厚硬頂板開采條件下不同采動空間致沖規律探究

沈 偉

（中國中煤能源集團有限公司技術管理中心，北京 100120）

內蒙古自治區是國家能源戰略基地，鄂爾多斯原煤產量占比超過60%，占據主要地位。據鄂爾多斯統計局數據，鄂爾多斯地區2020 年全市規模以上煤炭工業企業生產原煤64 016.5 萬t。近年來，隨著鄂爾多斯地區煤炭資源開發不斷加速，特別是西部礦區多處大型深井煤礦投產，沖擊地壓逐漸成為制約鄂爾多斯地區煤礦安全生產的主要災害之一。由于鄂爾多斯地區特殊沉積條件以及高強度開采，礦震、沖擊地壓事件也在增多。2018 年4 月8日某礦發生3×107J 能量微震事件，破壞巷道達113 m，震級達到2.5 級，地面震感明顯。截止到2020年底，鄂爾多斯地區沖擊地壓礦井數量增加到16處，石拉烏素煤礦、營盤壕煤礦、門克慶煤礦、巴彥高勒煤礦、紅慶河煤礦等礦井發生多次大能量礦震事件，不同程度存在動力顯現。沖擊地壓發生既有首采工作面也有臨空工作面，不同采動空間呈現出了不同特征。沖擊地壓已經成為鄂爾多斯深部礦區影響煤礦安全生產的重要災害之一，研究鄂爾多斯深部礦區厚硬巖層條件下不同采動空間沖擊地壓顯現特征對于指導鄂爾多斯深部礦區礦井沖擊地壓防治極具現實意義[1-6]。

1 地質開采條件特征

鄂爾多斯深部礦區煤層埋深在400～1000 m，個別礦井現有開采深度已經超過720 m。主采煤層具有沖擊傾向性，厚度多在5～12 m，單軸抗壓強度普遍高于30 MPa。煤層上覆多層巨厚砂巖，富水性強。回采工作面寬度多在260～360 m，走向長度超過3000 m，服務年限長達2～3 年，開采強度高，影響時間長。部分礦井工作面雙巷布置，區段煤柱寬度20～30 m。部分礦井個別工作面地質開采條件統計見表1。

表1 部分礦井個別工作面地質開采條件統計簡表

為分析厚硬頂板開采條件下不同采動空間致沖規律，收集整理了中煤集團所屬沖擊地壓礦井回采工作面地質開采條件信息及微震監測數據，按照單面采空、雙面采空及三面采空分別選取具有代表意義的回采工作面。

單面采空選取中煤集團葫蘆素煤礦20104 工作面（圖1）。該面為該礦四盤區首采工作面，位于四盤區大巷西翼，周邊無其他采動影響，工作面寬300 m，走向長度3300 m，平均煤厚4.0 m，直接頂為2.4 m 厚的炭質泥巖，基本頂為11 m 厚的砂巖。

圖1 葫蘆素煤礦20104 工作面平面位置示意圖

雙面采空選取中煤集團母杜柴登煤礦30202工作面（圖2）。該面為該礦二盤區第二個工作面，工作面寬268 m，走向長度3718 m，切眼外錯30201 采空區300 m 布置，30201 采空區寬255 m、長3450 m，區段煤柱寬度20 m，平均煤厚5.48 m，直接頂為10.36～25.90 m 厚的粉砂質泥巖，基本頂為1.30～14.89 m 厚的粗粒砂巖。

圖2 母杜柴登煤礦30202 工作面平面位置示意圖

三面采空選取中煤集團葫蘆素煤礦21104 工作面。該面為該礦一盤區第三個回采工作面，工作面面寬320 m，走向長度3500 m，切眼內錯21103 采空區布置，區段煤柱寬度30 m，平均煤厚2.54 m，直接頂為2.53～7.8 m 厚的砂質泥巖、粉砂巖，基本頂為13.8～23.3 m 厚的細砂巖、中砂巖。

2 不同采動空間致沖規律分析

2.1 單面采空厚硬頂板致沖規律分析

葫蘆素煤礦21405 工作面自2019 年11 月12日到2021 年3 月20 日共監測到微震事件3793 個。統計分析該面回采期間微震監測數據，每周統計一次平均每推進1 m 微震事件頻次、釋放能量，為便于對比分析，取頻次為主縱坐標軸，能量為副縱坐標軸，對應工作面推采位置繪制變化曲線如圖3。由圖中可以看出，工作面在2019 年11 月18 日推采至51 m 開始初次來壓時，微震事件發生頻次與釋放能量達到階段峰值，并且工作面后期推采過程中，微震事件頻次與釋放能量相對較為平穩。工作面“一次見方”期間微震事件發生頻次與釋放能量出現較大波動，但均處于較低水平。工作面“二次見方”期間微震事件發生頻次沒有明顯變化，但是受F58、F59 橫貫工作面斷層疊加影響釋放能量迅速增加，達到階段峰值。由上述分析可知，首采工作面采動空間有限，波及上覆巖層層位不高，高位厚硬巖層沒有發生明顯破斷，釋放能量有限，見方效應不明顯，受地質構造影響較大。

圖3 單面采空微震事件發生頻次及釋放能量變化趨勢圖

2.2 雙面采空厚硬頂板致沖規律分析

母杜柴登煤礦30202 工作面自2018 年4 月28日到2021 年2 月2 日共監測到微震事件45 221 個。統計分析該面回采期間微震監測數據，每周統計一次平均每推進1 m 微震事件頻次、釋放能量，為便于對比分析，取頻次為主縱坐標軸，能量為副縱坐標軸，對應工作面推采位置繪制變化曲線如圖4。從圖中可以看出，工作面“一次見方”期間，疊加B7 向斜影響，微震事件頻次與釋放能量明顯上升，頻次的增加說明頂板頻繁產生裂隙，能量的集中釋放說明上覆巖層大型裂隙擴展，頂板運動加劇。單面“一次見方”結束后，微震事件發生頻次與釋放能量明顯減少，直至工作面“二次見方”釋放能量達到階段峰值，并持續到雙工作面“一次見方”（由于30202 工作面切眼外錯30201 采空區布置，因此選定工作面推采至800 m 位置時，雙工作面“一次見方”），說明單面“二次見方”期間受臨近采空區影響，上覆巖層大型裂隙持續產生，并在雙工作面“一次見方”結束后形成承載結構，上覆巖層運動趨于穩定。雙工作面“一次見方”結束后，微震事件發生頻次及釋放能量較長時期內保持相對較低水平，但在工作面接近地質構造帶時，如過褶曲、傾角變化帶、沖刷帶期間，微震事件發生頻次與釋放能量均出現明顯波動，并且都呈明顯增長狀態。由上述分析可知，形成雙面采動空間后，上覆巖層將會產生更大范圍結構性運動，單工作面“二次見方”至雙工作面“一次見方”期間上覆巖層運動最為劇烈，雙工作面“一次見方”后形成相對穩定結構，沖擊危險程度隨之有所降低。

圖4 雙面采空微震事件發生頻次及釋放能量變化趨勢圖

2.3 三面采空厚硬頂板致沖規律分析

葫蘆素煤礦21104 工作面自2019 年6 月24 日到2021 年5 月4 日共監測到微震事件21 743 個。統計分析該面回采期間微震監測數據，每周統計一次平均每推進1 m 微震事件頻次、釋放能量，為便于對比分析，取頻次為主縱坐標軸，能量為副縱坐標軸，對應工作面推采位置繪制變化曲線如圖5。從圖中可以看出，單工作面“一次見方”期間，微震事件發生頻次與釋放能量明顯上升，釋放能量整體不高，說明單工作面“一次見方”期間上覆巖層在臨近采空區影響下，頂板運動活躍，但尚未發生結構性破斷。雙工作面“一次見方”期間微震事件發生頻次出現波動，釋放能量明顯增加，并且持續到三工作面“一次見方”，說明雙面“一次見方”期間上覆巖層大范圍運動。三工作面“一次見方”結束后微震事件發生頻次及釋放能量出現明顯下降，說明三面“一次見方”期間上覆巖層承載結構逐漸形成，上覆巖層運動劇烈程度較雙面“一次見方”期間將會降低。由上述分析可知，形成三面采動空間后，工作面單面“一次見方”期間上覆巖層在臨近采空區影響下運動活躍，雙面“一次見方”期間上覆巖層劇烈運動，發生結構性運動，并在三面“一次見方”期間形成承載結構，趨于穩定。

圖5 三面采空微震事件發生頻次及釋放能量變化趨勢圖

3 防治建議

首采工作面單面采空，頂板運動不活躍，沖擊地壓主要受地質因素及超前支承應力影響，局部治理措施工作可以選取煤層預卸壓措施，采取煤層大直徑卸壓鉆孔、煤層預注水、煤層爆破等。

回采工作面出現連續采空達到2 個或以上時，頂板運動已經成為誘發沖擊地壓的主要因素之一，應當采取頂板預卸壓措施。針對雙工作面“一次見方”至三工作面“一次見方”區域采取頂板水力壓裂、頂板爆破、水射流切縫定向壓裂，對于厚度較大、層位較高的巖層可以采取地表壓裂等技術。

4 結論

通過上述分析，可以得出如下結論：

（1）鄂爾多斯深部礦區厚硬頂板單面采空條件下，上覆巖層運動不活躍，頂板致沖風險相對較低。

（2）鄂爾多斯深部礦區厚硬頂板雙面及三面采空條件下，雙工作面“一次見方”至三工作面“一次見方”期間頂板運動最為活躍，并且影響時間持續較長，頂板致沖風險相對較高。

由于沖擊地壓發生機理復雜，影響因素多樣，不同條件下主控因素又有明顯區別，本文僅就采動空間尺度分析了其對沖擊地壓災害的影響，對沖擊危險預測及防治提供了借鑒。沖擊地壓防治是一項綜合治理工程，需要充分考慮現場地質開采條件，預測與防治均需采取針對性措施，方能實現沖擊地壓的“可防可控”。