沈 偉

（中國中煤能源集團(tuán)有限公司技術(shù)管理中心，北京 100120）

內(nèi)蒙古自治區(qū)是國家能源戰(zhàn)略基地，鄂爾多斯原煤產(chǎn)量占比超過60%，占據(jù)主要地位。據(jù)鄂爾多斯統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，鄂爾多斯地區(qū)2020 年全市規(guī)模以上煤炭工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)原煤64 016.5 萬t。近年來，隨著鄂爾多斯地區(qū)煤炭資源開發(fā)不斷加速，特別是西部礦區(qū)多處大型深井煤礦投產(chǎn)，沖擊地壓逐漸成為制約鄂爾多斯地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。由于鄂爾多斯地區(qū)特殊沉積條件以及高強(qiáng)度開采，礦震、沖擊地壓事件也在增多。2018 年4 月8日某礦發(fā)生3×107J 能量微震事件，破壞巷道達(dá)113 m，震級達(dá)到2.5 級，地面震感明顯。截止到2020年底，鄂爾多斯地區(qū)沖擊地壓礦井?dāng)?shù)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(fā)生多次大能量礦震事件，不同程度存在動力顯現(xiàn)。沖擊地壓發(fā)生既有首采工作面也有臨空工作面，不同采動空間呈現(xiàn)出了不同特征。沖擊地壓已經(jīng)成為鄂爾多斯深部礦區(qū)影響煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，研究鄂爾多斯深部礦區(qū)厚硬巖層條件下不同采動空間沖擊地壓顯現(xiàn)特征對于指導(dǎo)鄂爾多斯深部礦區(qū)礦井沖擊地壓防治極具現(xiàn)實意義[1-6]。

1 地質(zhì)開采條件特征

鄂爾多斯深部礦區(qū)煤層埋深在400～1000 m，個別礦井現(xiàn)有開采深度已經(jīng)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(qiáng)度普遍高于30 MPa。煤層上覆多層巨厚砂巖，富水性強(qiáng)?；夭晒ぷ髅鎸挾榷嘣?60～360 m，走向長度超過3000 m，服務(wù)年限長達(dá)2～3 年，開采強(qiáng)度高，影響時間長。部分礦井工作面雙巷布置，區(qū)段煤柱寬度20～30 m。部分礦井個別工作面地質(zhì)開采條件統(tǒng)計見表1。

表1 部分礦井個別工作面地質(zhì)開采條件統(tǒng)計簡表

為分析厚硬頂板開采條件下不同采動空間致沖規(guī)律，收集整理了中煤集團(tuán)所屬沖擊地壓礦井回采工作面地質(zhì)開采條件信息及微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(tuán)葫蘆素煤礦20104 工作面（圖1）。該面為該礦四盤區(qū)首采工作面，位于四盤區(qū)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(zhì)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(tuán)母杜柴登煤礦30202工作面（圖2）。該面為該礦二盤區(qū)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(qū)300 m 布置，30201 采空區(qū)寬255 m、長3450 m，區(qū)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(zhì)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(tuán)葫蘆素煤礦21104 工作面。該面為該礦一盤區(qū)第三個回采工作面，工作面面寬320 m，走向長度3500 m，切眼內(nèi)錯21103 采空區(qū)布置，區(qū)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(zhì)泥巖、粉砂巖，基本頂為13.8～23.3 m 厚的細(xì)砂巖、中砂巖。

2 不同采動空間致沖規(guī)律分析

2.1 單面采空厚硬頂板致沖規(guī)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(jiān)測到微震事件3793 個。統(tǒng)計分析該面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，每周統(tǒng)計一次平均每推進(jìn)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(biāo)軸，能量為副縱坐標(biāo)軸，對應(yīng)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(fā)生頻次與釋放能量達(dá)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(wěn)。工作面“一次見方”期間微震事件發(fā)生頻次與釋放能量出現(xiàn)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(fā)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(dá)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(fā)生明顯破斷，釋放能量有限，見方效應(yīng)不明顯，受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。

圖3 單面采空微震事件發(fā)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(guī)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(jiān)測到微震事件45 221 個。統(tǒng)計分析該面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，每周統(tǒng)計一次平均每推進(jìn)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(biāo)軸，能量為副縱坐標(biāo)軸，對應(yīng)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(chǎn)生裂隙，能量的集中釋放說明上覆巖層大型裂隙擴(kuò)展，頂板運動加劇。單面“一次見方”結(jié)束后，微震事件發(fā)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(dá)到階段峰值，并持續(xù)到雙工作面“一次見方”（由于30202 工作面切眼外錯30201 采空區(qū)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(qū)影響，上覆巖層大型裂隙持續(xù)產(chǎn)生，并在雙工作面“一次見方”結(jié)束后形成承載結(jié)構(gòu)，上覆巖層運動趨于穩(wěn)定。雙工作面“一次見方”結(jié)束后，微震事件發(fā)生頻次及釋放能量較長時期內(nèi)保持相對較低水平，但在工作面接近地質(zhì)構(gòu)造帶時，如過褶曲、傾角變化帶、沖刷帶期間，微震事件發(fā)生頻次與釋放能量均出現(xiàn)明顯波動，并且都呈明顯增長狀態(tài)。由上述分析可知，形成雙面采動空間后，上覆巖層將會產(chǎn)生更大范圍結(jié)構(gòu)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(wěn)定結(jié)構(gòu)，沖擊危險程度隨之有所降低。

圖4 雙面采空微震事件發(fā)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(guī)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(jiān)測到微震事件21 743 個。統(tǒng)計分析該面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，每周統(tǒng)計一次平均每推進(jìn)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(biāo)軸，能量為副縱坐標(biāo)軸，對應(yīng)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(fā)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(qū)影響下，頂板運動活躍，但尚未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破斷。雙工作面“一次見方”期間微震事件發(fā)生頻次出現(xiàn)波動，釋放能量明顯增加，并且持續(xù)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(jié)束后微震事件發(fā)生頻次及釋放能量出現(xiàn)明顯下降，說明三面“一次見方”期間上覆巖層承載結(jié)構(gòu)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(qū)影響下運動活躍，雙面“一次見方”期間上覆巖層劇烈運動，發(fā)生結(jié)構(gòu)性運動，并在三面“一次見方”期間形成承載結(jié)構(gòu)，趨于穩(wěn)定。

圖5 三面采空微震事件發(fā)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(zhì)因素及超前支承應(yīng)力影響，局部治理措施工作可以選取煤層預(yù)卸壓措施，采取煤層大直徑卸壓鉆孔、煤層預(yù)注水、煤層爆破等。

回采工作面出現(xiàn)連續(xù)采空達(dá)到2 個或以上時，頂板運動已經(jīng)成為誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一，應(yīng)當(dāng)采取頂板預(yù)卸壓措施。針對雙工作面“一次見方”至三工作面“一次見方”區(qū)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(shù)。

4 結(jié)論

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）鄂爾多斯深部礦區(qū)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(fēng)險相對較低。

（2）鄂爾多斯深部礦區(qū)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(xù)較長，頂板致沖風(fēng)險相對較高。

由于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素多樣，不同條件下主控因素又有明顯區(qū)別，本文僅就采動空間尺度分析了其對沖擊地壓災(zāi)害的影響，對沖擊危險預(yù)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(xiàn)場地質(zhì)開采條件，預(yù)測與防治均需采取針對性措施，方能實現(xiàn)沖擊地壓的“可防可控”。