彬長礦區沖擊地壓煤礦區域防沖措施調研分析

簡軍峰，付田田

(1.陜西省能源局，陜西 西安 710016；2.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

陜西的沖擊地壓最早發生于2013年1月，胡家河煤礦402盤區掘進工作面首次出現強烈動力現象、嚴重漏頂、底鼓、甚至設備移位等，當時將其定義為“強礦壓”[1-2]。隨著彬長礦區深部礦井的陸續建設，其它煤礦也相繼發生了類似的動力現象，如2014年高家堡煤礦在掘進一盤區3條大巷時也多次發生類似現象，這才引起了有關方面的重視。2015年，有關部門開始將這種“強礦壓”確定為“沖擊地壓”，屬礦井的主要災害之一。目前，彬長礦區的12對生產礦井中，強沖擊危險性礦井4對，中等沖擊危險礦井3對，其余均為弱沖擊危險礦井，沖擊地壓已成為彬長礦區僅次于瓦斯、水的主要災害。經過近5年的不懈努力，各個煤礦在防治沖擊地壓方面已經取得了一定的成績，但通過分析彬長礦業公司5對礦井的區域防治措施，發現了一些不足，提出了相應的對策建議，以期為同類礦井防沖工作提供借鑒。

1 礦區概況

彬長礦區是全國14個大型煤炭基地之一，屬黃隴基地的中深部，位于陜西省彬州市及長武縣境內，礦區東西長46 km，南北寬36.5 km，面積978 km2。含煤地層為中侏羅統延安組，主要可采煤層為4號煤，層厚0.15～43.87 m，平均10.64 m。埋藏南部淺，北、西部深，埋深300～800 m，最深達1 000 m。礦區劃分13個井田，生產建設規模為53.80 Mt /a。目前已經建成大佛寺、胡家河、小莊、文家坡、孟村、高家堡、亭南、水簾、下溝、蔣家河、雅店及火石咀12對煤礦，分屬于陜西煤業化工集團、山東能源集團和陜西彬縣煤炭責任有限公司。其中陜西煤業化工集團彬長礦業公司下轄大佛寺、胡家河、小莊、文家坡、孟村5對生產礦井，生產能力29.0 Mt /a，各礦沖擊傾向性鑒定與沖擊危險性評價結果見表1。

表1 沖擊傾向性鑒定與沖擊危險性評價結果

2 區域防沖措施現狀及存在的問題

2.1 區域防沖措施現狀

2.1.1 大佛寺煤礦

保護層開采：大佛寺煤礦主采煤層為4上和4號煤層，4上距4號煤層0.80～45.55 m，平均17.05 m。4上煤層平均厚度2.88 m，4上煤層埋藏更淺，為便于4號煤層的巷道維護和沖擊地壓防治，大佛寺煤礦先開采 4上煤工作面作為4號煤層的防沖保護層。

分區開采：4號煤在401采區東、401采區西翼以及402采區北翼東、402采區西段4個采區間跳采；4上煤在411采區南翼、412采區南翼與403采區北翼東、403采區西段4個采區間跳采，均實現了4個分區間隔開采，一區一面格局。

微震監測：礦井區域監測采用微震監測，實現了礦井全覆蓋。

2.1.2 胡家河煤礦

分區開采：通過優化盤區開拓方式、巷道布置、和工作面開采順序，礦井實現了在401盤區東翼、401盤區西翼和402盤區交替生產，實現了3個分區間隔開采，一區一面開采方式。

井下長距離分段壓裂：在井下401111工作面回風巷水倉出水口1號孔進行壓裂，壓裂孔深592 m，壓裂6段，壓裂范圍484～577 m，壓裂長度93 m，恒定壓力穩定在17～20 MPa。

微震監測：礦井區域監測采用微震監測，實現了礦井全覆蓋。

2.1.3 小莊煤礦

分區開采：礦井已經在二、三盤區進行交替回采，五盤區接續。待3號煤五盤區首采面形成后，作為礦井配采工作面，與二、三盤區工作面交替生產。目前為2個分區間隔開采，一區一面的開采方式。

微震監測：礦井區域監測采用微震監測，實現了礦井全覆蓋。

2.1.4 文家坡煤礦

分區開采：41盤區→42盤區，41盤區布置一個4104長壁綜采放頂煤工作面，4105為接續工作面。

微震監測：礦井區域監測采用微震監測，實現了礦井全覆蓋。

2.1.5 孟村煤礦

孟村煤礦屬于建設礦井。

調整中央大巷層位：為保障中央大巷安全使用，對中央帶式輸送機大巷、中央二號輔運大巷和中央二號回風大巷斷層構造區域的層位進行調整，將以上3條巷道的層位調整至巖層中。

施工專用輔助運輸通道：在401盤區輔助運輸巷最北側施工一條連通403盤區的專用輔助運輸通道，設計長度2 760 m，該通道作為401102工作面回采期間，403盤區作業人員及輔助運輸進出的雙重安全通道。

2.2 區域防沖措施存在的問題

通過分析各個礦井地質條件、采掘工作面施工作業，結合井下現場實際調研，目前沖擊地壓區域治理存在6個共性問題。

2.2.1 開拓布局未安排分區開采

礦井開拓設計時，未考慮采煤工作面分區跳采有利于防沖的實際，導致采掘接續緊張。為緩解采掘接續矛盾，回采巷道經常采取雙巷掘進，導致接續工作面順槽受2次回采擾動，巷道壓力增大，回采巷道支護抗沖擊能力降低[3-5]。

2.2.2 主要大巷抗沖擊能力差

主要大巷保護煤柱寬度較小，部分區域巷道布置密集，交叉點多，增大了在巷的應力集中。主要大巷服務時間長，上覆頂板巖層一般較為堅硬，沖擊威脅較大，抗沖擊能力差。

2.2.3 區段煤柱留設不合理

各礦當前均留設15～30 m的區段煤柱，區段煤柱留設較大，造成應力集中程度較高，回采巷道底鼓嚴重，幫部煤體松散。動力顯現及巷道變形加劇。

2.2.4 區域監測的范圍和探頭布置不能滿足要求

大巷掘進工作面，未在迎頭區域單獨布置微震探頭。利用大巷及相鄰回采工作面已布置的微震探頭對掘進巷道進行微震監測，范圍超出規定，或無法形成至少3個有效監測點的要求，監測效果較差。

2.2.5 復合災害未能實現協同治理

礦井多種災害并存，同時面臨沖擊地壓、水害、瓦斯、火災、頂板等災害的疊加影響。在災害治理過程中存在相互影響、相互制約的因素。多災害耦合條件下的協同治理，是當前面臨的一個亟待解決的問題。

2.2.6 采區地質探測不足

采區內構造應力對沖擊地壓的發生起到主導作用。隨著采煤機械化程度的提高，采(盤)區的范圍越來越大，區內隱伏構造將是潛在的沖擊危險源。

3 區域防沖的對策建議

3.1 區域防沖規劃

防治沖擊地壓是采礦工程和巖石力學領域面臨的一項世界性難題，其致災機理尚未研究清楚，相關防治技術手段仍需完善，沖擊地壓災害與礦井開采深度、開采強度密切相關[6-8]。開展沖擊地壓源頭治理，應從區域防沖規劃入手。

3.1.1 合理開拓布局

2018年8月1日《防治煤礦沖擊地壓細則》施行以前，孟村煤礦已按照初步設計施工了4條中央大巷，大巷均布置于4號煤層中。經后期鑒定，4號煤具有強沖擊傾向性，評價具有強沖擊危險性。近幾年，中央膠帶大巷斷層構造區域多次發生沖擊，給礦井生產帶來很大困難。目前煤礦正在調整開拓布局，擬將大巷層位調整到巖層中，附近的高家堡煤礦也有類似情況。新建煤礦在可行性研究階段，就要認真落實沖擊傾向性評估和沖擊危險性鑒定。嚴重沖擊地壓煤層從設計開始，開拓巷道及采(盤)區接續應充分考慮沖擊地壓的影響，達到“一井多區、一區一面、交替開采”的布置格局。

3.1.2 開采解放層

大佛寺煤礦選擇4上煤層作為保護層，先采4上煤層，再采4號煤組織生產，較好地解決了4號煤開采期間的沖擊地壓問題。開采保護層在煤層群開采條件下防治沖擊地壓，已經證明是行之有效的方法，但在實施過程中，還需研究煤層間距，選擇上保護層還是下保護層、保護層的煤層厚度、保護層開采的時間以及保護范圍等，確保達到降低應力及沖擊危險的目的。胡家河、小莊、文家坡煤礦，后期有3號煤、4上煤等煤層局部可采，到期可借鑒大佛寺煤礦開采經驗，先行開采上部煤層，再開采下部煤層。

3.1.3 合理確定工作面開采順序

在不考慮沖擊地壓影響條件下，采區的首采工作面往往選擇從采區中開采條件最好的工作面開始，后期可能形成一個或多個孤島工作面，這在彬長礦區先期建設的多個礦井均存在類似情況。《防治煤礦沖擊地壓細則》實施以后，嚴重沖擊地壓礦井不得開采孤島煤柱，沖擊地壓煤層開采孤島煤柱前，煤礦企業應當組織專家進行防沖安全開采論證。過去留下來的孤島煤柱，一是造成了資源浪費，二是為開采下層煤留下隱患。從防治沖擊地壓角度出發，在設計工作面時，應保證合理的開采順序，從源頭上安排生產計劃，堅持順序回采，不留孤島煤柱。

3.1.4 合理留設煤柱

受沖擊地壓影響的護巷煤柱基本上有兩類，一是區段煤柱，二是大巷煤柱。胡家河煤礦開采煤層厚度大且堅硬，403盤區埋深650～780 m，工作面回采巷道間煤柱設計寬度均為50 m，根據防沖設計，調整為屈服煤柱寬度6 m。大巷煤柱設計為80 m，根據沖擊情況，調整為200 m。調整后，煤柱壓力明顯減小。區段煤柱附近應力集中程度大，易發生沖擊地壓。大巷服務年限長，保護煤柱易受采空影響。留設煤柱時，應結合實際情況，分析影響范圍，合理留設煤柱。

3.1.5 合理確定工作面長度

從應力分布角度來看，當工作面長度增加時，對沖擊危險的影響較小，另外，在保證產量的前提下，加長工作面可以有效地控制推進速度，避免出現推進速度過快的情況，減小沖擊地壓發生風險。目前，胡家河煤礦采煤工作面長度為180～200 m，小莊煤礦采煤工作面平均長度為196 m。研究表明，工作面長度在從150 m變化至300 m時，側向支承壓力的影響范圍與工作面長度增加前相差不大，工作面超前支承壓力的峰值大小及影響范圍變化也不甚明顯[9-11]。相同條件下，工作面長度增加，工作面的頂板破壞高度也隨之增加，但超過一定長度之后，趨于穩定狀態。根據彬長礦區現場觀測，工作面長度增加，來壓步距減小，但由于頂板破壞高度及面積的增加，使得整體支架的受力增加。因此工作面長度增加對巷道及采場圍巖的應力分布影響較小，對頂板活動影響較為明顯，有利于防止出現大面積懸頂現象。

3.1.6 合理的采掘速度

彬長礦區強、中等及弱沖擊危險區域的掘進速度分別不超過10 m/d、12.4 m/d和14.8 m/d。強、中等及弱沖擊危險區域的采煤工作面推進速度分別不超過4.0 m/d、6.4 m/d和8.0 m/d。確定合理的推進速度，是在保障礦井合理產能基礎上，防范沖擊地壓發生的有效措施。根據彬長礦區經驗，對于不同沖擊危險區域暫定不同的掘進及回采速度，避免忽快忽慢，避免高開采強度，否則會對上覆頂板及采場圍巖帶來強烈的擾動。并應根據地質和開采技術條件以及各監測手段取得的數據進行統計分析，以確定出適合礦井的合理的回采速度。

3.1.7 合理的采煤方法

采煤方法的不同、巷道布置形式的不同、頂板管理方法的不同，煤巖體在掘進和回采過程中礦山壓力及其分布規律也顯著不同，發生沖擊地壓的危險性也各異。整體來看，彬長礦區煤層結構較簡單，厚度較大，采用分層綜采放頂煤長壁式采煤方法，從沖擊地壓影響來看，由于工作面上方頂煤作為直接頂，在頂板來壓時起到對頂板壓力的緩沖作用，原則上有利于沖擊地壓的防治。但由于礦井設計的工作面較長，采高及采區面積都比較大，上覆厚硬巖層賦存明顯，頂板活動比較強烈，存在一定的沖擊危險，因此在回采過程中還應加強頂板活動的監測，并提高工作面支架初撐力和超前支護強度。

3.1.8 合理的支護方式

回采巷道采用“錨桿+錨索+W鋼帶”聯合支護，地質構造等特殊區段注漿加固或桁架支護，局部煤體破碎區段采用噴漿封閉。開拓巷道采取“錨桿+錨索+異型鋼帶+噴砼”聯合支護，采用高密度支護實現一次支護到位，對斷層破碎帶增加“注漿+架棚”的補強支護措施。

一般采用綜采放頂煤液壓支架支護。工作面回風順槽推廣使用液壓支架進行超前支護；運輸順槽采用超前液壓支架+單體液壓支柱超前支護，超前支護范圍不小于120 m。優化巷道抗沖擊支護體系，開展沖擊危險區域巷道支護效果評價工作，優化動靜載疊加作用下巷道抗沖擊支護體系，切實強化煤層巷道抗沖擊能力。通過對堅硬頂板支護參數進行調整，降低了沖擊地壓對巷道的破壞程度，減少了巷道維護工程量。

3.2 監測系統

彬長礦區大佛寺煤礦、胡家河煤礦和小莊煤礦分別采用的是ARAMIS M/E微震監測系統，文家坡煤礦采用1套KJ551微震監測系統，孟村煤礦采用1套SOS微震監測系統，個別煤礦還安裝了2套微震監測系統，形成相互協同，印證的監測模式。各系統基本均能實現礦山震動定位、震動能量計算及震動的危險評價。

但各微震監測系統的監測范圍，能量、頻次的側重點略有不同，在建立礦區數據共享、遠程操作、量級統一的區域監測共享平臺，將各礦現有監測系統整合，實現公司—礦的實時傳輸系統存在一定的難度。當然，實現沖擊地壓遠程監測平臺資源共享、專家診斷、在線預警、提供信息服務、加快防沖決策還有大量工作要做。

3.3 區域治理措施

3.3.1 壓裂技術原理

目前，孟村和胡家河煤礦均開展了區域防沖的治理。孟村煤礦引進了地面水平井壓裂和井下長距離分段壓裂技術，胡家河煤礦開展了井下長距離分段壓裂適應性研究。根據監測情況，其效果比較理想，能夠有效降低巖層應力集中，減弱沖擊危險，推廣價值較高，但投入較大。后期，根據孟村和胡家河煤礦實踐情況，適時在其他各礦推廣這2種壓裂技術。水力壓裂技術是利用高壓水作為介質，在限定的封孔空間里，巖體在高壓水的作用下克服巖體的最小主應力與抗拉強度發生破裂并產生裂隙。巖體的原生裂隙和壓裂產生的裂隙，通過氣、固、液多相多場耦合，使裂隙進一步擴展和延伸矩型，形成具有一定寬度、長度的人工裂縫，從而實現油氣增產、巖體增透、卸壓等目的。

3.3.2 地面水平井壓裂

地面水平井分段壓裂技術通過地面實施水平井，對堅硬頂板進行分段壓裂技術改造，釋放地層應力，實現工作面范圍內上覆堅硬頂板區域弱化，降低采煤工作面回采期間大面積堅硬頂板跨落可能帶來的沖擊地壓風險。目前常用的技術有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂和同步壓裂等。鉆探技術難度大，需要對地層情況進行分析，施工的不確定因素多。針對堅硬頂板水平井壓裂裂縫擴展的監測，常借用石油領域的監測手段，即在地面布置監測微震測點，通過微震事件發生的位置判斷整個壓裂過程不同壓裂段的裂縫擴展情況。與石油相比，煤礦堅硬頂板水平井壓裂對于裂縫擴展范圍的精準性具有更高的要求，需要針對水平井每一段壓裂的擴展范圍進行精準監測。

3.3.3 井下長距離分段壓裂

井下長距離分段壓裂技術在石油開采、瓦斯治理等方面已成熟應用，其核心原理是通過對煤層巨厚頂板實施定向長鉆孔分段水力壓裂，使巨厚頂板逐層垮落，形成連續有效支撐，降低頂板能量的突然釋放，大幅度減少礦震的發生頻率和強度。

通過綜合分析礦井地質條件、施工工藝、技術資料，結合現場實際，制定巨厚頂板定向長鉆孔分段水力壓裂工藝技術方案，包括前期資料方案、設備準備，分段水力壓裂現場工程試驗，現場數據監測跟蹤，數據整理及綜合分析，編制項目研究報告及成果驗收5個環節。其中，分段水力壓裂現場工程試驗是重中之重。通過由內向外分段注入高壓水，使巖層產生裂隙，從而避免大面積頂板突然垮落產生強烈震動。通過實踐，進一步探索適合礦井定向長鉆孔分段水力壓裂礦震防治技術，并通過實踐論證，力爭形成國內其他沖擊地壓礦井可借鑒和推廣應用的成熟技術。

4 結語

據統計，目前全國有沖擊地壓礦井133處，陜西22處，占到全國的六分之一。這22處礦井大多分布在彬長礦區，并且是投產時間不長的新建礦井。這些礦井在設計建設階段均沒有涉及沖擊地壓相關內容，防沖設計先天不足，開拓布局及采掘接續等不能滿足防沖要求，產生了沖擊地壓防治的不利條件，失去了主動防治沖擊地壓的先機，致使生產后治理難度很大。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。因此，防沖工作要在正確認識沖擊地壓發生機理的基礎上，按照調布局、調接續的區域性防沖源頭治理先行，局部防沖措施跟進的原則，加強組織保障、技術保障、管理保障，特別是資金投入，加強與科研單位的合作，使沖擊地壓防治工作取得實效。