鄂尔多斯盆地北部沉积地质对矿井冲击地压的影响

黄海鱼，丁 湘，刘 溪，李 哲，张 寅，闫 鑫

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200；3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

关键字：冲击地压；主砂体；沉积相；侏罗系；中深部矿井；鄂尔多斯盆地

0 引 言

鄂尔多斯盆地是中国第二大陆相沉积盆地，发育有石炭系-二叠系、三叠系、侏罗系等3套含煤层系，煤炭资源量和煤炭产量均居我国各沉积盆地之首，其中侏罗系煤炭资源量占全国的31.9%[1]。由于盆地浅埋深资源已经得到充分的开发，近年来煤炭资源开发已逐步向中深部埋深转移。盆地北部呼吉尔特矿区、纳林河矿区等区域主采煤层埋深达到600～800 m，属于中深埋煤层，已形成大规模开采格局，冲击地压问题也逐渐凸显，已成为制约煤矿安全开采的关键因素。

前人在冲击地压的成因和防治开展了大量研究[2-8]，王业常等认为矿井冲击地压主要影响因素为煤层倾角、开采工艺、开采深度、顶板岩层的结构特点、地质构造等[9]；张寅等提出鄂尔多斯深部矿区受开采深度、煤岩冲击倾向性、顶板特性、区段煤柱以及高强度开采等因素的影响而面临冲击地压灾害[10]；孙步洲通过对陶庄煤矿地表移动观测资料和冲击地压进行实际对比，认为断层参与诱发冲击地压[11]；陈国祥采用数值模拟方法反演了褶皱的形成过程及应力分布规律，分析了褶皱不同部位的应力状态[12]；王存文等则从构造形成机制的角度分析构造区的应力环境，并运用矿山压力理论、数值模拟等探讨断层、褶皱、相变诱发冲击地压的机理，得出构造应力场与采动应力的叠加形成高应力复杂应力场，易诱发冲击地压的结论[13]。盆地北部中深部侏罗系地层构造地质条件简单而沉积地质条件复杂，以往的评价预测方法及经验难以适用于此类地质条件的矿井冲击地压防治需要。在该区域冲击地压研究中，如果忽视了沉积地质条件引起的地层结构变化对冲击地压的巨大影响就无法解释研究区冲击地压的成因和规律。基于研究现状及存在问题，从沉积地质条件的角度开展冲击地压影响因素研究，通过对盆地北部中深部煤层覆岩沉积相特征、沉积相类型及砂体展布规律等研究，确定影响矿井冲击地压的关键砂层特征，结合中深部侏罗系矿井微震事件分析，明确沉积地质条件对中深部矿井冲击地压的影响作用，为该区域煤矿安全生产提供现实指导意义，同时为相同地质条件矿井冲击地压研究提供理论依据。

1 地质背景与地层特征

中深部矿井区域在大地构造位置上，属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造单元(图1)，构造形态为一向西缓倾斜的单斜构造[14]，地层产状较平缓，倾角1°～3°，不发育大中型褶皱、断层，仅在局部发育微弱的波状起伏，未见岩浆岩侵入。构造类型简单。

图1 鄂尔多斯盆地北部中深部矿区及典型矿井区域位置Fig.1 Location of the middle-deep mining area and typical mine in northern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地在古生代华北克拉通盆地基础上发育起来的中生代沉积盆地。盆地发展鼎盛期为侏罗纪，在印支运动末期的影响作用下，华北板块整体抬升，风化剥蚀和冲刷侵蚀作用使得上三叠统延长组形成河谷纵横的古地貌，中侏罗纪早期在此背景上沉积形成延安组陆相含煤建造[15]。延安组形成后，地壳持续稳步下降，连续沉积了直罗组、安定组陆源碎屑岩建造[16]。

与鄂尔多斯盆地北部煤层开采及冲击地压形成密切相关的中生代地层延安组为盆地北部主要含煤地层，平均地层厚度256 m，在全区均有分布，主要由浅灰色-灰白色砂岩、灰色-深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成，含6套可采煤层。依据岩石组合、沉积旋回和含煤性的差异，自下而上划分为3个段，分别为延安组一段、延安组二段与延安组三段，各段之间为整合接触；直罗组在鄂尔多斯盆地北部分布广泛，平均地层厚度165.5 m，由黄绿色-灰绿色砂岩、蓝灰色及紫灰色等杂色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等组成，是中深部煤层顶板主要含水层，自下而上划分为2个段，分别为直罗组一段、直罗组二段，每段底部发育具冲刷面构造的细砾岩或者含砾粗砂岩(表1)。

表1 研究区中生代地层发育特征Table 1 Mesozoic stratigraphic of the study area

目前盆地北部的呼吉尔特矿区、纳林河矿区主要大规模开采延安组上部的2#煤和3#煤，煤层顶板为延安组三段与直罗组一段和直罗组二段地层，也是本次开展冲击地压影响因素研究的主要目的层。

2 沉积相特征及砂体展布规律

2.1 沉积相特征

通过典型矿井沉积环境研究认为延安组三段沉积期发育三角洲平原沉积，晚期转变为曲流河沉积。以分流河道、水上分流间湾或河道砂坝、河漫滩为主，河道展布方向为北东-南西向，与延安组时期物源方向基本一致(图2)。直罗组一段沉积早期为辫状河沉积(图3)，中晚期转变为曲流河沉积。河道展布方向为北西-南东向，与直罗期物源方向一致。一段底部“七里镇砂岩”以中-粗砂岩为主，单砂体相互叠置，少见泥质夹层，砂体厚度大，二元结构不发育，主要发育河道砂坝微相；直罗组二段继承了一段中晚期曲流河沉积环境，以河道砂坝与河漫滩为主，展布方向与物源方向一致(图4)。

图2 典型井田延安组三段沉积相展布Fig.2 Sedimentary facies of the third member of Yan’an Formation in typical well fields

图3 典型井田直罗组一段沉积相展布Fig.3 Sedimentary facies of the first member of Zhiluo Formation in typical well field

图4 典型井田直罗组二段沉积相展布Fig.4 Sedimentary facies of the second member of Zhiluo Formation in typical well field

2.2 砂体展布规律

中深部矿井煤层顶板覆岩为陆相沉积，相变比较频繁，沉积环境的变迁影响厚层砂体发育，控制着砂体在平面和剖面上展布的不均一性。从典型矿井的目的层位砂厚图来看，延安组三段砂体沿北东-南西方向展布(图5)，厚度1～55 m，平均18.7 m；直罗组一段沿北西-南东方向展布(图6)，厚度为6～63 m，平均24 m；直罗组二段砂体展布方向与一段保持一直(图7)，砂体厚度为4～55 m，平均为23 m。砂体总体呈现条带状展布，并且在平面上厚度变化大。

图5 典型井田延安组三段砂厚展布Fig.5 Sand thickness of the third member of Yan’an Formation in typical well field

图6 典型井田直罗组一段砂厚展布Fig.6 Sand thickness of the first member of Zhiluo Formation in typical well field

图7 典型井田直罗组二段砂厚展布Fig.7 Sand thickness of the second member of Zhiluo Formation in typical well field

3 微震事件与沉积地质条件关联性

微震监测作为冲击地压防治的重要技术手段，已经在煤矿安全生产中得到广泛应用[3]，通过微震能量事件监测数据与沉积地质因素中的沉积环境、主砂体厚度、岩心采收率及主砂体与煤层间距对比，探索冲击地压与矿井沉积地质条件之间的关联性。

3.1 沉积环境因素

砂地比作为沉积相表征的主要参数，一般把30%作为河道与河道间的界限，通过微震能量事件与砂地比值对比，2号典型矿井工作面砂地比大于30%区域，微震事件能量占比为83%，其中在63%～69%区域内占比达到59%。微震事件能量主要分布在主河道区域(图8)。

图8 2号典型矿井工作面砂地比与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.8 Relationship between the ratio of sandstone to ground thickness and the total energy of microseismic events per unit area of No. 2 typical mine

3.2 主砂体厚度因素

坚硬顶板的厚度较大时，顶板积聚弹性能的能力强，顶板在初次垮落或周期垮落过程中形成对煤层的高应力作用而发生冲击地压[17-19]。以1号典型矿井为例，煤层顶板上覆地层中沉积厚度最大的坚硬岩层是直罗组底部七里镇砂岩，厚度为8.3～67.3 m，平均厚度为23.15 m，在平面上厚度分布极不均一。开采3-1煤顶板覆岩的主砂体是七里镇砂体，厚度为8.3～35 m，平均厚度为20.68 m(图9)。根据工作面微震监测大能量事件与主砂体厚度对比，大能量微震事件主要分布在主砂体厚度22～31 m区间(图10)。

图9 1号典型矿井工作面微震能量事件与主砂体展布Fig.9 Microseismic energy event and main sand body distribution in the working face of No.1 typical mine

图10 1号典型矿井工作面主砂体厚度与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.10 Relationship between the thickness of the main sand body and the total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.1 typical mine

开采2-1煤层顶板覆岩结构相对简单，主要砂体是七里镇砂体，厚度区间为10～25 m，平均厚度为16.38 m(图11)。经过微震监测各级能量事件与主要砂体展布规律的对比分析，微震监测能量事件发生的频次和能级与主要砂体厚度平面展布规律呈正相关(图12)。

图11 2号典型矿井工作面微震能量事件与主砂体展布Fig.11 Microseismic energy event and main sand body distribution in the working face of No.2 typical mine

图12 2号典型矿井工作面主砂体厚度与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.12 Relationship between the thickness of the main sand body and the total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.2 typical mine

通过2个工作面的微震监测能量事件与主要砂体厚度的对比，说明煤层顶部主要砂体在平面上厚度的不均一对工作面微震能量事件具控制作用。

3.3 主砂体岩芯采取率

坚硬顶板是影响冲击地压的关键因素较为明确，但是坚硬顶板的厚度、岩性及成岩作用在平面和剖面上的展布是非均质的，这些参数可以影响岩层的强度，进而影响岩层贮存及释放能量的性能。目前很多矿井的岩石力学性质参数较少，针对关键厚度坚硬顶板的岩石力学参数更少，并不能完全反应整个矿井中对冲击地压产生影响作用的厚层坚硬顶板的分布不均一性。但是在矿井地质勘探期间，岩层合格岩心采取率的大小可间接反应岩层的完整度，可从宏观上反映坚硬顶板的强度。从4号典型矿井工作面的数据来看，主砂体岩心采取率低于80%时，单位面积微震事件能量总和整体不超过20 J/m2，仅在75%处存在能量总和达到20 J/m2的较高值；而当主砂体岩心采取率大于80%时，单位面积微震事件能量总和明显大部分大于20 J/m2。说明工作面主砂体岩心采取率高时，单位面积微震事件能量也越大(图13)；2号典型矿井工作面主砂体岩心采取率数据也表现出明显的关键层岩心采取率与微震事件能量呈正相关性的规律(图14)。因此，工作面中关键厚层坚硬顶板岩心采取率是表示微震事件能量的可靠因素，是影响冲击地压的重要因素。

图13 4号典型矿井工作面岩心采取率与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.13 Relationship between core recovery percentage and total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.4 typical mine

图14 2号典型矿井工作面岩心采取率与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.14 Relationship between core recovery percentage and total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.2 typical mine

3.4 主砂体与煤层间距

厚层坚硬顶板的弯曲下沉受其下部煤层开采后直接顶垮落碎涨后形成的残余空间大小影响[20]。坚硬顶板与煤层之间的层间距影响着坚硬顶板的垮落和断裂，间接影响冲击地压的发生。从1号典型矿井工作面的数据来看，微震事件主要分布在主砂体与煤层层间距38.5 m以下，38.5 m以上零星分布(图15)；矿井3工作面微震事件的总能量主要集中在主砂体与煤层层间距46 m以下，46 m之后微震事件的总能量逐步降低(图16)，说明主砂体-煤层间距与微震大能量事件呈负相关。

图15 1号典型矿井工作面主砂体-煤层层间距与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.15 Relationship between the main sand body-coal seam spacing and the total energy of microseismic energy events per unit area in the working face of No.1 typical mine

图16 3号典型矿井工作面主砂体-煤层层间距与单位面积微震能量事件总能量关系Fig.16 Relationship between the main sand body-coal seam spacing and the total energy of microseismic energy events per unit area in the working face of No.3 typical mine

4 冲击地压影响因素分析

通过上述沉积相类型变化、主砂体厚度、岩心采收率及主砂体与煤层间距等因素与微震能量事件的关系对比，微震能量事件主要发育在河道沉积区域，主砂体厚度和岩心采取率的变化与微震能量事件基本呈现正相关性，主砂体与煤层间距和微震能量事件呈现负相关性。这是因为煤层覆岩层沉积环境变化频繁，砂体空间展布极不均一。在漫长的地质演变过程中，在地应力的作用下，这些砂体内蕴藏着巨大的能量，其储能能力和厚层砂岩厚度、矿物成分、成岩作用有着密切的关系。煤层开采时坚硬顶板不能及时垮落，大面积悬顶导致应力和能量再次积聚，当达到岩层极限承受能力时，突然破断发生瞬时冲击动力灾害[21]，特别是直罗组一段底部辫状河沉积的厚层粗粒石英砂岩顶板——“七里镇砂岩”。由于沉积环境的影响，砂体具有在平面和剖面上非均质性强、变异性大等特点，形成了矿井不同区域和层位的岩层储能的能力有所不同的特征，从而造成矿井不同区域发生冲击显现也是不同的。

根据延安组三段至直罗组二段沉积演化过程，直罗组底部沉积的“七里镇砂岩”是区内较稳定的厚层坚硬顶板，也是矿井冲击地压防治预裂措施应该重点考虑层位。

5 结 论

1)中深部矿区煤层顶板发育有侏罗系延安组三段、直罗组一段和直罗组二段。延安组三段沉积期发育三角洲平原沉积，晚期发育曲流河沉积；直罗组一段沉积早期发育辫状河沉积，中晚期发育曲流河沉积；直罗组二段沉积期发育曲流河沉积。沉积相变频繁，相变控制厚层砂体分布的不均性。

2)中深部矿区冲击地压受沉积地质条件控制，与主河道沉积位置、主砂体厚度、岩心采取率及主砂体与煤层间距等因素呈现明显的相关性。

3)中深部矿区对坚硬顶板的预裂措施应该重点考虑直罗组底部的厚层砂岩中。坚硬顶板性冲击地压防治可根据覆岩沉积环境的研究精细刻画厚层坚硬砂体展布规律制定有差异性的防治措施。