鄂爾多斯深部典型煤礦沖擊地壓發(fā)生機制與防治實踐

張修峰，孔令海

(1.兗礦集團有限公司 防沖研究中心，山東 濟寧 272102；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

沖擊地壓是我國煤礦的主要災(zāi)害之一，從2012年142個發(fā)展到目前的180余個，災(zāi)害威脅礦井?dāng)?shù)量逐年增多。我國學(xué)者從沖擊地壓機理[1-5]、煤巖破裂前兆及監(jiān)測預(yù)警[6-10]、沖擊地壓治理[11-16]等方面取得許多成果，為煤礦防沖安全提供了理論和技術(shù)指導(dǎo)。但是，隨著開采深度和開采強度的增大，近年來，我國煤礦沖擊地壓事故多發(fā)。特別是龍鄆煤業(yè)“10·20”、龍家堡礦“6·9”、唐山礦業(yè)“8·2”和龍堌公司“2·22”等典型沖擊地壓事故，反映了圍繞不同開采條件開展沖擊地壓精準(zhǔn)防治研究的必要性。

鄂爾多斯是我國在“十五”期間重點建設(shè)的四大超億噸煤炭基地之一，煤炭生產(chǎn)安全與穩(wěn)定運行具有重要現(xiàn)實意義。近5年來，多個礦井發(fā)生沖擊地壓事故，沖擊地壓被列為該地區(qū)煤礦主要災(zāi)害。基于此，兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化公司以“提前研究、提前規(guī)劃、提前預(yù)防”為防沖理念，圍繞鄂爾多斯深部礦區(qū)沖擊地壓防治理論和技術(shù)體系，開展了系統(tǒng)性研究，并取得成功應(yīng)用。

1 沖擊地壓發(fā)生條件及特點

1.1 呼吉爾特礦區(qū)

1.1.1 葫蘆素煤礦

葫蘆素煤礦現(xiàn)主采2-1煤層，煤層平均厚度2.6m，直接頂為厚度6.8m砂質(zhì)泥巖，老頂為厚度23.4m中粒砂巖。礦井為盤區(qū)兩翼布置、工作面鄰面接續(xù)，工作面設(shè)計三巷布置，東翼首采工作面與02工作面之間為35m區(qū)段煤柱，綜合機械化生產(chǎn)。東翼02工作面回風(fēng)巷鄰近首采工作面采空區(qū)，02工作面推采期間，該巷道超前200m范圍礦壓顯現(xiàn)明顯，最大底鼓1.5m，兩幫位移達(dá)3m。

1.1.2 巴彥高勒煤礦

巴彥高勒煤礦現(xiàn)主采3-1煤層，煤層平均厚度5.5m，煤層直接頂為8.5m砂質(zhì)泥巖，上部老頂為15.8m細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒砂巖。礦井為多盤區(qū)布置，工作面鄰面接續(xù)、設(shè)計三巷布置和25m區(qū)段煤柱，綜合機械化生產(chǎn)。當(dāng)開采至第三個工作面時，發(fā)生一次沖擊地壓，巷道圍巖變形明顯，一側(cè)鄰空的輔運巷超前工作面100～400m區(qū)域造成巷道沖擊破壞。

1.1.3 門克慶煤礦

門克慶煤礦現(xiàn)主采3-1煤層平均厚度4.7m，煤層直接頂為厚度17.7m中粒砂巖，距離煤層35m以上有厚度為60m細(xì)、中、粗粒砂巖砂巖組。礦井為盤區(qū)兩翼布置，工作面設(shè)計三巷布置、鄰面接續(xù)、35m區(qū)段煤柱，首采工作面傾斜長度300m，工作面綜合機械化生產(chǎn)。第二個工作面沿首采工作面采空區(qū)開采，鄰近采空區(qū)的回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)明顯，超前采動影響范圍約200m，底鼓劇烈。2018年4月8日發(fā)生一次沖擊地壓，能量3.15×107J，地震臺網(wǎng)定位本次事件為2.5級，沖擊地壓造成超前工作面300m回風(fēng)巷全部破壞，頂?shù)装彘]合90m，工作面被迫停產(chǎn)。

1.2 納林河礦區(qū)

納林河二號煤礦現(xiàn)主采3-1煤層，煤層平均厚度5.6m，煤層直接頂為6.6m粉細(xì)砂巖、泥巖互層，上部老頂為17.2m中、細(xì)粒砂巖，底板為粉砂巖。礦井為多盤區(qū)布置，工作面設(shè)計三巷布置、鄰面接續(xù)、19m(01工作面與02工作面)區(qū)段煤柱，02工作面傾向長度240m，綜合機械化生產(chǎn)。02工作面推采期間，一側(cè)鄰空的回風(fēng)巷超前150m范圍巷道變形破壞嚴(yán)重，工作面推采期間多次發(fā)生沖擊破壞，底鼓達(dá)2.1m，兩幫變形嚴(yán)重。超前大直徑卸壓鉆孔全長塌孔密實。

1.3 新街礦區(qū)

紅慶河煤礦現(xiàn)開采3-1煤層，平均厚度7.0m，煤層直接頂為4.7m粉砂巖，上部老頂為 15m細(xì)粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖；老頂之上賦存有10多米的砂礫巖層，部分區(qū)域缺失。礦井為兩翼布置，工作面傾向長度320m，發(fā)生沖擊地壓的工作面為一側(cè)鄰空開采，工作面區(qū)段煤柱由設(shè)計30m加寬為60m，工作面為綜合機械化生產(chǎn)。一次沖擊大能量釋放就造成工作面10余架液壓支架壓死和損壞，鄰空的輔運巷圍巖沖擊破壞劇烈，走向影響范圍最大300m以上，輔運巷超前近200m范圍底鼓量近3m。震源能量為 2.6×106J。

2 沖擊地壓類型研究

2.1 沖擊地壓的共性條件

1)埋深大、地應(yīng)力高。前述深部礦區(qū)開采深度幾乎都在600m以深，地層自重應(yīng)力大。

2)巨厚基巖地層賦存多組堅硬厚巖層構(gòu)成巨厚基巖地層結(jié)構(gòu)，厚度大、整體性強，第四系松散層很薄。由于長大工作面開采范圍大、頂板懸露面積大、頂板下沉運動更易積聚彈性能，覆巖組合結(jié)構(gòu)運動下沉?xí)r釋放的能量較大，沖擊危險增大。

3)工作面開采強度高。礦區(qū)大部分礦井，巷道斷面較大，斷面積大于20m2，工作面綜合機械化開采工效高，開采強度大，推采速度高達(dá)8～10m/d。

4)礦區(qū)地層局部富水性強。志丹組和直羅組總體富水性雖弱，但局部富水性強。如呼吉爾特礦區(qū)某礦開采期間，涌水量從0增加到660m3/d，疏放水改變了巖層物理和力學(xué)狀態(tài)，間接對下部煤巖體應(yīng)力分布造成影響，增大了局部沖擊危險性。

5)開采設(shè)計不合理。礦井采掘工作面采取綜合機械生產(chǎn)，在高強度開采影響下，寬度較大的區(qū)段煤柱易形成高集中應(yīng)力，增大了沖擊危險。

6)巷道支護強度有待研究。許多礦井都選用了適于大型現(xiàn)代化設(shè)備運輸和存放的大斷面巷道，將巷道布置在煤層中，在這種高強度開采影響下，圍巖破壞范圍大，巷道支護仍有待深入研究。

7)煤巖具有沖擊傾向性。礦區(qū)開采的煤及頂板巖層具有沖擊傾向性，且厚煤層有軟弱夾層結(jié)構(gòu)，積聚彈性能的屬性強，沖擊地壓發(fā)生可能性高。

2.2 沖擊破壞的共性特征

1)沖擊破壞影響范圍大，具有明顯的周期性破壞特征，如圖1所示，沖擊破壞范圍至少在百米以上，最大破壞范圍近400m。

圖1 不同工作面采動應(yīng)力變化規(guī)律試驗結(jié)果

2)采空區(qū)附近區(qū)域沖擊破壞嚴(yán)重。其中，工作面超前巷道的沖擊破壞最嚴(yán)重，即采煤工作面下出口及超前煤巖體；側(cè)向距采空區(qū)邊界從15m到60m范圍均發(fā)生過破壞性劇烈的沖擊地壓顯現(xiàn)。

3)鄰空巷道超前影響范圍破壞明顯，煤柱側(cè)圍巖位移明顯，兩幫移近量達(dá)2m，頂?shù)装逡平窟_(dá)3m，發(fā)生沖擊破壞的巷道斷面“收縮”劇烈。

4)實體煤巷道沖擊破壞不明顯，即距采空區(qū)邊界較遠(yuǎn)的實體煤區(qū)域(一般大于300m)，煤巖體發(fā)生沖擊地壓的概率很小，幾乎不發(fā)生。

5)工作面為三巷大煤柱間隔布置，煤柱寬度在15～40m，煤柱集中應(yīng)力高，巷道布置在高應(yīng)力區(qū)，增大了沖擊危險性。

6)沖擊地壓與大能量事件無明顯對應(yīng)關(guān)系。

7)發(fā)生沖擊地壓的煤巖體，強和弱沖擊傾向性的煤巖層均存在。

2.3 沖擊破壞類型

根據(jù)對礦區(qū)多個礦井沖擊地壓發(fā)生情況的統(tǒng)計，從力源和能量源的角度分析來看，鄂爾多斯深部礦礦井沖擊地壓破壞類型可分為如下四類：

1)地質(zhì)主控類。Ⅰ類：高地應(yīng)力為主，高地應(yīng)力下的煤巖體局部彈射；Ⅱ類：高地應(yīng)力為主，復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力下的巷道圍巖結(jié)構(gòu)沖擊破壞。

2)工程主控類。Ⅰ類：頂板動壓誘發(fā)為主，側(cè)向頂板覆巖大結(jié)構(gòu)動壓下的沖擊破壞；Ⅱ類：高采動應(yīng)力為主，側(cè)向覆巖大結(jié)構(gòu)影響下的巷道圍巖小結(jié)構(gòu)沖擊破壞；Ⅲ類：高采動應(yīng)力為主，走向覆巖大結(jié)構(gòu)影響下的巷道圍巖小結(jié)構(gòu)沖擊破壞。

3)綜合主控類。Ⅰ類：以區(qū)域性能量釋放為主，沖擊破壞伴隨礦震現(xiàn)象；Ⅱ類：以局部性極限破壞為主，局部復(fù)雜條件下的底板沖擊破壞，典型條件為一側(cè)沿空工作面的底板巷道。

4)次生災(zāi)害類：沖擊破壞發(fā)生后的采空區(qū)突水次生災(zāi)害。

鄂爾多斯深部典型煤礦地質(zhì)條件較簡單，都處于開采初期，沖擊地壓大都發(fā)生在一側(cè)鄰空開采的第二個工作面，主要為沖擊地壓工程主控類型。

3 沖擊地壓發(fā)生機制

3.1 工作面疏放水影響下沖擊地壓發(fā)生機制

在疏水狀態(tài)下，工作面采動應(yīng)力變化最大值80kPa明顯高于一般工作面的38kPa，差值明顯，為沖擊地壓發(fā)生積累了必要條件。

工作面疏水過程中，在疏水影響范圍邊界分別形成應(yīng)力降低區(qū)和升高區(qū)，中部剪應(yīng)力區(qū)形成的應(yīng)力場達(dá)到?jīng)_擊發(fā)生條件時，將誘發(fā)沖擊地壓。疏水孔疏水、開采裂隙疏水、超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的復(fù)合應(yīng)力將可能超過發(fā)生沖擊地壓的臨界應(yīng)力，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

3.2 工作面圍巖結(jié)構(gòu)沖擊地壓發(fā)生機制

巷道圍巖結(jié)構(gòu)的沖擊破壞是沖擊地壓發(fā)生的直接主體，由沖擊地壓類型可知，高強度開采影響下，一次開采厚度越大，地層下沉越明顯；開采范圍越大，巷道圍巖運動范圍越大；開采深度越大，地層在矢量方向的運動范圍越大，對地層造成的破壞影響范圍越大；開采持續(xù)時間越長，覆巖移動下沉及應(yīng)力調(diào)整時間越長；開采速度越大，巷道圍巖下沉運動越劇烈，釋放能量所形成的應(yīng)力波沖擊破壞越劇烈，當(dāng)?shù)貙右苿酉鲁良皯?yīng)力調(diào)整發(fā)展至一定程度，孕育形成采動覆巖離層結(jié)構(gòu)，覆巖結(jié)構(gòu)影響下的應(yīng)力分布范圍越大，采動覆巖移動離層結(jié)構(gòu)理論模型如圖2所示，采動覆巖移動下沉與離層運動影響圍巖空間結(jié)構(gòu)沖擊破壞的發(fā)生，理論分析可知，在理想條件下，煤炭資源的采出，破壞了地層原有平衡狀態(tài)，致使原巖應(yīng)力進行調(diào)整和轉(zhuǎn)移。采動覆巖移動下沉與離層運動易誘發(fā)圍巖空間結(jié)構(gòu)的沖擊破壞。

圖2 采動覆巖移動離層結(jié)構(gòu)理論模型

3.3 地層沉降影響下工作面沖擊地壓發(fā)生機制

現(xiàn)場實踐表明，當(dāng)兩個相連工作面開采時，第一個工作面采空區(qū)形成后，第二個工作面回采至測點下方時，高位巖層聯(lián)動影響下，雖然地表沉降不大，但地表反彈明顯，揭示了覆巖大結(jié)構(gòu)的控制作用(地層巨厚基巖較強的整體性)，是地表沉降不充分、地面反彈的主要原因。由此可知，覆巖離層運動狀態(tài)控制著工作面圍巖應(yīng)力狀態(tài)，堅硬厚巖層組斷裂失穩(wěn)及鉸接失穩(wěn)是釋放大能量的直接動力源，決定了彈性能大小及影響范圍。當(dāng)工作面支架或巷道支護結(jié)構(gòu)不能滿足抵抗這種大能量應(yīng)力波擾動時，沖擊地壓發(fā)生。

4 沖擊地壓防治關(guān)鍵對策

結(jié)合鄂爾多斯深部礦區(qū)典型開采條件，在前述研究的基礎(chǔ)上，圍繞沖擊地壓礦井科學(xué)設(shè)計、超前預(yù)測、精準(zhǔn)治理、智能化監(jiān)測預(yù)警等工程難題，提出沖擊地壓精準(zhǔn)防治技術(shù)原理、對策路線，并應(yīng)用于沖擊地壓防治工程實踐，大幅度降低了實驗礦井沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生頻率及強度，提高了礦井防沖安全保障水平。

根據(jù)前述研究，沖擊地壓發(fā)生機制為疏放水影響下采動覆巖移動下沉結(jié)構(gòu)致使巷道圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊破壞，沖擊地壓發(fā)生的主體為巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)和采動覆巖離層結(jié)構(gòu)，因此，提出基于煤巖體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)控制的防沖技術(shù)原理。

4.1 應(yīng)力優(yōu)化減沖對策

基于人工可控技術(shù)裝備及科學(xué)設(shè)計，超前主動改變圍巖結(jié)構(gòu)中煤巖體的物理力學(xué)屬性，分類管理、分區(qū)分級施策，實現(xiàn)“高彈性能分次釋放、高應(yīng)力深部轉(zhuǎn)移”，即煤巖體應(yīng)力優(yōu)化技術(shù)，最終達(dá)到降低沖擊危險及強度的目標(biāo)。

4.1.1 開采布局

從礦井全局防沖層面，科學(xué)設(shè)計多采區(qū)、多場地工作面布置方案，人為地延長上覆巖層穩(wěn)定時間，直接減緩采動相互影響時間，使得彈性能空間上多處分解、時間上多頻次釋放，實現(xiàn)區(qū)域控制沖擊地壓發(fā)生條件。

4.1.2 工作面布置方案及參數(shù)

加大工作面寬度由現(xiàn)在的250～280m，加大到320～350m，在提高生產(chǎn)能力的同時，降低采動應(yīng)力集中程度。并將回采巷道布置由三巷設(shè)計方案改為雙巷設(shè)計方案。

4.1.3 區(qū)段煤柱留設(shè)寬度

工作面間采取小煤柱隔離，一般3.5～5.5m。大巷保護煤柱采取大煤柱留設(shè)，工作面與大巷的水平間距一般不小于200～300m。

4.2 變形控制防沖對策

為降低沖擊破壞的影響，應(yīng)在已有錨網(wǎng)支護的基礎(chǔ)上，進一步提高巷道支護結(jié)構(gòu)的完整性，二次采取主動支護技術(shù)，即煤巖體變形增量和變形速度的控制。

1)煤巖體變形增量防控技術(shù)。在巷道圍巖變形量較大、沖擊危險程度較強的區(qū)域，加大頂板錨梁、巷幫錨索等，提高巷道支護體穩(wěn)定性和整體性，安裝整體性能較好的超前液壓支架，提高支護強度，控制應(yīng)變增量。

2)煤巖體變形速度防控技術(shù)。在沖擊危險程度較強的區(qū)域，通過采取圍巖加強錨索支護，提高支護強度，控制應(yīng)變速度。

4.3 智能化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

考慮疏放水影響，集成水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、沖擊地壓監(jiān)測結(jié)果和各類開采數(shù)據(jù)等云信息，在沖擊地壓預(yù)警算法及指標(biāo)體系的基礎(chǔ)基礎(chǔ)上，研發(fā)沖擊地壓復(fù)合災(zāi)害多參量監(jiān)測預(yù)警平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)鄂爾多斯深部礦區(qū)沖擊地壓智能化監(jiān)測預(yù)警。

5 工程實踐

2106A工作面煤層產(chǎn)狀變化不大，寬緩褶曲發(fā)育；煤層厚度3.89～9.51m，平均9.02m。煤層傾角平均1°。在工作面北部，2-2上和2-2中煤層合并，煤層較厚；南部相對較薄，含1～3層泥巖夾矸，夾矸厚度由北向南間距變小。煤層普氏系數(shù)f一般在1.79左右，2煤上和2煤下為弱沖擊傾向性煤層，2煤中為強沖擊傾向性煤層；煤層頂?shù)装寰鶠槿鯖_擊傾向性巖層。工作面具有中等沖擊危險。工作面初次來壓期間的部分監(jiān)測結(jié)果如圖3所示，監(jiān)測結(jié)果情況如下：

1)來壓期間的微震事件增加，每日微震事件總能量6.74×103J，能量總體不大。

2)應(yīng)力在線監(jiān)測輔運巷側(cè)第2組(編號71#，距原切眼50m)應(yīng)力計自9月21日開始上升，9月27日達(dá)最大值，淺部16MPa、深部14MPa，工作面煤體應(yīng)力超前影響距離36m，應(yīng)力變化曲線如圖4所示。工作面運輸巷第二組應(yīng)力應(yīng)力計距切眼50m，自9月15日開始回采以來壓力變化不大。其他應(yīng)力計增值不明顯。

3)距切眼煤壁60m、80m、100m處，巷道圍巖移近量編號示，由圖可知，100m處測站距離較遠(yuǎn)，變化不大。輔運巷頂?shù)装逡平坷塾?2mm，兩幫移近量累計40mm，移近速度最大16mm/d ；運輸巷頂?shù)装逡平坷塾?mm，兩幫移近量累計2mm，移近速度最大1mm/d 。

4)工作面液壓支架工作阻力明顯增大，最大值46.5MPa，平均13.7MPa。兩回采巷道超前支架壓力均在24日達(dá)到最大，說明初次來壓期間超前支架壓力先增加后回落。實踐表明，工作面來壓期間的沖擊顯現(xiàn)不明顯，有較大煤炮但頻次不高，個別地點頂板破碎、煤壁有片幫現(xiàn)象，煤塵較大。說明現(xiàn)場采取的沖擊地壓治理措施減緩了沖擊地壓顯現(xiàn)強度。

6 結(jié) 論

1)針對鄂爾多斯深部礦區(qū)沖擊地壓防治系列工程技術(shù)問題，提出基于防沖的科學(xué)設(shè)計理念和開采原則，優(yōu)化了防沖開采設(shè)計，研究得到回采工作面圍巖大變形協(xié)同控制、“遠(yuǎn)距離輔巷多通道”的快速撤面、“三位一體”精準(zhǔn)應(yīng)力防控等關(guān)鍵防沖技術(shù)，掌握了巷道高預(yù)應(yīng)力、高沖擊韌性強力錨桿-錨索支護技術(shù)，建立了深部采場、巷道有效防沖體系。

2)實踐表明，現(xiàn)場采取的煤巖體應(yīng)力優(yōu)化技術(shù)和變形防控技術(shù)對策符合工程實際，實現(xiàn)了降低礦井沖擊地壓發(fā)生頻次和強度的目的，為安全生產(chǎn)提供了科技保障。

3)沖擊地壓發(fā)生條件復(fù)雜多樣，考慮礦井沖擊地壓及具體條件的影響，“一井一策、一面一策”是實現(xiàn)有效防控沖擊地壓的有利途徑。