黄陇侏罗纪煤田冲击地压地质特征与防治

潘俊锋，简军峰，刘少虹，赵文革，原德胜，王洪涛，刘 虎

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.陕西省煤炭生产安全监督管理局，陕西 西安 710000； 3.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 711300；4.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳 711300； 5.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 711300)

冲击地压是典型煤岩动力灾害之一，并可能诱发煤与瓦斯突出、煤层自然发火、冒顶等次生灾害，严重威胁我国煤矿的安全生产[1-10]。我国主要冲击地压矿区，在致冲主控因素上表现出显著的共性特征，比如河南义马矿区主要受巨厚砾岩和大型逆冲断层影响；山东兖州矿区主要受上覆巨厚红层砂岩影响；山东巨野矿区主要受厚表土薄基岩影响；山东济宁矿区主要受断层构造影响。上述大型主控因素往往是形成冲击地压的主导因素。因此，横向总结矿区主控因素，基于主控因素开展矿区冲击地压灾害分类防治是新时期冲击地压灾害防治的重点，也为解决群死群伤的重大冲击地压灾害提供了新思路。

本文利用课题组多年来在陕西省开展研究得来的数据成果，以陕西黄陇侏罗纪煤田彬长、永陇矿区为研究对象，对该区域冲击地压发生的自然地质特征进行系统分析，总结得出黄陇侏罗纪煤田冲击地压地质特征，提出了防治思路与建议，为黄陇侏罗纪煤田深部安全开采提供技术指导。

1 黄陇侏罗纪煤田冲击地压矿井条件

1.1 冲击地压矿井地质开采条件

陕西省主要煤炭资源可分为五大煤田，即陕北侏罗纪煤田、陕北石炭二叠纪煤田、陕北三叠纪煤田、渭北石炭二叠纪煤田和黄陇侏罗纪煤田。黄陇侏罗纪煤田包括了永陇矿区、彬长矿区、黄陵矿区(煤层平均埋深350m)、焦平矿区(煤层平均埋深400m)和旬耀矿区(煤层埋深200～350m)。截至2018年12月，陕西省冲击地压矿井共计12座，主要分布于煤层埋深较大的黄陇侏罗纪煤田彬长、永陇矿区，行政区划属咸阳市长武县、彬县和宝鸡市麟游县境内。彬长矿区主采4号煤层，永陇矿区主采2号、3号煤层，各煤层普遍较硬，埋深大，厚度变化大，瓦斯高，顶部坚硬，并且富含裂隙水。各矿井地质、开采技术条件详细见表1。

1.2 冲击地压显现特征

表1 黄陇侏罗纪煤田冲击地压矿井地质及开采条件

冲击地压在陕西省煤矿出现的时间相对较晚，直到2013年黄陇侏罗纪煤田彬长、永陇矿区大规模开发，冲击地压灾害才开始凸显，但之后冲击地压矿井数量、发生次数井喷式增长，短短4a内即成为黄陇侏罗纪煤田深部开采区主要灾种之一。

据调研，2013年1月，胡家河煤矿在准备402103工作面时首次发生冲击地压，现场表现为煤炮频繁且剧烈，煤块弹射严重，顶底板瞬间大变形，锚索断裂频繁等。该矿冲击地压显现主要表现在构造影响区的采掘扰动。

彬长矿区的孟村煤矿冲击地压发生在一盘区开拓大巷掘进期间，主要分在褶曲与断层带。亭南煤矿在2盘区开采第3个工作面时出现了冲击地压显现，并且单面可达42次冲击，主要表现为向斜轴部的临空巷道。高家堡煤矿在一盘区3条开拓大巷同一区域发生多次冲击地压。

永陇矿区崔木煤矿顶板坚硬，在盘区大巷、工作面回采巷道、停采回撤联络巷多次发生冲击地压。招贤煤矿工作面回采、掘进都出现了冲击地压显现。此外郭家河煤矿也有冲击地压动力现象，周边的园子沟煤矿目前仍处于建设阶段，开拓及准备期间可见轻微动力现象，经评价具有冲击危险性。

2 黄陇侏罗纪煤田冲击地压地质特征

2.1 煤岩冲击倾向性

一般来说，煤岩冲击倾向性越强，发生冲击地压的可能性就越大，但并不是说具有强冲击倾向性的煤层就一定会发生冲击地压，冲击地压的发生不仅仅与煤、岩层的冲击倾向性有关，而且与煤岩层的结构特点和煤岩层的组合形式具有密切的关系，同时还受开采技术条件的直接影响。冲击倾向性是煤岩发生冲击地压的必要因素之一。

黄陇侏罗纪煤田冲击地压矿井煤层冲击倾向性鉴定结果如表2所示。由表可知，彬长矿区4煤层强度较高，大部分区域4煤单轴抗压强度可达20MPa以上，包括高家堡、孟村和胡家河煤矿，具有强冲击倾向性，小庄和雅店矿具有弱冲击倾向性。此外，附近矿井开采的1煤、2煤和3煤均具有弱冲击倾向性。

黄陇侏罗纪煤田冲击地压矿井顶板岩层冲击倾向性鉴定结果如表3所示。由表可知，煤层顶板以弱冲击倾向性为主，除亭南和小庄煤矿的顶板具有强冲击倾向性。

2.2 开采深度

冲击地压的发生和煤层埋深有一定关系，统计分析表明开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。我国煤矿发生冲击地压的最小临界深度大都在400m左右。由于不同矿区的地质及开采技术条件不同，冲击地压发生的最小临界深度差异较大，根据胡家河、孟村、亭南、高家堡等矿井动力显现情况分析，彬长矿区冲击地压临界深度约为500～600m。

表2 各矿井煤层冲击倾向性鉴定结果

表3 各矿井顶部岩层冲击倾向性鉴定结果

如表4所示，黄陇侏罗纪煤田彬长矿区、永陇矿区所选的这9个矿井煤层埋深普遍较大，其中亭南煤矿207工作面煤层最大埋深接近700m，胡家河煤矿、小庄煤矿40214工作面煤层最大埋深均达到760m，孟村煤矿401～403盘区煤层最大埋深接近900m，高家堡煤矿冲击地压灾害比较严重的一盘区煤层最大埋深超过1089m。永陇矿区崔木煤矿22302工作面、招贤煤矿1307工作面矿井煤层埋深一般在600m左右，园子沟煤矿首采面的最大埋深超过840m。埋深比较小的是彬长矿区的雅店矿井，首采面范围1煤最大埋深仅为446.85m，而4煤的最大埋深也超过600m。

2.3 顶板特性

实践表明，钙质或硅质胶结的砂岩或砾岩往往具有较高的强度，当其厚度超过10m时，采空区周边悬顶问题较为显著。顶板悬顶不仅会给采场围岩产生高应力集中，而一旦断裂，其产生的冲击动载也容易诱发采场冲击地压[11]。

表4 各矿井的部分区域埋深情况

黄陇侏罗纪煤田各矿井顶板岩层情况如表5所示。由表可知，各矿井煤层上方100范围内的顶板岩层多以粗粒砂岩、中粒砂岩及含砾粗砂岩为主；一般而言，基本顶砂岩承载能力较强，在工作面回采及相邻采空区通过该层顶板产生的动、静载荷对采掘空间造成影响；当矿井出现大面积采空区时，洛河砂岩层及宜君组砾岩层等关键层的影响将会逐渐增大，这些岩层通过传递静载荷使得采掘空间的冲击危险性进一步升高。

表5 各矿井顶板岩层情况

2.4 褶曲构造

研究表明，在煤岩层褶曲构造的向斜和背斜轴部区域应力水平较高，且最大主应力一般为水平构造应力，更易于引起以巷道顶、底板受到显著破坏为主的矿压显现或冲击地压，该规律在掘进巷道表现尤为突出。

黄陇侏罗纪煤田矿井地质构造情况如表6所示。彬长矿区内有5组褶曲，分别是：麟游背斜、路家—小灵台背斜、七里铺-西坡背斜、大佛寺向斜、孟村向斜(图1)[12]。

表6 各矿井褶曲分布

2.5 地应力场

国内外井下地应力测量结果表明，岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力，而且水平应力具有明显的方向性，最大水平主应力明显高于最小水平主应力，这种趋势在浅部矿井尤为明显。因此，水平应力的作用逐步得到人们的认识和重视。

由表7可知，黄陇侏罗纪煤田部分矿井地应力场为构造应力主导型，大部分区域属于高或超高应力场。各矿井均有一些巷道与最大水平主应力的夹角较大，这些巷道在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形，进而导致巷道冲击危险性升高。

表7 部分矿井地应力场情况

3 黄陇侏罗纪煤田冲击地压防治技术

3.1 建设矿井低应力优化布置

黄陇侏罗纪煤田埋深较大，针对处于建设阶段的矿井，为了实现源头防冲，课题提出应从开拓、准备阶段就进行静载荷疏导[13-14]，以降低后期局部解危的难度和强度。以高家堡煤矿为例，分析认为高家堡煤矿埋深较大，采掘空间基础静载荷较为充足，依据冲击地压防治的成套理论与技术体系：

(1)进行了煤岩层冲击倾向性鉴别，认为煤层具有强冲击倾向性，顶底板为弱冲击倾向性。

(2)基于最大水平主应力方向调整了一盘区大巷方向，并将一盘区大巷外延段以及二盘区大巷调整至顶板岩层中，以降低巷道极限平衡区应力集中程度。

(3)将矿井原计划采用的分层综采，基于防冲角度，调整为一次采全厚的综放开采工艺。由于顶煤的垫层作用，以降低采场冲击危险性。

(4)将原来设计的盘区两翼开采，调整为多盘区单翼“一区一面”开采，避免了采掘扰动应力叠加影响。

(5)将原来设计的工作面区段煤柱由20m调整为6m沿空掘巷布置，降低了区段煤柱应力集中程度。

此外，对胡家河煤矿、孟村煤矿也进行了盘区布置优化调整。实现“多盘区、单翼、一区一面”低压均衡生产。

3.2 生产矿井动静载分源调控

针对生产矿井及建设矿井的采掘工作面，12座冲击地压矿井共采用了5种冲击地压解危方法，包括煤层钻孔卸压、煤层爆破、顶板爆破、底板爆破、煤层注水等进行动静载荷源分源调控。

其中9座矿井采用了煤层静载钻孔卸压方法，包括：胡家河煤矿(φ113mm)、高家堡煤矿(φ150mm)、崔木煤矿(φ133mm)、亭南煤矿(φ150mm)、小庄煤矿(φ133mm)、孟村煤矿(φ113mm)、郭家河煤矿(φ105mm)、水帘洞煤矿(φ120mm)、蒋家河煤矿(φ120mm)。3座矿井采用了煤层爆破方法，包括：崔木煤矿、高家堡煤矿、胡家河煤矿。1座矿井采用了煤层注水防冲方法，为胡家河煤矿。

4座矿井采用了顶板动载源爆破方法，包括：胡家河煤矿、高家堡煤矿、崔木煤矿、亭南煤矿。

2座矿井采用了底板水平应力爆破方法，包括崔木煤矿、亭南煤矿。

4 下一步建议

(1)开展覆岩“三带”高度探测分析。黄陇侏罗纪煤田除了冲击地压灾害外，具有高瓦斯、复杂水文地质条件，地表沉陷，覆岩三带高度分析对采掘工作面矿压显现、冲击地压以及涌水量研究具有较大意义。

(2)谨防深部盘(采)区大巷群无动载冲击[8]。黄陇侏罗纪煤田深部资源开发，已经出现了，早已稳定的在用盘区大巷多次发生冲击地压，并且发生在全矿井停产阶段，此类无动载荷源冲击地压隐蔽性强，为灾害治理带来难度。

(3)统筹规划矿区内各矿井边界开采设计。黄陇侏罗纪煤田彬长矿区、永陇矿区内相邻矿井都存在冲击地压发生风险，各矿井应该注意边界相邻开采区域处于各自监测盲区，而又受到采掘扰动，应开展联合监测、联合防治。

(4)绘制彬长、永陇矿区地应力总体分布图。黄陇侏罗纪煤田冲击地压矿井主要受褶曲构造影响，随着各矿井地应力测试数据不断完善，应绘制彬长、永陇矿区地应力总体分布图，以为各矿井开拓、开采布置提供基本环境应力指导。

5 结 论

在各矿井冲击地压显现特征分析基础上，结合黄陇侏罗纪煤田彬长矿区、永陇矿区各矿井煤岩层冲击倾向性鉴定、矿井、采区、采掘工作面冲击危险性评价以及防治冲击地压方案研究成果，总结分析了黄陇侏罗纪煤田冲击地压地质特征，彬长矿区、永陇矿区冲击地压发生主导因素为褶曲构造与厚硬顶板岩层。

针对建设矿井开展矿井低应力优化布置，针对生产矿井及建设矿井的采掘工作面，进行动静载荷源分源调控，取得了显著成效，下一步应开展矿区冲击地压数据横向关联，联防联控，为黄陇侏罗纪煤田深部开发提供安全保障。