鄂爾多斯礦區沖擊地壓特征分析

康馨月

遼寧大學環境學院 遼寧沈陽 110036

1 鄂爾多斯礦區沖擊地壓現狀

鄂爾多斯礦區是我國重點煤礦之一，鄂爾多斯礦區主要包括紅慶河、納林河、葫蘆素、門克慶、巴彥高勒礦井等，煤層埋深大概為500～1000m[1]，隨著采深逐漸加深，沖擊地壓事故數量逐年增多，并且沖擊地壓被列為該地區煤礦主要災害[2]，這些沖擊地壓事故帶來了巨大傷害以及損失。

2 鄂爾多斯礦區歷史動力顯現事件的特征規律

對鄂爾多斯礦區歷史發生過的動力顯現事件進行分析，發現規律性誘發沖擊地壓的因素是多方面的。但總的來說可以分為三類，即地質影響因素、開采技術影響因素和生產組織方面[3-4]。本文主要從地質影響因素和開采技術影響因素兩方面進行分析鄂爾多斯礦區存在誘發沖擊地壓的主導因素。

2.1 103工作面事例

鄂爾多斯礦區某礦2018年6月14日103新輔運巷從超前剁架10m位置(里程2908m)開始向外連續20m范圍底鼓。沖擊發生位置如圖1所示。

發生沖擊地壓原因有：(1)當前區域煤層上方賦存有總厚度約為65m的中、細粒砂巖，完整性均較好，3-1101采空區和3-1103后方采空區形成后，這些堅硬厚層巖層并未完全垮斷和下沉，仍可能存在懸頂現象。(2)鑒于3-1101和3-1103采空區高位頂板的存在，使得高位頂板形成的101采空區側向支撐壓力和3-1103超前支撐壓力疊加，而3-1103新輔運順槽正處于疊加后的支承壓力影響范圍。(3)3-1103工作面未按照“勻速、低速”的原則進行生產，在此前，日進刀從6刀突降為4刀又突升為8刀，導致對頂板產生不規律的擾動也是誘發沖擊啟動的因素之一。(4)沖擊啟動發生后，能量以震動波的形式通過巷道煤柱和巷道幫部的實體煤向巷道圍巖傳遞，并最終在無任何支護措施的底板砂巖層發生了顯現。(5)當前沖擊區域內卸壓不充分。

圖1 103新輔運順槽沖擊顯現區域示意圖

2.2 103工作面事例

鄂爾多斯某礦2018年11月30日103工作面機尾至超前工作面345.3m的新輔運順槽內均有不同程度的顯現[4]，震源及沖擊顯現主要區域如圖2所示。

圖2 震源及沖擊顯現主要區域

發生沖擊地壓原因有：(1)高靜載。大采深形成的原始高地應力、不合理的雙煤柱留設導致的煤柱高應力、聯絡巷及硐室造成的局部應力疊加。上述因素相互疊加造成3-1103輔運順槽超前范圍應力水平極高，這是造成沖擊地壓頻發的根本原因。(2)開采速度。11月25日開始，工作面逐步加快推進速度，日進刀由6刀/日增加到8刀/日，27日發生沖擊后，推進度在28日降至3刀，但29日又增加到7刀，推進速度過快或推進速度的突然變化將導致煤巖體能量過快和不穩定釋放，極易誘發沖擊地壓。(3)卸壓造成局部應力集中。大量案例表明，卸壓與未卸壓的交界點附近往往是沖擊地壓頻發區域，這是造成最近沖擊地壓發生的重要原因之一。(4)煤層較厚(6～7m)，煤體抗壓強度較大。

2.3 103采空區事例

事例位置位于103采空區范圍內，距103切眼501m，距101與103煤柱71m，距103停采線414m，具體位置見圖3。

圖3 位置平面投影

多次對現場及相關區域進行了現場勘查地面未發現新的裂縫或塌陷。基于微震定位與工作面頂底板的運動規律，大致估計出煤巖體破裂的層位、破裂位置以及震動能量等，借鑒地震學對礦震的破裂機制以及破裂面的產狀信息進行分析，從而得到大能量礦震的破裂形式為高位頂板事件。

2.4 102工作面事例

鄂爾多斯礦區某礦2018年4月8日中午12點59分，3-1煤層3102工作面發生一起事例。

發生沖擊原因有：(1)3102工作面埋深大(677～707m)，原巖應力高；煤層及頂底板巖層具有弱沖擊傾向性；工作面中高位存在堅硬厚巖層，上方34.8m厚度達62m的關鍵層中砂巖破壞易釋放大能量震動；(2)3102工作面回風巷臨近3101工作面采空區，且3102與3101工作面區段煤柱寬度35m，3102回風巷圍巖受采空區側向高應力與煤柱集中應力的雙重疊加影響。中高位關鍵巖層破壞釋放大能量震動是誘發3102工作面回風巷沖擊顯現的直接原因。(3)基于初設開采方案的生產系統已經形成，留設的35m區段煤柱造成3102工作面回風巷圍巖應力環境比較復雜，進一步增大了超前巷道松動圈破碎圍巖發生失穩的可能性。

2.5 103-1工作面事例

鄂爾多斯礦區某礦在2019年8月11日于3-1煤層103-1工作面發生事例；在2019年9月3日夜晚11點00分，于3-1煤層103-1工作面發生一起事例。兩次沖擊均未破壞巷道。

第一次發生沖擊地壓原因有：(1)工作面逐步接近“三面采空”強沖擊危險區域，推斷103-1至102、101工作面采空區上覆巖運動加劇，巖層破斷活躍，造成微震能量的個數和釋放總能量急劇增加，這是造成本次沖擊的主要原因。(2)8月11日，103-1工作面周期來壓，周期來壓是造成本次沖擊的另一直接原因。第二次發生沖擊原因是103-1工作面逐步接近“三面采空”強沖擊危險區域，推斷工作面采空區上覆巖運動加劇，巖層破斷活躍，造成微震能量事件個數和釋放總能量急劇增加。

2.6 鄂爾多斯礦區沖擊地壓發生特征及原因

通過對鄂爾多斯礦區當前沖擊顯現特征和原因進行分析總結，沖擊地壓發生特征和原因主要有：(1)沖擊顯現以發生在鄰近采空區巷道為主，無論是掘進巷道還是回采巷道；(2)沖擊地壓發生區域煤層上方賦存有完整性較好的堅硬厚層巖層且并未完全垮斷和下沉，待工作面回采后存在大面積懸頂現象；(3)沖擊地壓發生區域上方由破斷活躍的高位頂板形成的側向支承壓力和超前支承壓力的疊加；(4)沖擊地壓發生區域采煤工作面推進速度過快或推進速度的突然變化而導致煤巖體能量過快和不穩定釋放以及引起頂板產生不規律的擾動；(5)沖擊地壓發生區域內卸壓不充分或卸壓造成的局部應力集中。

通過上述分析，可知鄂爾多斯煤礦沖擊地壓發生的共同原因：(1)煤層上方賦存堅硬厚層巖層，工作面附近的采空區形成后，堅硬厚層巖層并未完全垮斷和下沉，存在懸頂現象。(2)采空區的上方高位巖層受工作面的采掘活動擾動，極限平衡狀態被破壞，發生巖層錯動或斷裂，產生的動載與極限平衡區內的高應力相疊加，誘發沖擊現象。(3)工作面煤層及頂底板具有沖擊傾向性以及煤柱留設不合理等其他因素。

3 鄂爾多斯礦區沖擊地壓的主要影響因素

3.1 開采深度

隨著采深的增加，煤層中的自應力會逐漸增高[5]。鄂爾多斯礦區煤層開采深度為500～1000m，隨著采深的增加，煤層中的自應力會逐漸增高，沖擊危險增加迅速。從開采深度方面判斷，該煤層已完全具備沖擊地壓發生的采深條件，沖擊地壓發生的概率及頻次將會大幅增加，防沖工作壓力也將會越來越大。

3.2 煤巖的沖擊傾向性

煤巖沖擊傾向性對沖擊地壓的發生具有顯著影響，是沖擊地壓發生的內在本質影響因素。鄂爾多斯礦區煤層煤巖沖擊傾向性指數及力學性能進行了鑒定，鑒定結果為煤具有強沖擊傾向性，具有弱沖擊傾向性的頂板巖層，具有弱沖擊傾向性的底板巖層。綜合來看，煤層具有發生沖擊地壓的可能性。

3.3 地質構造

沖擊地壓主要集中發生在具有斷層、褶皺等地質構造復雜的區域，當巷道接近上述區域時，發生沖擊地壓的概率較大。采動誘發小斷層的活化是工作面回采發生沖擊的重大潛在威脅。據統計，62%的沖擊地壓發生在巷道接近斷層時。當巷道掘進至斷層附近時，容易受到掘進超前應力、構造應力、自重應力影響而誘發沖擊地壓，鄂爾多斯煤礦有一定數量的斷層，對該礦區沖擊地壓的發生具有一定的影響。

3.4 開采強度

鄂爾多斯礦區目前生產能力為8Mt/a，開采強度較高，按照某礦3-1煤層平均可采煤厚6.73m計算，開采強度較高時存在一定的沖擊危險。

3.5 臨近采空區

鄂爾多斯礦區某礦3-1煤層工作面回采過程中，幾乎所有工作面均為單側采空，存在一定的沖擊危險。回采到后期，多個采空區相互連通，可能引起高位關鍵層的破斷以及地面的沉降，存在一定沖擊危險。

3.6 頂板巖層結構

根據鄂爾多斯礦區某礦煤層綜合柱狀圖，通過頂板100m范圍內巖層分層情況計算得出頂板厚度特征參數值為81，煤層上方100m范圍內頂板巖性多為堅硬的砂巖。在破斷瞬間，會突然釋放大量的彈性能，形成強烈震動，容易導致頂板型沖擊地壓的發生。

3.7 煤柱留設

鄂爾多斯部分礦區煤柱留設不合理，煤柱設計不僅要能保證巷道內支護質量和人員設備安全，也要降低自身的應力集中程度，防止大量彈性能積聚后的突然釋放造成煤柱型沖擊地壓的發生。因此鄂爾多斯礦區應留設不大于5m寬小煤柱，降低沖擊地壓危險。

4 結論

(1)鄂爾多斯礦區沖擊地壓發生特征有：①煤層上方賦存堅硬厚層巖層，工作面附近的采空區形成后，堅硬厚層巖層并未完全垮斷和下沉，存在懸頂現象。②采空區的上方高位巖層受工作面的采掘活動擾動，極限平衡狀態被破壞，發生巖層錯動或斷裂，產生的動載與極限平衡區內的高應力相疊加，誘發沖擊現象。③工作面煤層及頂底板具有沖擊傾向性以及煤柱留設不合理等其他因素。

(2)鄂爾多斯煤礦的主要影響因素有：開采深度、煤巖的沖擊傾向性、地質構造、開采強度、臨近采空區、頂板巖層結構特征的影響等。