地质条件对主采煤层冲击地压的影响研究

刘 威

(山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030206)

0 引言

冲击地压是煤岩层中积聚的弹性变形能在一定条件下突发猛烈释放，致使煤岩层爆射的现象。近些年随着我国浅部煤炭资源的枯竭，煤矿开采深度逐年加深，冲击地压灾害频发，是深部井工矿山面临的最具有威胁的安全隐患之一[1]。因此，对煤岩层冲击地压有效的评价是采取针对性防冲措施的重要环节，但影响各矿井冲击地压危险性的因素具有差异性。传统采用非线性、模糊性以及不确定性等指标多层次模糊分析法的评价过程，有很多不确定信息，难以统筹考虑[2]，造成评价方法不具备普及性，如何能够形成“一矿一评策”的评价思路，是当前面临的难题。然而屯兰煤矿经鉴定主采2、8号煤层均具有弱冲击倾向性，需对其进行合理有效的冲击危险性评价，从理论层面上分析影响煤层冲击地压的因素有地质条件、开采技术条件等，但地质条件是诱发冲击地压的客观存在条件，人为因素难以改变[3-5]。深入系统的研究矿井各种地质条件，对冲击地压评价具有重要的理论和实践意义，更是屯兰煤矿当前判定及防治冲击地压必须克服的问题之一。

1 冲击危险性评价方法

1.1 矿井地质概况

矿井位于太原西山煤田的西北部、马兰向斜的东翼，从井田整体构造形态看，呈一走向北北东—北北西，倾向南西—南东的缓波波浪状单斜构造，地层倾角2°～15°，次一级小型波状褶曲发育，断层较多且成组出现，井田内的主要构造为断层，其次为褶皱。主采二叠系下统山西组2号煤和石炭系上统太原组8号煤，主要煤系地层为碎屑岩及碳酸盐岩沉积，地质类型为极复杂，矿井自生产以来未曾发生过冲击地压。

1.2 综合权重占比法

综合权重占比法分析各种地质条件对冲击地压发生的影响，评估各种条件的影响，然后将其综合起来，建立对冲击地压危险性评价的综合权重占比法[6]。利用地质条件对应的冲击地压危险指数评估表，见表1，综合评估区域的冲击地压危险程度，宏观的角度上认识冲击地压威胁状况，见式(1)。

表1 地质条件影响的冲击地压危险指数评估Table 1 Evaluation of rock burst risk index influenced by geological conditions

(1)

式中，Wt为地质条件对冲击地压的影响程度，综合考虑覆岩、构造应变、力学性质等7项指标综合评估指标[11]，可将影响冲击地压的危险程度定量划分等级，分别为无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险、强冲击危险4个等级。

2 地质条件对冲击危险性的影响

2.1 开采深度的影响

随着浅部资源减少，后续衔接向深部开采接替，煤体中的负载地应力随之增加，长期负载高地应力，在采掘活动反复强烈扰动下，原有煤体—围岩系统的平衡应力状态被打破，煤体中聚积的冲击能量也随之释放[7]。统计历年全国煤矿发生冲击地压数据表明，开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。采深与冲击地压危害的关系，如图1所示。可见开采深度与冲击危险指数成正相关关系，考虑到安全界限，可以确定开采深度H≤400 m时，Wt很低，开采深度400 m600 m开始，随着开采深度的增加，Wt急剧增加，当采深非常大时，比如采深超过1 000 m，冲击指数增长梯度将会减小，但其值会非常高。若开采深度从600 m增加到850 m，则冲击危险指数Wt可从0.12增加到0.62，是开采深度400 m(Wt=0.03)时的5.12倍和20.7倍。

图1 采深与冲击地压危害的关系Fig.1 Relationship between mining depth and rock burst hazard

通过数值模拟开采深度与煤层最大承受压力的关系。结果分析，煤层最大承受压力近似与开采深度成正比例的线性关系，采深越大煤层附近承受压力越大，更有助于冲击地压的发生，如图2所示。根据统计屯兰煤矿现采区域2、8号煤层采深分析，采深对2号煤层南五采区、南六采区和 8号煤层南三下组煤采区具有重要影响，对2号煤层北三采区和 8号煤层南翼下组煤采区具有一定影响，见表2。

图2 采深与煤层承受压力Fig.2 Relationship between mining depth and coal seam pressure

表2 现采区域2、8号煤层开采深度Table 2 Mining depth of No.2 and No.8 coal seams in existing mining area

2.2 煤层上覆岩层厚度的影响

屯兰矿区自1957年以来历经普勘、精勘、重勘和补勘施工煤田勘探孔以及生产过程中石门揭露，现采区域2、8号主采煤层上覆100 m范围内未见10 m以上的坚硬岩层。煤层内的弹性能量由体变弹性能Uv、形变弹性能Uf和顶板弯曲弹性能Uw组成。厚度大的坚硬岩层不易冒落，形成的跨距(悬顶)L值就越大，积聚的能量也越多[8]。所以厚度大的坚硬岩层顶板发生冲击地压的可能性大。根据研究，影响冲击地压发生的岩层为煤层上方100 m范围内岩层，其中岩体强度大、厚度大的砂岩层起主要作用，砂岩顶板容易积聚大量的弹性能，在破碎或滑移过程中，可能会突然释放大量能量，以砂岩为标准的顶板岩层厚度特征参数为

Lst=∑hiri

(2)

式中，hi为顶板100 m范围内第i种岩层的厚度，m；ri为所给岩层的弱面递减系数，见表3。由表4知，顶板岩性厚度特征对2、8号煤层均有一定影响。

表3 屯兰煤系地层岩层的强度比和弱面递减系数Table 3 Strength ratio and decline coefficient of weak plane of coal measure strata

表4 现采区域2、8号煤层顶板岩性厚度特征参数Table 4 Roof lithologic characteristics of No.2 and No.8 coal seam in existing mining area 单位：m

2.3 地质构造引起的开采区域内应力变化

褶皱构造区域冲击地压危险分布规律分析，初始应力分布不均匀，最大水平应力是压应力，主要集中在向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位，从向斜外弧往背斜方向看，最大水平应力值逐渐减小，即向斜轴部的最大水平应力比翼部大，翼部的最大水平应力比背斜处大。Ⅰ区，褶曲向斜，垂直为压应力，水平为拉应力，最易出现冒顶和冲击地压；Ⅱ区褶曲翼部，垂直和水平均为压应力，最易出现冲击地压；Ⅲ区褶曲背斜，垂直拉力，水平压应力，最大矿山压力区域[9-12]，如图3所示。

图3 褶皱区域冲击地压危险分布规律Fig.3 Distribution law of rock burst risk in fold area

断裂构造破坏了岩层的连续性，失去力的传递作用，加速顶板岩层下沉速度。当工作面采动接近断裂构造时，会影响到工作面超前顶板压力分布范围、分布形式和应力峰值，并且断裂倾向与工作面推进方向不同，对顶板压力的影响程度不同。采动影响对工作面顶板压力的数值模拟结果表明，当工作面从断层下盘向断层推进时，会在工作面和断层间的煤柱造成加压，产生较高的应力集中，产生应变从而积聚大量的弹性能，并且随着工作面的推进，积聚的能量不断增加，冲击地压的危险性也就越大。根据构造应力分布情况，模拟工作面开采接近断裂构造时的顶板的应变情况，开采区域内构造引起的应力增量，如图4所示，断裂构造应变是影响煤层冲击地压的一个相对重要因素。

图4 工作面开采接近构造时煤岩层的应变Fig.4 The strain of coal and rock strata when the mining face is close to the structure

2.4 煤层物理力学性质及其特征的影响

本次试验2、8号煤层各采样5块,尺寸为49 cm×48 cm×90 cm(长×宽×高)，截面积23.33 cm2，试验结果弹性变性能为15.187 6，塑性变性能为7.355 2，弹性能量指数WET和单轴抗压强度RC，见表5。2、8号煤的单轴抗压强度均大于6 MPa，且8号煤层远远大于2号煤，矿井内2、8煤层的物理力学性质对其冲击地压危险均具有较大影响。

表5 2、8号煤层WET和RCTable 5 WET and RC of No.2 and No.8 coal seam

3 结论

(1)采用权重占比法对开采深度、地质构造引起的开采区域内应力变化、煤层上方100 m范围顶板岩层厚度特征、煤层物理力学性质等多种地质条件耦合分析，进行了现采区域主采煤层冲击地压危险性评估，地质条件综合Wt1小于0.25，为无冲击危险等级，当前开采区域地质条件对主采2、8号煤层冲击地压危险性影响相对较小。

(2)结合2、8号煤层冲击地压危险性评价，虽受当前区域地质条件影响较小，但后期规划设计区域及开采过程中开采深度、构造、煤层及其顶底板岩层等地质条件发生明显变化时，应重新进行综合冲击危险性评价，及时提供准确数据，获得最新变化结果，为矿井安全高效生产提供正确指导。