义马煤田特厚煤层区域冲击地压危险性分析

张万鹏，王佩璐，廉 洁，姚小帅，王 康

（1.义马煤业集团股份有限公司，河南义马 472300；2.义煤公司职教中心，河南义马 472300）

义马煤田特厚煤层区域冲击地压危险性分析

张万鹏1，王佩璐2，廉 洁1，姚小帅1，王 康1

（1.义马煤业集团股份有限公司，河南义马 472300；2.义煤公司职教中心，河南义马 472300）

为了研究义马煤田特厚煤层和煤厚变化等地质因素与冲击地压之间的关系，以义马煤田的地质条件为基础，描述了煤田的冲击地压概况和煤层特征，分析了特厚煤层及其厚度变化区域的冲击地压危险性。研究指出，特厚煤层区域，采高大，采掘活动对煤层上覆坚硬顶板扰动大，易造成采后坚硬顶板弹性能的蓄积，从而导致冲击地压的发生；煤层厚度急剧变化区域，煤层受到水平附加应力的影响，易造成局部应力集中，加之煤层厚度变化区域构造发育，导致煤岩体性质发生变化，冲击地压发生的可能性也更大。最终指出特厚煤层及其厚度变化区域冲击地压危险性较强，并提出了冲击地压危险性的预测预报方法，为义马煤田受冲击地压威胁矿井的冲击地压防治工作提供了指导。

特厚煤层；冲击地压；煤层厚度；煤厚变化；义马煤田

0 引言

冲击地压是在开发矿产资源时，地层受到扰动而发生的典型的矿山动力灾害现象，主要表现为采掘空间周围煤岩体中所积聚的弹性应变能突然、剧烈的释放，常导致巷道损毁，甚至造成重大人员伤亡，对矿山安全构成严重威胁。近年来，随着采掘活动向深部延伸、开采强度的不断增大，受冲击地压威胁的矿山越来越多，危害越来越重。

义马煤田位于三门峡市境内，是全国冲击地压灾害最为严重的地区之一，其冲击地压事件多发生在煤田深部特厚煤层及煤厚急剧变化区域。针对义马煤田的冲击地压灾害，国内外专家开展了大量研究，提出了针对性的防治对策，为冲击地压防治工作提供了科学指导[1-5]。冲击地压是地质因素和采矿因素综合作用的结果，在以往研究中，多从采矿因素角度出发，较少开展关于地质因素方面的研究，更没对煤层与冲击地压之间的关系进行专门分析。本研究意在结合义马煤田煤层赋存特征，分析特厚煤层与煤厚急剧变化区域的冲击地压危险性，为防治冲击地压提供启示。

1 冲击地压发生情况

义马煤田位于三门峡市境内，是河南省唯一的中生代成煤盆地，下属5对井工开采矿井（杨村矿、耿村矿、千秋矿、跃进矿和常村矿）和1个露天矿（北露天矿）。义马煤田冲击地压从20世纪80年代开始显现，由于未影响生产、缺乏认识，故未做记录。首次有记录的是1998年在千秋煤矿18152工作面所发生的冲击地压事件，导致巷道底鼓变形，损坏大量工字钢支架，冲击煤量约500 m3，局部区段几近充填。该事故造成2人死亡，1人受伤，工作面停产60 d。之后，义马煤田中部5对矿井陆续出现冲击地压，不同程度地受到冲击地压威胁。近年来，义马煤田5对生产矿井均转入深部开采，随着采深的增加和开采强度的加大，冲击地压灾害趋于严重。截至到2014年7月，义马煤田已累计发生有记录的较为明显的冲击地压107次，累计损毁巷道数千米，死亡30余人，直接、间接经济损失合计达数亿元，成为全国冲击地压危害最严重的矿区之一。

2 地层及煤层特征

2.1 地层

义马煤田煤层直接顶板一般为泥岩，之上为中侏罗统马凹组，为砂砾岩-泥砂岩互层，平均厚度166 m。再向上为发育到地表或接近地表的最厚达700余米的上侏罗统巨厚砾岩层。煤层底板发育有薄层泥岩、煤矸互层或与底砾岩直接相连（图1）。

图1 义马煤田地层柱状简图Figure 1 Yima coalfield simplified stratigraphic column

2.2 煤层

2.2.1 煤层的分叉性

义马煤田主要含煤岩系属中侏罗统义马组，共含煤五层，分2组5层，自上而下分别是1煤组的1-1煤和1-2煤，2煤组的2-1煤、2-2煤和2-3煤；2煤组在深部合并，合并区统称为2-3煤。

目前，各矿井均在煤田深部开采合并区2-3煤。2-3煤位于煤系底部，在煤田内普遍发育，分布面积广。煤厚0～37.5 m，平均8 m，厚度大，厚度变化亦大，且随埋深增加，2-3煤先与2-2煤合并，后在煤田深部又与2-1合并为一层（图2）。煤层分叉的标准为煤层中存在厚度大于500 mm的夹矸，图2中阴影区域内，2-1煤和2-3煤之间存在夹矸，虽然厚度多在1～3 m，平均2 m左右，但与其他煤层分叉区域相比，夹矸厚度相对较薄，为了便于统一分析，在本文中将该区域称为2-1煤和2-3煤的近合并区。

图2 义马煤田2煤组合并线平面图Figure 2 Yima coalfield coal No.2 merging line plan

2.2.2 煤层的冲击倾向性

冲击倾向性是指煤岩体发生冲击破坏的固有能力或属性，是引起冲击地压的一个内在因素。生产实践与试验研究表明：①在一定的围岩与压力条件下，任何煤层中的巷道或采场都可能发生冲击地压。②煤的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小；反过来说，若煤的强度越小，要引发冲击地压，就需要比硬煤高得多的应力。③煤的冲击倾向性是评价煤层冲击性的特征参数之一。

由中国矿业大学、河南理工大学、北京煤科总院、辽宁工程大学等科研院所和高校根据煤层冲击倾向性判别指标，对义马煤田中部五矿的煤层冲击倾向性进行了鉴定，结论是：义马煤田五矿煤层为弱冲击倾向或强冲击倾向，具有冲击危险性（表1）。

2.2.3 煤层的厚度变化

义马煤田多煤层发育，煤层多含夹矸，煤层厚度大、厚度变化大。义马煤田煤层特征存在着东西分区、南北分带的特点。从东西方向上看，煤田西部杨村矿、耿村矿和千秋矿西翼一带煤层发育好；东部常村矿一带煤层发育较好，大部分区域煤厚在10 m以上，煤层厚度最大区域位于千秋矿西翼，最厚达30余米；中部千秋矿东翼至和跃进矿一带煤层发育相对较差，煤层厚度多在8 m以下。从南北方向上看，由北往南煤层厚度逐渐增大（图3）。厚煤区和特厚煤区主要发育在煤田的南部，尤其在煤层合并区，由于受煤田南部逆冲推覆构造的推挤作用，在临近断层区域，局部煤厚可达百余米。

表1 义马煤田煤层冲击倾向性鉴定Table 1 Yima coalfield coal seam pressure bump tendencies identification

3 煤层厚度与冲击地压的关系

冲击地压与煤层厚度关系密切，在其它影响因素相同条件下，二者大体呈正相关关系。义马煤田煤层合并区厚度较大，大部分区域煤层厚度在10 m以上，属特厚煤层。近十几年来，义马煤田各矿井普遍采用一次采全高放顶煤回采工艺。全部开采后，煤层厚度大的区域必然对顶板的扰动破坏也大，导裂发育高度更高，所波及的上覆砾岩更厚，更容易造成顶板巨厚坚硬岩石的猛然断裂和所蕴藏弹性能的瞬间释放，发生冲击地压的可能性和规模也更大。

义马煤田煤层顶板发育上侏罗统巨厚砾岩，义马煤田2煤组距离上侏罗统砾岩平均约200 m，为了确定特厚煤层综采工作面采后“三带”的发育高度和波及范围，引入《矿井水文地质规程》中关于顶板为坚硬岩石的导水裂隙带计算经验公式计算采后“三带”发育高度：

式中：Hf——导水裂隙带（包括冒落带），ｍ；

M——累计采厚，ｍ；

n——煤分层层数。

根据计算公式可知，采用放顶煤一次采全高采煤工艺，当采高大于8.7 m时，采后导水裂隙带发育高度可以达到200 m，能够延伸至上侏罗统砾岩层下段。义马煤田煤层合并区，煤厚多在10 m以上，采后导水裂缝带发育高度均能到达上侏罗统砾岩段，该砾岩岩性坚硬，完整性好，抗变形能力强，煤层开采后，不易垮落，利于弹性变形能的储存，所积聚弹性能将逐渐增大，一旦砾岩顶板发生脆性断裂，巨大的弹性能将瞬间释放，导致冲击地压的发生。煤层厚度越大的区域，采后“三带”发育高度更高，对上侏罗统坚硬砾岩的扰动越大，越易导致冲击地压的发生（表2）。

表2 义马煤田冲击事件频发区域2-3煤层厚度Table 2 Yima coalfield pressure bump accident frequent occurrence area coal No.2-3 thickness

4 煤厚急剧变化与冲击地压的关系

煤厚变化实际上也反映了煤层顶底板产状的变化，煤厚变化大，煤层顶底板产状变化也大。根据煤层受力分析，当煤层顶底板产状变化时，在煤层内必然产生附加水平应力，该应力大小决定于煤层顶底板产状变化的大小，煤厚稳定，煤层顶底板产状也稳定，则水平附加应力为0；如果煤层产状变化大，附加水平应力也大（图4）[6-7]。

图4 煤厚变化引起地应力变化示意图Figure 4 Schematic diagram of in-situ stress variation caused by coal thickness changes

煤层厚度异常变化，除沉积环境差异原因外，往往与构造的推滑、挤压、牵引等作用有关。义马煤田2煤组在浅部分叉，深部合并。在合并区，煤层厚度大，普遍在10 m以上，一半以上区域煤层厚度超过20 m；在合并带附近煤层厚度变化大，煤层厚度最大可达35 m，最小不足1 m；在靠近F16逆断层附近，由于受到推挤、阻滞等地质作用，煤层急剧增厚，最厚超过100 m。煤层厚度变化区段，易造成应力集中，易导致冲击地压的发生[8]。

本研究采用煤厚等值线梯度（单位距离煤厚变化量）定量表示煤厚变化情况。义马煤田2-3煤层厚度急剧变化区域（2-3煤厚等值线梯度较大区域）位于煤层合并带，主要分布在杨村井田东南部、耿村井田东翼和千秋井田西翼、跃进井田东翼深部三个区域，其煤厚等值线梯度分别为0.031～0.043，0.023～0.026和0.017～0.024，而其他区域2-3煤厚等值线梯度多在0.006以下。据统计，截止2014年7月，义马煤田发生的107次冲击事件中，位于上述三个区域的冲击事件有87次，占比81%（图5）。

图5 义马煤田2-3煤层厚度急剧变化区域分布图Figure 5 Yima coalfield coal No.2-3 thickness drastic changing area distribution

同时，煤层厚度变化处往往是构造发育区域，该区域附近存在着较高的构造应力场，同时煤体中裂隙发育，存在大量层状结构，当开采活动影响到该区域时，煤岩体极易出现结构失稳破坏，导致冲击地压的发生[9]。

5 冲击地压预测预报方法

对于特厚煤层及其厚度急剧变化区域的冲击地压的预测预报方法，大致可以分为两类。一类是以钻屑法为主的局部探测法，包括煤岩体变形观测法（顶板动态、围岩变形）、煤岩体应力测量法（相对应力测量，绝对应力测量）等，主要用于探测采掘局部区段的冲击危险程度。第二类是系统监测法，包括地音系统监测法和微震系统监测法，以及其他地球物理方法（地温、地电、地磁等）。根据连续记录煤岩体内出现的动力现象预测冲击地压危险状态。在实际工作中，应当采取局部探测法和系统监测法相结合的方法，在常规监测的基础上，应在时间和空间上进行加密监测，例如，对于局部探测法，在上述区域应加密钻屑法施工钻孔密度，增加煤岩体变形和煤岩体应力变化观测次数，对于系统监测法，应加强数据分析工作，根据预测预报结果制定针对性的冲击地压防治措施。

6 结语

特厚煤层及其厚度变化区域冲击地压危险性较强。相对于薄煤层，特厚煤层区域，放顶煤开采后，顶板“三带”发育高度更高，对顶板扰动更大，能够波及坚硬顶板的厚度更大，更易造成采后坚硬顶板弹性能的积聚，当蓄积弹性能超过坚硬顶板强度时，便会导致冲击地压的发生；与煤厚稳定区域相比，煤厚变化区域煤层受到水平附加应力，易造成局部应力集中，应力集中程度随煤厚变化情况而变。同时，煤厚变化区往往构造较为发育，煤岩体性质发生变化，在采矿活动影响下，煤岩体极易出现结构失稳破坏，导致冲击地压的发生。针对特厚煤层及其厚度急剧变化区域的强冲击危险性，在防冲工作中可采取局部探测法和系统监测法相结合的方法做好冲击地压预测预报工作，为制定针对性地冲击地压防治工作提供科学依据。

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Extra-thick Coal Seam Area Pressure Bump Hazard Analysis in Yima Coalfield

Zhang Wanpeng1,Wang Peilu2,Lian Jie1,Yao Xiaoshuai1and Wang Kang1
(1.Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300; 2.Vocational Education Center of Yima Coal Industry Group Co.Ltd.,Yima,Henan 472300)

To study relationship between geological factors of extra-thick coal seam,coal thickness variation and pressure bump in the Yima coalfield.On the basis of geological condition in the coalfield,described the coalfield pressure bump general situation and coal seam features;analyzed extra-thick coal seam and its thickness variation area pressure bump hazard.The study has shown that in extra-thick coal seam with large shear height area,disturbance from mining activities on overlying hard roof is large,and easy to cause buildup of hard roof elastic energy,thus result in pressure bumps.In coal seam thickness drastic changing area,coal seam is impacted by horizontal subsidiary stress,easy to cause local stress concentration,together with developed structures,have changed coal and rock mass properties,thus caused more pressure bump possibilities.Finally the paper pointed out:in extra-thick coal seam area and thickness drastic changing area have larger pressure bump hazard,and put forward prediction and forecast methods,thus provided guidance for prevention and control works in pressure bump threatened coalmines.

extra-thick coal seam;pressure bump;coal seam thickness;coal thickness changing;Yima coalfield

TD321+.1

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.11

1674-1803(2017)01-0053-04

国家自然科学基金重点资助项目（41130419）

张万鹏（1986—），男，河南鲁山人，硕士研究生，工程师，主要从事矿井水文地质方面的研究。

2016-07-11

责任编辑：樊小舟