新疆浅埋煤层冲击地压影响因素分析*

2020-09-18金士魁贾永勇冯俊文

陕西煤炭 2020年5期

金士魁，娄芳，贾永勇，王震，冯俊文

(1.新疆煤炭科学研究所，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆兵团煤矿安全监察局，新疆乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着矿井机械化开采水平的提高，开采深度也逐渐加大，矿井发生冲击地压事故的频率也愈加突出。根据数据统计表明，开采深度越大，发生冲击地压的可能性越大。据波兰资料，当开采煤层埋深小于350 m时，一般不会发生冲击地压；埋深在350～500 m时，冲击地压的危险逐步增加，当埋深大于500 m后，冲击地压的危险性随着开采深度的增加急剧增长；当埋深800 m时，其冲击指数比在500 m时增加了14倍[1-2]。

新疆矿区开采煤层地质条件差异大，浅埋煤层发生冲击地压事故的频率也在增大。新疆浅埋煤层发生冲击地压事故的规模程度跟自然因素、开采技术条件及管理等因素有关。目前，在新疆发生冲击地压事故的矿井主要分布在乌鲁木齐米东区、呼图壁县、硫磺沟等地[3]；冲击地压发生的特点有：突发性、多样性、破坏性和复杂性[4]；分析新疆煤矿冲击地压事故影响因素，对新疆矿井冲击地压事故的预防有一定的指导意义。

1 冲击地压影响因素

冲击地压诱发因素较多，一般可以分为自然因素、技术因素、组织管理因素[5]，如图1所示。

图1 冲击地压影响因素

1.1 自然因素

影响冲击地压自然因素中最基本的因素是原岩应力，主要岩体的重力和构造残余应力。工作面围岩的应力主要由开采深度决定，而构造残余应力主要出现在皱曲和断层附近。煤岩的冲击倾向性和岩层结构也是冲击危险的主要因素。一般情况下，煤岩的冲击倾向性越大，发生冲击地压的可能性越大。煤的强度越大，弹性越好，冲击倾向性就越高；顶板岩层越坚硬，在开采活动中越容易诱发冲击地压。

1.2 技术因素

技术因素主要是开采过程中引起的应力集中和矿山压力现象等。在开采过程中，煤层开采的设计、方法、方式对矿井冲击地压有很大的影响。如果开采设计、方法不合理，在开采过程中很容易造成应力集中；如果开采强度过大、煤柱留设不合理、顶板管理不科学等也会诱发冲击地压。

1.3 组织管理因素

组织管理因素主要体现在管理制度的不到位、防治理念的落后、设备措施的缺乏、人员的违规操作以及人员对冲击地压的理论知识的匮乏。组织管理因素对冲击地压的发生也起一定作用，组织管理不到位，使冲击地压的危害程度大幅提高。

2 新疆浅埋煤层冲击地压因素分析

2.1 坚硬顶板

煤层开采中，坚硬顶板造成的冲击危害比软岩更加严重。坚硬顶板的岩石强度和弹性模量高、厚度大、整体性强，其承载能力也大。开采坚硬煤层顶板时，其上覆岩层与关键层形成一个整体，开采之后顶板不易垮落，造成大面积悬顶、矿压步距增大和矿压显现剧烈。因顶板悬顶垮落，顶板积蓄了大量能量，如果突然垮落，会造成严重的冲击地压事故。根据国内外发生冲击地压事故数据来看，冲击地压时常发生在坚硬顶板的条件下。

新疆托克逊雨田煤业属于克布尔碱矿区，开采工作面埋深为130 m左右，其开采煤层属于坚硬煤层、坚硬顶板；其顶板岩层的单轴抗压强度超过了120 MPa，岩层的厚度大、整体性好。工作面选用走向长臂综合机械化放顶煤采煤方法，开采过后顶板悬空，不能自然冒落。2014年10月30日，托克逊雨田煤矿煤层工作面在推进过程中，顶板释放了大量的能量，引发了冲击地压事故。

2.2 煤岩具有冲击倾向性

冲击倾向性理论最早是由波兰学者和前苏联学者提出的[6]，我国一般采用弹性能指数、冲击能指数和动态破坏时间这3个指标作为煤层的冲击倾向性指标。煤的冲击倾向性是评价煤层冲击危险的特征参数之一。顶板岩层的冲击倾向性是指岩层积蓄变形能并发生冲击式破坏的性质，一般用弯曲能指标进行分类。岩层的弯曲能指标跟岩石的物理力学性质、变性参数、弹性模量等有关，一般煤岩的强度越高，引发冲击地压所要求的应力越小，引发冲击地压事故的可能性就越大。

宽沟煤矿位于新疆呼图壁县雀尔沟镇，开采煤层埋深370 m左右，2010年10月8日，宽沟煤矿W1143综采工作面发生冲击地压事故，W1143工作面顶板主要以粗砂岩、粉砂岩为主，W1143工作面煤层及顶板均具有冲击倾向性；冲击倾向性越强，发生冲击地压的可能性就越大。

2.3 构造应力

地质构造影响因素有断层、褶曲等。断裂构造的存在，破坏了顶板的连续性，失去传递力的作用。当工作面接近断层时，断层会影响到工作面超前支承压力分布范围、分布形式和应力峰值。并且断层倾向与工作面推进方向的不同，断层对支承压力的影响程度不同。

硫磺沟煤矿位于新疆昌吉硫磺沟镇，矿井开采深度360 m左右，2013年1月30日掘进工作面在前移前探梁放炮时，诱发冲击地压事故。硫磺沟煤矿井田位于天山北强地震带上，地震活动强度大、频率高。掘进工作面在掘进期间共揭露了9条逆断层，落差0.9～8.8 m，矿井煤岩受地质构造影响，存在较大的构造应力，构造应力诱发的本次冲击地压事故，是本次事故的主要原因。

2.4 开采地质条件—急倾斜煤层

急倾斜煤层一般在地质构造、矿压规律都比较复杂，开采急倾斜煤层后，上覆岩层垂直应力的作用对煤层及顶板的加载尤为明显[7]，开采之后上部煤层和岩层沿煤层倾角向下滑移错动，所以工作面顶板对巷道围岩的应力更加明显。

乌东煤矿地属新疆乌鲁木齐市米东区，平均开采深度200 m左右，自2011年至今，乌东煤矿发生了数次冲击地压事故。乌东煤矿开采煤层属于急倾斜特厚煤层，煤层倾角为83°～89°，急倾斜煤层在开采过程中，顶底板应力差异化大，主应力对工作面煤层的影响较大，容易造成冲击地压事故。

2.5 顶板管理

顶板管理方式对冲击地压有较大影响。工作面开采之后，顶板垮落与否直接关系到煤岩体中能量的积蓄与传递释放，并且随着工作面的继续推进，应力与能量形成一个动态增加状态。如果顶板不及时处理，会产生严重的冲击地压危险性。新疆大部分煤矿采用全部垮落法管理顶板，如果煤层顶板厚而坚硬，强度高，悬顶而不能及时垮冒，可能发生冲击地压。属于坚硬顶板，不易冒落的工作面，其冲击地压危险程度较高，当坚硬顶板处理方式不当时，很容易诱发冲击地压事故。

铁厂沟煤矿位于新疆乌鲁木齐八道湾向斜北翼，煤层埋深为155 m。其43号煤层综采放顶煤工作面于2011年3月24日发生煤层冲击地压事故，工作面煤层单轴抗压强度为19.7 MPa，造成此次冲击地压事故的直接原因是工作面采高达到了25 m，而工作面在推进过程中，基本顶未发生断裂，顶板未垮落，造成大面积悬顶，所以顶板积蓄大量的压力作用在煤体上，诱发了43号煤层冲击地压事故。