厚硬顶板开采条件下不同采动空间致冲规律探究

沈 伟

（中国中煤能源集团有限公司技术管理中心，北京 100120）

内蒙古自治区是国家能源战略基地，鄂尔多斯原煤产量占比超过60%，占据主要地位。据鄂尔多斯统计局数据，鄂尔多斯地区2020 年全市规模以上煤炭工业企业生产原煤64 016.5 万t。近年来，随着鄂尔多斯地区煤炭资源开发不断加速，特别是西部矿区多处大型深井煤矿投产，冲击地压逐渐成为制约鄂尔多斯地区煤矿安全生产的主要灾害之一。由于鄂尔多斯地区特殊沉积条件以及高强度开采，矿震、冲击地压事件也在增多。2018 年4 月8日某矿发生3×107J 能量微震事件，破坏巷道达113 m，震级达到2.5 级，地面震感明显。截止到2020年底，鄂尔多斯地区冲击地压矿井数量增加到16处，石拉乌素煤矿、营盘壕煤矿、门克庆煤矿、巴彦高勒煤矿、红庆河煤矿等矿井发生多次大能量矿震事件，不同程度存在动力显现。冲击地压发生既有首采工作面也有临空工作面，不同采动空间呈现出了不同特征。冲击地压已经成为鄂尔多斯深部矿区影响煤矿安全生产的重要灾害之一，研究鄂尔多斯深部矿区厚硬岩层条件下不同采动空间冲击地压显现特征对于指导鄂尔多斯深部矿区矿井冲击地压防治极具现实意义[1-6]。

1 地质开采条件特征

鄂尔多斯深部矿区煤层埋深在400～1000 m，个别矿井现有开采深度已经超过720 m。主采煤层具有冲击倾向性，厚度多在5～12 m，单轴抗压强度普遍高于30 MPa。煤层上覆多层巨厚砂岩，富水性强。回采工作面宽度多在260～360 m，走向长度超过3000 m，服务年限长达2～3 年，开采强度高，影响时间长。部分矿井工作面双巷布置，区段煤柱宽度20～30 m。部分矿井个别工作面地质开采条件统计见表1。

表1 部分矿井个别工作面地质开采条件统计简表

为分析厚硬顶板开采条件下不同采动空间致冲规律，收集整理了中煤集团所属冲击地压矿井回采工作面地质开采条件信息及微震监测数据，按照单面采空、双面采空及三面采空分别选取具有代表意义的回采工作面。

单面采空选取中煤集团葫芦素煤矿20104 工作面（图1）。该面为该矿四盘区首采工作面，位于四盘区大巷西翼，周边无其他采动影响，工作面宽300 m，走向长度3300 m，平均煤厚4.0 m，直接顶为2.4 m 厚的炭质泥岩，基本顶为11 m 厚的砂岩。

图1 葫芦素煤矿20104 工作面平面位置示意图

双面采空选取中煤集团母杜柴登煤矿30202工作面（图2）。该面为该矿二盘区第二个工作面，工作面宽268 m，走向长度3718 m，切眼外错30201 采空区300 m 布置，30201 采空区宽255 m、长3450 m，区段煤柱宽度20 m，平均煤厚5.48 m，直接顶为10.36～25.90 m 厚的粉砂质泥岩，基本顶为1.30～14.89 m 厚的粗粒砂岩。

图2 母杜柴登煤矿30202 工作面平面位置示意图

三面采空选取中煤集团葫芦素煤矿21104 工作面。该面为该矿一盘区第三个回采工作面，工作面面宽320 m，走向长度3500 m，切眼内错21103 采空区布置，区段煤柱宽度30 m，平均煤厚2.54 m，直接顶为2.53～7.8 m 厚的砂质泥岩、粉砂岩，基本顶为13.8～23.3 m 厚的细砂岩、中砂岩。

2 不同采动空间致冲规律分析

2.1 单面采空厚硬顶板致冲规律分析

葫芦素煤矿21405 工作面自2019 年11 月12日到2021 年3 月20 日共监测到微震事件3793 个。统计分析该面回采期间微震监测数据，每周统计一次平均每推进1 m 微震事件频次、释放能量，为便于对比分析，取频次为主纵坐标轴，能量为副纵坐标轴，对应工作面推采位置绘制变化曲线如图3。由图中可以看出，工作面在2019 年11 月18 日推采至51 m 开始初次来压时，微震事件发生频次与释放能量达到阶段峰值，并且工作面后期推采过程中，微震事件频次与释放能量相对较为平稳。工作面“一次见方”期间微震事件发生频次与释放能量出现较大波动，但均处于较低水平。工作面“二次见方”期间微震事件发生频次没有明显变化，但是受F58、F59 横贯工作面断层叠加影响释放能量迅速增加，达到阶段峰值。由上述分析可知，首采工作面采动空间有限，波及上覆岩层层位不高，高位厚硬岩层没有发生明显破断，释放能量有限，见方效应不明显，受地质构造影响较大。

图3 单面采空微震事件发生频次及释放能量变化趋势图

2.2 双面采空厚硬顶板致冲规律分析

母杜柴登煤矿30202 工作面自2018 年4 月28日到2021 年2 月2 日共监测到微震事件45 221 个。统计分析该面回采期间微震监测数据，每周统计一次平均每推进1 m 微震事件频次、释放能量，为便于对比分析，取频次为主纵坐标轴，能量为副纵坐标轴，对应工作面推采位置绘制变化曲线如图4。从图中可以看出，工作面“一次见方”期间，叠加B7 向斜影响，微震事件频次与释放能量明显上升，频次的增加说明顶板频繁产生裂隙，能量的集中释放说明上覆岩层大型裂隙扩展，顶板运动加剧。单面“一次见方”结束后，微震事件发生频次与释放能量明显减少，直至工作面“二次见方”释放能量达到阶段峰值，并持续到双工作面“一次见方”（由于30202 工作面切眼外错30201 采空区布置，因此选定工作面推采至800 m 位置时，双工作面“一次见方”），说明单面“二次见方”期间受临近采空区影响，上覆岩层大型裂隙持续产生，并在双工作面“一次见方”结束后形成承载结构，上覆岩层运动趋于稳定。双工作面“一次见方”结束后，微震事件发生频次及释放能量较长时期内保持相对较低水平，但在工作面接近地质构造带时，如过褶曲、倾角变化带、冲刷带期间，微震事件发生频次与释放能量均出现明显波动，并且都呈明显增长状态。由上述分析可知，形成双面采动空间后，上覆岩层将会产生更大范围结构性运动，单工作面“二次见方”至双工作面“一次见方”期间上覆岩层运动最为剧烈，双工作面“一次见方”后形成相对稳定结构，冲击危险程度随之有所降低。

图4 双面采空微震事件发生频次及释放能量变化趋势图

2.3 三面采空厚硬顶板致冲规律分析

葫芦素煤矿21104 工作面自2019 年6 月24 日到2021 年5 月4 日共监测到微震事件21 743 个。统计分析该面回采期间微震监测数据，每周统计一次平均每推进1 m 微震事件频次、释放能量，为便于对比分析，取频次为主纵坐标轴，能量为副纵坐标轴，对应工作面推采位置绘制变化曲线如图5。从图中可以看出，单工作面“一次见方”期间，微震事件发生频次与释放能量明显上升，释放能量整体不高，说明单工作面“一次见方”期间上覆岩层在临近采空区影响下，顶板运动活跃，但尚未发生结构性破断。双工作面“一次见方”期间微震事件发生频次出现波动，释放能量明显增加，并且持续到三工作面“一次见方”，说明双面“一次见方”期间上覆岩层大范围运动。三工作面“一次见方”结束后微震事件发生频次及释放能量出现明显下降，说明三面“一次见方”期间上覆岩层承载结构逐渐形成，上覆岩层运动剧烈程度较双面“一次见方”期间将会降低。由上述分析可知，形成三面采动空间后，工作面单面“一次见方”期间上覆岩层在临近采空区影响下运动活跃，双面“一次见方”期间上覆岩层剧烈运动，发生结构性运动，并在三面“一次见方”期间形成承载结构，趋于稳定。

图5 三面采空微震事件发生频次及释放能量变化趋势图

3 防治建议

首采工作面单面采空，顶板运动不活跃，冲击地压主要受地质因素及超前支承应力影响，局部治理措施工作可以选取煤层预卸压措施，采取煤层大直径卸压钻孔、煤层预注水、煤层爆破等。

回采工作面出现连续采空达到2 个或以上时，顶板运动已经成为诱发冲击地压的主要因素之一，应当采取顶板预卸压措施。针对双工作面“一次见方”至三工作面“一次见方”区域采取顶板水力压裂、顶板爆破、水射流切缝定向压裂，对于厚度较大、层位较高的岩层可以采取地表压裂等技术。

4 结论

通过上述分析，可以得出如下结论：

（1）鄂尔多斯深部矿区厚硬顶板单面采空条件下，上覆岩层运动不活跃，顶板致冲风险相对较低。

（2）鄂尔多斯深部矿区厚硬顶板双面及三面采空条件下，双工作面“一次见方”至三工作面“一次见方”期间顶板运动最为活跃，并且影响时间持续较长，顶板致冲风险相对较高。

由于冲击地压发生机理复杂，影响因素多样，不同条件下主控因素又有明显区别，本文仅就采动空间尺度分析了其对冲击地压灾害的影响，对冲击危险预测及防治提供了借鉴。冲击地压防治是一项综合治理工程，需要充分考虑现场地质开采条件，预测与防治均需采取针对性措施，方能实现冲击地压的“可防可控”。