(4次)、四水平南11層1-3區(qū)二段一分層風(fēng)道掘進(jìn)(1次)。發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的最大能量為1.67×106J，震級(jí)2.33，時(shí)間為2012年9月15日(一分層風(fēng)道掘進(jìn))；最小能量為2.04×104J，震級(jí)1.36，時(shí)間為2012年2月22日(北部底板層風(fēng)道掘進(jìn))。

富力礦監(jiān)測到60次，沒有發(fā)生影響生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)。

南山礦監(jiān)測到1 386次，發(fā)生影響生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)7次，沖擊顯現(xiàn)區(qū)域均為盆底區(qū)南翼15層三分段。發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的最大能量為5.78×106J，震級(jí)2.61，時(shí)間為2013年1月18日；最小能量為2.09×105J，震級(jí)1.85，時(shí)間為2012年6月19日；破壞影響較大的沖擊為2012年12月7日，釋放能量為4.55×105J，震級(jí)2.03，工作面停產(chǎn)20天，進(jìn)行恢復(fù)、卸壓治理。

益新礦監(jiān)測到357次，沒有發(fā)生影響生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)。其中監(jiān)測到鄰礦振興煤礦1×103J以上礦震總計(jì)119次，其中1×103J礦震86次，1×104J礦震28次，1×105J礦震5次。從震源分布看，各月震源分布較散、不集中，且大部分距離振興礦18層工作面較遠(yuǎn)。2013年3月，總計(jì)監(jiān)測到振興礦1×103J以上礦震12次，震源主要集中于北部18層工作面周圍，尤其3月11日震源集中于該區(qū)。對(duì)照震源時(shí)空關(guān)系，工作面周邊礦震頻次頻繁、能量較大，震源分布較廣,說明振興礦北部18層工作面回采，引起周邊已采區(qū)(該區(qū)左部、右部及上部)以及周邊斷層區(qū)域頂、底板活化，造成該區(qū)域圍巖大范圍活動(dòng)。

2013年3月11日振興煤礦采煤一隊(duì)在停產(chǎn)期間突發(fā)井下泥石流，當(dāng)日益新煤礦SOS微震系統(tǒng)監(jiān)測到1 000 J以上礦震事件8次， 13時(shí)44分52秒發(fā)生能量4.14×105J的礦震，相當(dāng)于里氏震級(jí)2.01級(jí)。隨后在振興煤礦采煤一隊(duì)工作面周圍相繼發(fā)生多次震動(dòng)，根據(jù)震源位置和時(shí)間分析，礦震的發(fā)生使工作面及巷道周圍覆巖活動(dòng)瞬間加劇，造成該區(qū)域圍巖大范圍活動(dòng)，在應(yīng)力重新分布的同時(shí)產(chǎn)生了多次不同能量的震動(dòng)。

現(xiàn)鶴崗礦區(qū)開采深度多在500～800 m，隨著開采深度的不斷增加，由礦震引發(fā)的沖擊地壓日趨嚴(yán)重，已成為威脅鶴崗分公司礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。

自2012年以來發(fā)生21次影響安全生產(chǎn)的沖擊顯現(xiàn)，累計(jì)破壞巷道528 m，停產(chǎn)恢復(fù)影響峻德礦9天(不含2013年“3.15”停產(chǎn)時(shí)間)、興安礦7天、南山礦24天，不完全統(tǒng)計(jì)少出煤量16萬噸多，直接經(jīng)濟(jì)損失15 000余萬元?！?.11”事故的發(fā)生致使振興礦北部永久封閉，造成礦井無采煤工作面，損失慘重。振興煤礦突水前后2 h益新礦靠振興礦邊界震源分布圖見圖1.

圖1 震源分布圖

3 防治對(duì)策

為減少礦震頻次，降低礦震和沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，主要采取如下治理方法：

1) 優(yōu)化采區(qū)設(shè)計(jì)，減少階段煤柱和分區(qū)煤柱的留設(shè)，杜絕孤島開采；優(yōu)先開采保護(hù)層，從源頭治理沖擊地壓。

2) 對(duì)頂板實(shí)施深孔預(yù)裂爆破，縮短破斷步距，降低震源能量。

3) 采取煤巖預(yù)卸壓措施，增加衰減指數(shù)，降低誘發(fā)能量。

4) 采取煤層預(yù)注水措施，降低煤層沖擊傾向性。

各種自治理手段不能消除礦壓顯現(xiàn)與礦震，只是最大限度地減弱礦震(沖擊)的顯現(xiàn)強(qiáng)度，達(dá)到?jīng)_擊地壓 “有震無顯、有震無災(zāi)”的目標(biāo)。

鶴崗礦區(qū)沖擊地壓煤層基本頂多為厚而堅(jiān)硬頂板，一般在煤層以上50～100 m. 厚而堅(jiān)硬基本頂使工作面上位形成范圍廣、跨度大的覆巖大結(jié)構(gòu)。

按現(xiàn)有的頂板預(yù)裂手段，施工條件、預(yù)裂深度有限，還很難弱化煤層頂板50 m以上厚而堅(jiān)硬的基本頂。

對(duì)頂板深孔預(yù)裂打鉆，施工難度大，需要有適宜的施工場所和設(shè)備，還需要投入大量的人力、物力，既增加了成本投入，又制約著生產(chǎn)能力的有效發(fā)揮。

為減少、消弱礦震危害，鶴崗公司與科研單位建立了長期合作機(jī)制，開展了多項(xiàng)科研項(xiàng)目研究：1) 開展“基于防沖的多煤層協(xié)調(diào)開采設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)”研究，對(duì)鶴崗公司煤礦進(jìn)行合理開采部署、開采保護(hù)層，盡量減少覆巖主關(guān)鍵層懸空面積與采空區(qū)周圍的能量聚集；優(yōu)化開采技術(shù)參數(shù)，控制采動(dòng)導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。2) 借助峻德礦沖擊地壓和隱患排查治理工程，研究適用于鶴崗礦區(qū)的弱化厚而堅(jiān)硬頂板的實(shí)施方案(深孔預(yù)裂、巖石水力致裂等)，實(shí)施采前 “大范圍、高強(qiáng)度”的煤巖預(yù)卸壓；通過高強(qiáng)度的煤巖預(yù)卸壓措施，控制強(qiáng)礦震的頻次和能量以及可能誘發(fā)的礦壓顯現(xiàn)烈度。

4 下步構(gòu)想

1) 研究、試驗(yàn)由地表打鉆孔至覆巖主關(guān)鍵層下位離層帶，在地面設(shè)置注漿站，注漿材料為粉煤灰加水制成的漿液，使用壓力泵將粉煤灰漿液通過管路和鉆孔注入離層帶，漿液中的水通過巖層裂隙滲流流失，粉煤灰在離層空間內(nèi)沉淀形成充填體。

2) 選擇適宜的塊段，研究、試驗(yàn)充填開采，減少礦震危害，最終實(shí)現(xiàn)有震無顯、有震無災(zāi)、不影響生產(chǎn)、不傷人，無大的財(cái)產(chǎn)損失。