彬长矿区冲击地压矿井初步设计回顾及思考

简军峰，刘 虎

(1.陕西省发展和改革委员会，陕西 西安 710006；2.山东能源集团冲击地压灾害防治研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

目前我国部分新建煤矿逐步进入深部开采范围，煤矿冲击地压发生频率、强度都在逐年增加，造成的损失日益突出[1-3]。矿井初步设计是指导矿井合理建设、保证矿井建设技术方案顺利实施和合理控制投资的重要文件，它是对拟建设矿井的建设原则、工程内容、工程技术方案和工程建设标准等进行全面、科学、缜密的运筹和策划[4-6]。根据防冲要求合理选择大巷层位与方向、安排采掘接续，降低高应力集中，从本质上提高新建矿井的主动防冲水平[7-8]，对开采埋深较大、具有潜在冲击风险的矿井建设具有一定的现实意义。为此，对比分析了近年投产的彬长矿区矿井在初步设计阶段存在的不足，尝试对具有潜在冲击地压的矿井从设计阶段超前考虑，采取防冲措施，减轻矿井投产后的防冲压力，进而在矿井初步设计阶段从源头上防治冲击地压。

1 彬长矿区概况

彬长矿区位于陕西省咸阳市，矿区北部和西部以陕甘省界为界，南部和东部均以无煤区边界线为界。矿区东西长46 km，南北宽36.5 km，面积978 km2，资源储量89.8亿t。

1.1 地质构造

地层及构造：彬长矿区位于黄陇煤田的中段。黄陇侏罗纪煤田地处鄂尔多斯盆地南缘，海拔标高一般+850～+1 200 m，形成于鄂尔多斯盆地发展的中期。矿区地层由老至新有三叠系上统胡家河组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池组，第三系和第四系。地表大面积被黄土覆盖，沟谷出露的白垩系地层产状平缓，其深部侏罗系隐伏构造为一走向N50°—70°E，倾向NW—NNW向的单斜构造。总体上，矿区构造以褶曲为主，断裂构造少见。

含(隔)水层：区内主要含(隔)水层，主要有第四系孔隙潜水含水层，第三系孔隙裂隙承压含水层，白垩系裂隙承压含水层，侏罗系承压含水层，三叠系隔水层，白垩系含水层。

1.2 煤层及冲击危险性

主要可采煤层：区内含煤地层位于侏罗系延安组，自上而下编号为1号、2号、3号、4-1上、4-2上、4上、4号煤。其中4号煤为矿区主要可采煤层，层厚0.15～43.87 m，平均10.64 m，占矿区储量的90%以上。4号煤从厚度看，东、南、西区薄，中部、北部厚。东区平均总厚9.94 m，最大15.10 m；南区平均总厚8.27 m，最大19.16 m；北区平均总厚13.67 m，最大43.87 m。4号煤从埋藏深度看，东、南部浅，北、西部深，埋深300～800 m，最深达1 000 m左右。

煤层顶底板：4号煤层顶板岩性变化较大，基本顶可分为3种类型，泥岩顶板、泥岩砂岩互层顶板、砂岩顶板。直接顶板大部分为泥岩、砂质泥岩顶板。底板含铝质，主要为铝土质泥岩，遇水膨胀，厚度一般3～10 m。

冲击地压鉴定及其危险性评价：《防治煤矿冲击地压细则》实施后，各矿井陆续进行了冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价。目前生产的12处矿井中，4处具有强冲击危险性，2处具有中等危险性，其余6处为弱危险性矿井。从埋藏深度看，随着深度增加，冲击危险性由弱变强，矿区北西部的数个矿井均为强冲击危险性矿井。

2 彬长矿区矿井初步设计回顾

2.1 矿井初步设计历程

设计过程：2010年，彬长矿区规划得到批复，矿区划分13个井田。其中，维持生产矿井2处，分别是下沟矿井和亭南矿井；规划改扩建矿井3处，分别是火石咀矿井由190万t/a改扩建到300万t/a，大佛寺矿井由300万t/a改扩建到800万t/a，水帘洞矿井由30万t/a改扩建到90万t/a；规划新建矿井8处，分别是孟村矿井600万t/a，小庄矿井600万t/a，文家坡矿井400万t/a，胡家河矿井500万t/a，蒋家河矿井90万t/a，雅店矿井400万t/a，杨家坪矿井500万t/a，高家堡矿井500万t/a。矿区的13处矿井，除杨家坪矿井没有建设外，其余规划新建和改扩建矿井在2018年8月前，也就是《防治煤矿冲击地压细则》实施前基本都建成投产。《防治煤矿冲击地压细则》实施前，新建矿井在设计阶段缺乏关于冲击地压的相关规定做依据。

存在问题：1987年原煤炭工业部《冲击地压煤层安全开采暂行规定》[(87)煤生字第337号]中规定，“有冲击地压现象的矿井，条件类似的相邻矿井的煤层及冲击地压煤层的新水平，必须进行冲击倾向鉴定”，这条规定有一定的局限性。矿区个别矿井在建设过程中，就曾经出现“煤炮”、漏顶、瞬间底鼓、甚至震动造成设备移位等强烈地动力现象，施工现场仅将其定义为“强矿压”，没有及时按冲击地压矿井调整设计和建设，致使各矿井生产中只能采取解危卸压的被动防御措施，防冲压力很大，甚至个别具有强冲击危险性矿井还面临调整主要大巷层位的难题。据此，以某具有强冲击危险性的矿井为例，简要叙述其开拓开采部分的变化内容。

2.2 矿井原初步设计中的开拓开采

开拓部署：设计投产时在工业场地内布置3条井筒，主立井、副立井和回风立井，井筒落底至三叠系地层布置井底车场。根据井田煤层呈块状分布，结合工业场地位置以及铁路与井田的关系，大巷采取分区式布置，分西、东、南3个开采区段。开拓大巷采用三巷或四巷式布置于4号煤层之中。一盘区布置4条大巷，辅助运输大巷、胶带输送机大巷和2条回风大巷，4条大巷水平间距均为40 m，纵向立体错开布置，回风大巷沿煤层顶板布置，带式输送机大巷沿煤层中部布置，辅助运输大巷沿煤层底板布置，大巷两侧留设100 m煤柱。

盘区划分：井田开采面积较大，根据井田内地质构造及煤层赋存特点，结合工作面装备水平及生产规模，本着适当加大盘区尺寸、增加工作面推进长度、尽量减少工作面搬家次数，提高矿井单产及效率的原则，设计确定盘区内合理的工作面推进长度按1.5～3 km左右考虑，共划分9个盘区，其中一、二、四、五、八和九盘区为双翼盘区，其余为单翼盘区。

采煤方法及工艺：设计一盘区主要开采4号煤层，平均厚度10.5 m，采用分层综采回采工艺，先采上分层，后采下分层顺序开采。工作面采用四巷式布置，主运巷和辅运巷为双巷布置，沿煤层顶掘进，留25 m煤柱保护、继续作为下个工作面回风使用，回风巷、预抽巷采用单巷布置方式，沿煤层顶布置。工作面长度为200～240 m，上分层采高4.2 m，循环进尺0.8 m，日循环8～10刀。工作面支架一次采全高液压支架，超前支护采用单体支柱配合铰接顶梁支护，支护长度60 m。

设计共性：矿区内其他矿井初步设计的大巷布置层位、盘区划分、采煤方法及工艺等基本与该矿井相同。

2.3 按冲击地压矿井调整后的开拓开采内容

按冲击地压矿井调整的必要性：该矿井建成后，由于受到冲击地压灾害的巨大影响，造成一盘区大巷及回采工作面多次重复冲击，导致一盘区生产系统受损严重，不能正常使用。根据4号煤及其顶、底板冲击倾向性鉴定报告，4号煤层具有强冲击倾向性，4号煤顶底板岩层具有弱冲击倾向性。冲击危险性评价认为，4号煤层具有强冲击危险性。迫于冲击地压影响，矿井不得不调整生产布局。

大巷布置：一盘区采用三巷式布置，3条大巷呈立体错开布置，带式输送机巷沿4号煤层中部布置，辅助运输巷及回风巷布置在煤层顶板以上10～15 m砂岩之中。为适应最大水平主应力方向，减小主应力对巷道的不利影响，调整了一盘区后续大巷掘进方位。西区大巷层位全部调整为煤层底板岩层中，大巷全部调整为岩石巷道，彻底避免了大巷冲击的风险。

盘区划分：从防冲考虑，盘区划分原则上避免两翼对采，采用单翼布置方式，将全井田原来的9个盘区划分为13个盘区。同一盘区内工作面按顺序开采，避免形成孤岛工作面，同一盘区内各工作面向同一方向推进，背向采空区推进。

采煤方法及工艺：采煤工作面巷道调整为两巷式，采煤工艺调整为综采放顶煤，采3.5 m，放3～8 m不等。区段煤柱调整为留设6 m，循环进尺4.8 m，日循环6刀。工作面支架由分层采全高支架调整为综采放顶煤支架。超前支护有单体液压支柱调整为超前支护架组，并且支护长度由60 m调整到120 m。

造成的损失：矿井调整生产布局停产1年，投入大巷建设资金、调整排水系统、原设计的部分孤岛工作面不能回采等，初步估算，直接损失超过10亿元。与该矿井相邻的其他强冲击危险性矿井也面临相同的开拓开采布局调整问题，停产调整大概也要1年以上。

3 初步设计存在的问题分析

近几年，经过冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价，彬长矿区的矿井均为冲击地压矿井，冲击危险性由南向北逐渐增大，建设阶段的初步设计基本没有涉及冲击地压相关内容。回顾这些矿井的初步设计，分析其支撑性资料以及规范性文件，主要存在3个方面的问题。

3.1 井田勘探地质报告缺少冲击地压相关内容

《煤炭工业矿井设计规范》(GB50215—2015)2.1.1强调，中型及以上矿井初步可行性研究应根据评审备案的井田详查或勘探地质报告进行，可行性研究和初步设计应根据评审备案的井田地质报告进行[9]。也就是说，矿井的初步可行性研究、可行性研究和初步设计编制的依据是经评审备案的井田勘探地质报告。诱发冲击地压的主要因素是开采煤层上覆岩层，勘探报告已经查清了煤层上覆地层结构，《煤、泥炭地质勘查规范》中没有明确规定冲击地压灾害的勘察内容[10]。

3.2 缺少煤层冲击危险性评价结论作为支撑

新建矿井从初步可行性研究到初步设计阶段没有煤层冲击倾向性评估及冲击危险性评价(评估)等要求，特别在初步设计阶段，没有煤层冲击危险性结论做支撑，从而在矿井开拓方式、保护层选择、大巷层位选择，采区接续、工作面开采顺序、采煤方法、生产能力、支护形式等方面缺失有针对性的设计，人为造成了开拓布局及采掘接续等不能满足防冲要求，产生了冲击地压区域防治的不利条件，失去了主动防治冲击地压的先机，防冲设计先天不足，致使生产后局部治理难度很大。

3.3 矿井防治冲击地压专项设计相对滞后

新建矿井的防治冲击地压专项设计包括开拓方式、保护层的选择、巷道布置、工作面开采顺序、采煤方法、生产能力、支护形式、冲击危险性预测方法、冲击地压监测预警方法、防冲措施及效果检验方法、安全防护措施。同时还应包括防冲必备的装备、防冲机构和管理制度、冲击地压防治培训制度和应急预案等内容。矿井防冲专项设计与其他专项设计最大的区别在于，它直接决定着初步设计阶段矿井大巷层位及方向、采掘接续、采煤工艺、工作面循环进尺等的确定原则。《煤炭工业矿井工程建设项目设计文件编制标准》(GB/T50554—2017)2.2.3[11]，矿井初步设计的内容和深度应能指导编制防治冲击地压专项设计，矿井防冲设计在时间节点上不能滞后。

4 结论

(1)井田勘探地质报告中建议增加冲击地压的章节内容。冲击地压与煤层上覆地层密切相关，《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 0215—2002)5.3.2规定，普查阶段应确定勘查区的地层层序。在勘查工作研究的技术要求部分，按煤层(岩层)冲击倾向性鉴定要求，对存在埋深超过400 m的煤层，且煤层上方100 m范围内存在单层厚度超过10 m、单轴抗压强度大于60 MPa的坚硬岩层的矿井提出冲击地压灾害防治建议，如增加勘查期间煤岩层钻芯的冲击倾向性鉴定工作等。

(2)新建矿井严格执行《防治煤矿冲击地压细则》第16条规定。新建矿井在可行性研究阶段应当根据地质条件、开采方式和周边矿井等情况，参照冲击倾向性鉴定规定对可采煤层及其顶底板岩层冲击倾向性(建井期间的冲击危险性)进行评估，当评估有冲击倾向性(冲击危险性)时，评估结果作为矿井立项、初步设计和指导建井施工的依据。

(3)新建矿井防治冲击地压专项设计与初步设计相结合。新建矿井防治冲击地压专项设计根据其可采煤层及其顶底板岩层冲击倾向性进行评估，依据冲击危险性评价结果，提出开拓方式、大巷布置等开拓开采设计思路，作为矿井初步设计开拓开采方案比较的内容之一。采区、采煤工作面的防治冲击地压专项设计可与其冲击危险性评价合并完成。