彬長礦區沖擊地壓礦井初步設計回顧及思考

簡軍峰，劉 虎

(1.陜西省發展和改革委員會，陜西 西安 710006；2.山東能源集團沖擊地壓災害防治研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

目前我國部分新建煤礦逐步進入深部開采范圍，煤礦沖擊地壓發生頻率、強度都在逐年增加，造成的損失日益突出[1-3]。礦井初步設計是指導礦井合理建設、保證礦井建設技術方案順利實施和合理控制投資的重要文件，它是對擬建設礦井的建設原則、工程內容、工程技術方案和工程建設標準等進行全面、科學、縝密的運籌和策劃[4-6]。根據防沖要求合理選擇大巷層位與方向、安排采掘接續，降低高應力集中，從本質上提高新建礦井的主動防沖水平[7-8]，對開采埋深較大、具有潛在沖擊風險的礦井建設具有一定的現實意義。為此，對比分析了近年投產的彬長礦區礦井在初步設計階段存在的不足，嘗試對具有潛在沖擊地壓的礦井從設計階段超前考慮，采取防沖措施，減輕礦井投產后的防沖壓力，進而在礦井初步設計階段從源頭上防治沖擊地壓。

1 彬長礦區概況

彬長礦區位于陜西省咸陽市，礦區北部和西部以陜甘省界為界，南部和東部均以無煤區邊界線為界。礦區東西長46 km，南北寬36.5 km，面積978 km2，資源儲量89.8億t。

1.1 地質構造

地層及構造：彬長礦區位于黃隴煤田的中段。黃隴侏羅紀煤田地處鄂爾多斯盆地南緣，海拔標高一般+850～+1 200 m，形成于鄂爾多斯盆地發展的中期。礦區地層由老至新有三疊系上統胡家河組，侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統宜君組、洛河組、華池組，第三系和第四系。地表大面積被黃土覆蓋，溝谷出露的白堊系地層產狀平緩，其深部侏羅系隱伏構造為一走向N50°—70°E，傾向NW—NNW向的單斜構造。總體上，礦區構造以褶曲為主，斷裂構造少見。

含(隔)水層：區內主要含(隔)水層，主要有第四系孔隙潛水含水層，第三系孔隙裂隙承壓含水層，白堊系裂隙承壓含水層，侏羅系承壓含水層，三疊系隔水層，白堊系含水層。

1.2 煤層及沖擊危險性

主要可采煤層：區內含煤地層位于侏羅系延安組，自上而下編號為1號、2號、3號、4-1上、4-2上、4上、4號煤。其中4號煤為礦區主要可采煤層，層厚0.15～43.87 m，平均10.64 m，占礦區儲量的90%以上。4號煤從厚度看，東、南、西區薄，中部、北部厚。東區平均總厚9.94 m，最大15.10 m；南區平均總厚8.27 m，最大19.16 m；北區平均總厚13.67 m，最大43.87 m。4號煤從埋藏深度看，東、南部淺，北、西部深，埋深300～800 m，最深達1 000 m左右。

煤層頂底板：4號煤層頂板巖性變化較大，基本頂可分為3種類型，泥巖頂板、泥巖砂巖互層頂板、砂巖頂板。直接頂板大部分為泥巖、砂質泥巖頂板。底板含鋁質，主要為鋁土質泥巖，遇水膨脹，厚度一般3～10 m。

沖擊地壓鑒定及其危險性評價：《防治煤礦沖擊地壓細則》實施后，各礦井陸續進行了沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價。目前生產的12處礦井中，4處具有強沖擊危險性，2處具有中等危險性，其余6處為弱危險性礦井。從埋藏深度看，隨著深度增加，沖擊危險性由弱變強，礦區北西部的數個礦井均為強沖擊危險性礦井。

2 彬長礦區礦井初步設計回顧

2.1 礦井初步設計歷程

設計過程：2010年，彬長礦區規劃得到批復，礦區劃分13個井田。其中，維持生產礦井2處，分別是下溝礦井和亭南礦井；規劃改擴建礦井3處，分別是火石咀礦井由190萬t/a改擴建到300萬t/a，大佛寺礦井由300萬t/a改擴建到800萬t/a，水簾洞礦井由30萬t/a改擴建到90萬t/a；規劃新建礦井8處，分別是孟村礦井600萬t/a，小莊礦井600萬t/a，文家坡礦井400萬t/a，胡家河礦井500萬t/a，蔣家河礦井90萬t/a，雅店礦井400萬t/a，楊家坪礦井500萬t/a，高家堡礦井500萬t/a。礦區的13處礦井，除楊家坪礦井沒有建設外，其余規劃新建和改擴建礦井在2018年8月前，也就是《防治煤礦沖擊地壓細則》實施前基本都建成投產。《防治煤礦沖擊地壓細則》實施前，新建礦井在設計階段缺乏關于沖擊地壓的相關規定做依據。

存在問題：1987年原煤炭工業部《沖擊地壓煤層安全開采暫行規定》[(87)煤生字第337號]中規定，“有沖擊地壓現象的礦井，條件類似的相鄰礦井的煤層及沖擊地壓煤層的新水平，必須進行沖擊傾向鑒定”，這條規定有一定的局限性。礦區個別礦井在建設過程中，就曾經出現“煤炮”、漏頂、瞬間底鼓、甚至震動造成設備移位等強烈地動力現象，施工現場僅將其定義為“強礦壓”，沒有及時按沖擊地壓礦井調整設計和建設，致使各礦井生產中只能采取解危卸壓的被動防御措施，防沖壓力很大，甚至個別具有強沖擊危險性礦井還面臨調整主要大巷層位的難題。據此，以某具有強沖擊危險性的礦井為例，簡要敘述其開拓開采部分的變化內容。

2.2 礦井原初步設計中的開拓開采

開拓部署：設計投產時在工業場地內布置3條井筒，主立井、副立井和回風立井，井筒落底至三疊系地層布置井底車場。根據井田煤層呈塊狀分布，結合工業場地位置以及鐵路與井田的關系，大巷采取分區式布置，分西、東、南3個開采區段。開拓大巷采用三巷或四巷式布置于4號煤層之中。一盤區布置4條大巷，輔助運輸大巷、膠帶輸送機大巷和2條回風大巷，4條大巷水平間距均為40 m，縱向立體錯開布置，回風大巷沿煤層頂板布置，帶式輸送機大巷沿煤層中部布置，輔助運輸大巷沿煤層底板布置，大巷兩側留設100 m煤柱。

盤區劃分：井田開采面積較大，根據井田內地質構造及煤層賦存特點，結合工作面裝備水平及生產規模，本著適當加大盤區尺寸、增加工作面推進長度、盡量減少工作面搬家次數，提高礦井單產及效率的原則，設計確定盤區內合理的工作面推進長度按1.5～3 km左右考慮，共劃分9個盤區，其中一、二、四、五、八和九盤區為雙翼盤區，其余為單翼盤區。

采煤方法及工藝：設計一盤區主要開采4號煤層，平均厚度10.5 m，采用分層綜采回采工藝，先采上分層，后采下分層順序開采。工作面采用四巷式布置，主運巷和輔運巷為雙巷布置，沿煤層頂掘進，留25 m煤柱保護、繼續作為下個工作面回風使用，回風巷、預抽巷采用單巷布置方式，沿煤層頂布置。工作面長度為200～240 m，上分層采高4.2 m，循環進尺0.8 m，日循環8～10刀。工作面支架一次采全高液壓支架，超前支護采用單體支柱配合鉸接頂梁支護，支護長度60 m。

設計共性：礦區內其他礦井初步設計的大巷布置層位、盤區劃分、采煤方法及工藝等基本與該礦井相同。

2.3 按沖擊地壓礦井調整后的開拓開采內容

按沖擊地壓礦井調整的必要性：該礦井建成后，由于受到沖擊地壓災害的巨大影響，造成一盤區大巷及回采工作面多次重復沖擊，導致一盤區生產系統受損嚴重，不能正常使用。根據4號煤及其頂、底板沖擊傾向性鑒定報告，4號煤層具有強沖擊傾向性，4號煤頂底板巖層具有弱沖擊傾向性。沖擊危險性評價認為，4號煤層具有強沖擊危險性。迫于沖擊地壓影響，礦井不得不調整生產布局。

大巷布置：一盤區采用三巷式布置，3條大巷呈立體錯開布置，帶式輸送機巷沿4號煤層中部布置，輔助運輸巷及回風巷布置在煤層頂板以上10～15 m砂巖之中。為適應最大水平主應力方向，減小主應力對巷道的不利影響，調整了一盤區后續大巷掘進方位。西區大巷層位全部調整為煤層底板巖層中，大巷全部調整為巖石巷道，徹底避免了大巷沖擊的風險。

盤區劃分：從防沖考慮，盤區劃分原則上避免兩翼對采，采用單翼布置方式，將全井田原來的9個盤區劃分為13個盤區。同一盤區內工作面按順序開采，避免形成孤島工作面，同一盤區內各工作面向同一方向推進，背向采空區推進。

采煤方法及工藝：采煤工作面巷道調整為兩巷式，采煤工藝調整為綜采放頂煤，采3.5 m，放3～8 m不等。區段煤柱調整為留設6 m，循環進尺4.8 m，日循環6刀。工作面支架由分層采全高支架調整為綜采放頂煤支架。超前支護有單體液壓支柱調整為超前支護架組，并且支護長度由60 m調整到120 m。

造成的損失：礦井調整生產布局停產1年，投入大巷建設資金、調整排水系統、原設計的部分孤島工作面不能回采等，初步估算，直接損失超過10億元。與該礦井相鄰的其他強沖擊危險性礦井也面臨相同的開拓開采布局調整問題，停產調整大概也要1年以上。

3 初步設計存在的問題分析

近幾年，經過沖擊傾向性鑒定和沖擊危險性評價，彬長礦區的礦井均為沖擊地壓礦井，沖擊危險性由南向北逐漸增大，建設階段的初步設計基本沒有涉及沖擊地壓相關內容。回顧這些礦井的初步設計，分析其支撐性資料以及規范性文件，主要存在3個方面的問題。

3.1 井田勘探地質報告缺少沖擊地壓相關內容

《煤炭工業礦井設計規范》(GB50215—2015)2.1.1強調，中型及以上礦井初步可行性研究應根據評審備案的井田詳查或勘探地質報告進行，可行性研究和初步設計應根據評審備案的井田地質報告進行[9]。也就是說，礦井的初步可行性研究、可行性研究和初步設計編制的依據是經評審備案的井田勘探地質報告。誘發沖擊地壓的主要因素是開采煤層上覆巖層，勘探報告已經查清了煤層上覆地層結構，《煤、泥炭地質勘查規范》中沒有明確規定沖擊地壓災害的勘察內容[10]。

3.2 缺少煤層沖擊危險性評價結論作為支撐

新建礦井從初步可行性研究到初步設計階段沒有煤層沖擊傾向性評估及沖擊危險性評價(評估)等要求，特別在初步設計階段，沒有煤層沖擊危險性結論做支撐，從而在礦井開拓方式、保護層選擇、大巷層位選擇，采區接續、工作面開采順序、采煤方法、生產能力、支護形式等方面缺失有針對性的設計，人為造成了開拓布局及采掘接續等不能滿足防沖要求，產生了沖擊地壓區域防治的不利條件，失去了主動防治沖擊地壓的先機，防沖設計先天不足，致使生產后局部治理難度很大。

3.3 礦井防治沖擊地壓專項設計相對滯后

新建礦井的防治沖擊地壓專項設計包括開拓方式、保護層的選擇、巷道布置、工作面開采順序、采煤方法、生產能力、支護形式、沖擊危險性預測方法、沖擊地壓監測預警方法、防沖措施及效果檢驗方法、安全防護措施。同時還應包括防沖必備的裝備、防沖機構和管理制度、沖擊地壓防治培訓制度和應急預案等內容。礦井防沖專項設計與其他專項設計最大的區別在于，它直接決定著初步設計階段礦井大巷層位及方向、采掘接續、采煤工藝、工作面循環進尺等的確定原則。《煤炭工業礦井工程建設項目設計文件編制標準》(GB/T50554—2017)2.2.3[11]，礦井初步設計的內容和深度應能指導編制防治沖擊地壓專項設計，礦井防沖設計在時間節點上不能滯后。

4 結論

(1)井田勘探地質報告中建議增加沖擊地壓的章節內容。沖擊地壓與煤層上覆地層密切相關，《煤、泥炭地質勘查規范》(DZ/T 0215—2002)5.3.2規定，普查階段應確定勘查區的地層層序。在勘查工作研究的技術要求部分，按煤層(巖層)沖擊傾向性鑒定要求，對存在埋深超過400 m的煤層，且煤層上方100 m范圍內存在單層厚度超過10 m、單軸抗壓強度大于60 MPa的堅硬巖層的礦井提出沖擊地壓災害防治建議，如增加勘查期間煤巖層鉆芯的沖擊傾向性鑒定工作等。

(2)新建礦井嚴格執行《防治煤礦沖擊地壓細則》第16條規定。新建礦井在可行性研究階段應當根據地質條件、開采方式和周邊礦井等情況，參照沖擊傾向性鑒定規定對可采煤層及其頂底板巖層沖擊傾向性(建井期間的沖擊危險性)進行評估，當評估有沖擊傾向性(沖擊危險性)時，評估結果作為礦井立項、初步設計和指導建井施工的依據。

(3)新建礦井防治沖擊地壓專項設計與初步設計相結合。新建礦井防治沖擊地壓專項設計根據其可采煤層及其頂底板巖層沖擊傾向性進行評估，依據沖擊危險性評價結果，提出開拓方式、大巷布置等開拓開采設計思路，作為礦井初步設計開拓開采方案比較的內容之一。采區、采煤工作面的防治沖擊地壓專項設計可與其沖擊危險性評價合并完成。