鄂尔多斯深部典型煤矿冲击地压发生机制与防治实践

张修峰，孔令海

(1.兖矿集团有限公司 防冲研究中心，山东 济宁 272102；2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

冲击地压是我国煤矿的主要灾害之一，从2012年142个发展到目前的180余个，灾害威胁矿井数量逐年增多。我国学者从冲击地压机理[1-5]、煤岩破裂前兆及监测预警[6-10]、冲击地压治理[11-16]等方面取得许多成果，为煤矿防冲安全提供了理论和技术指导。但是，随着开采深度和开采强度的增大，近年来，我国煤矿冲击地压事故多发。特别是龙郓煤业“10·20”、龙家堡矿“6·9”、唐山矿业“8·2”和龙堌公司“2·22”等典型冲击地压事故，反映了围绕不同开采条件开展冲击地压精准防治研究的必要性。

鄂尔多斯是我国在“十五”期间重点建设的四大超亿吨煤炭基地之一，煤炭生产安全与稳定运行具有重要现实意义。近5年来，多个矿井发生冲击地压事故，冲击地压被列为该地区煤矿主要灾害。基于此，兖州煤业鄂尔多斯能化公司以“提前研究、提前规划、提前预防”为防冲理念，围绕鄂尔多斯深部矿区冲击地压防治理论和技术体系，开展了系统性研究，并取得成功应用。

1 冲击地压发生条件及特点

1.1 呼吉尔特矿区

1.1.1 葫芦素煤矿

葫芦素煤矿现主采2-1煤层，煤层平均厚度2.6m，直接顶为厚度6.8m砂质泥岩，老顶为厚度23.4m中粒砂岩。矿井为盘区两翼布置、工作面邻面接续，工作面设计三巷布置，东翼首采工作面与02工作面之间为35m区段煤柱，综合机械化生产。东翼02工作面回风巷邻近首采工作面采空区，02工作面推采期间，该巷道超前200m范围矿压显现明显，最大底鼓1.5m，两帮位移达3m。

1.1.2 巴彦高勒煤矿

巴彦高勒煤矿现主采3-1煤层，煤层平均厚度5.5m，煤层直接顶为8.5m砂质泥岩，上部老顶为15.8m细粒砂岩，底板为砂质泥岩及细粒砂岩。矿井为多盘区布置，工作面邻面接续、设计三巷布置和25m区段煤柱，综合机械化生产。当开采至第三个工作面时，发生一次冲击地压，巷道围岩变形明显，一侧邻空的辅运巷超前工作面100～400m区域造成巷道冲击破坏。

1.1.3 门克庆煤矿

门克庆煤矿现主采3-1煤层平均厚度4.7m，煤层直接顶为厚度17.7m中粒砂岩，距离煤层35m以上有厚度为60m细、中、粗粒砂岩砂岩组。矿井为盘区两翼布置，工作面设计三巷布置、邻面接续、35m区段煤柱，首采工作面倾斜长度300m，工作面综合机械化生产。第二个工作面沿首采工作面采空区开采，邻近采空区的回风巷矿压显现明显，超前采动影响范围约200m，底鼓剧烈。2018年4月8日发生一次冲击地压，能量3.15×107J，地震台网定位本次事件为2.5级，冲击地压造成超前工作面300m回风巷全部破坏，顶底板闭合90m，工作面被迫停产。

1.2 纳林河矿区

纳林河二号煤矿现主采3-1煤层，煤层平均厚度5.6m，煤层直接顶为6.6m粉细砂岩、泥岩互层，上部老顶为17.2m中、细粒砂岩，底板为粉砂岩。矿井为多盘区布置，工作面设计三巷布置、邻面接续、19m(01工作面与02工作面)区段煤柱，02工作面倾向长度240m，综合机械化生产。02工作面推采期间，一侧邻空的回风巷超前150m范围巷道变形破坏严重，工作面推采期间多次发生冲击破坏，底鼓达2.1m，两帮变形严重。超前大直径卸压钻孔全长塌孔密实。

1.3 新街矿区

红庆河煤矿现开采3-1煤层，平均厚度7.0m，煤层直接顶为4.7m粉砂岩，上部老顶为 15m细粒砂岩，底板为砂质泥岩；老顶之上赋存有10多米的砂砾岩层，部分区域缺失。矿井为两翼布置，工作面倾向长度320m，发生冲击地压的工作面为一侧邻空开采，工作面区段煤柱由设计30m加宽为60m，工作面为综合机械化生产。一次冲击大能量释放就造成工作面10余架液压支架压死和损坏，邻空的辅运巷围岩冲击破坏剧烈，走向影响范围最大300m以上，辅运巷超前近200m范围底鼓量近3m。震源能量为 2.6×106J。

2 冲击地压类型研究

2.1 冲击地压的共性条件

1)埋深大、地应力高。前述深部矿区开采深度几乎都在600m以深，地层自重应力大。

2)巨厚基岩地层赋存多组坚硬厚岩层构成巨厚基岩地层结构，厚度大、整体性强，第四系松散层很薄。由于长大工作面开采范围大、顶板悬露面积大、顶板下沉运动更易积聚弹性能，覆岩组合结构运动下沉时释放的能量较大，冲击危险增大。

3)工作面开采强度高。矿区大部分矿井，巷道断面较大，断面积大于20m2，工作面综合机械化开采工效高，开采强度大，推采速度高达8～10m/d。

4)矿区地层局部富水性强。志丹组和直罗组总体富水性虽弱，但局部富水性强。如呼吉尔特矿区某矿开采期间，涌水量从0增加到660m3/d，疏放水改变了岩层物理和力学状态，间接对下部煤岩体应力分布造成影响，增大了局部冲击危险性。

5)开采设计不合理。矿井采掘工作面采取综合机械生产，在高强度开采影响下，宽度较大的区段煤柱易形成高集中应力，增大了冲击危险。

6)巷道支护强度有待研究。许多矿井都选用了适于大型现代化设备运输和存放的大断面巷道，将巷道布置在煤层中，在这种高强度开采影响下，围岩破坏范围大，巷道支护仍有待深入研究。

7)煤岩具有冲击倾向性。矿区开采的煤及顶板岩层具有冲击倾向性，且厚煤层有软弱夹层结构，积聚弹性能的属性强，冲击地压发生可能性高。

2.2 冲击破坏的共性特征

1)冲击破坏影响范围大，具有明显的周期性破坏特征，如图1所示，冲击破坏范围至少在百米以上，最大破坏范围近400m。

图1 不同工作面采动应力变化规律试验结果

2)采空区附近区域冲击破坏严重。其中，工作面超前巷道的冲击破坏最严重，即采煤工作面下出口及超前煤岩体；侧向距采空区边界从15m到60m范围均发生过破坏性剧烈的冲击地压显现。

3)邻空巷道超前影响范围破坏明显，煤柱侧围岩位移明显，两帮移近量达2m，顶底板移近量达3m，发生冲击破坏的巷道断面“收缩”剧烈。

4)实体煤巷道冲击破坏不明显，即距采空区边界较远的实体煤区域(一般大于300m)，煤岩体发生冲击地压的概率很小，几乎不发生。

5)工作面为三巷大煤柱间隔布置，煤柱宽度在15～40m，煤柱集中应力高，巷道布置在高应力区，增大了冲击危险性。

6)冲击地压与大能量事件无明显对应关系。

7)发生冲击地压的煤岩体，强和弱冲击倾向性的煤岩层均存在。

2.3 冲击破坏类型

根据对矿区多个矿井冲击地压发生情况的统计，从力源和能量源的角度分析来看，鄂尔多斯深部矿矿井冲击地压破坏类型可分为如下四类：

1)地质主控类。Ⅰ类：高地应力为主，高地应力下的煤岩体局部弹射；Ⅱ类：高地应力为主，复杂构造应力下的巷道围岩结构冲击破坏。

2)工程主控类。Ⅰ类：顶板动压诱发为主，侧向顶板覆岩大结构动压下的冲击破坏；Ⅱ类：高采动应力为主，侧向覆岩大结构影响下的巷道围岩小结构冲击破坏；Ⅲ类：高采动应力为主，走向覆岩大结构影响下的巷道围岩小结构冲击破坏。

3)综合主控类。Ⅰ类：以区域性能量释放为主，冲击破坏伴随矿震现象；Ⅱ类：以局部性极限破坏为主，局部复杂条件下的底板冲击破坏，典型条件为一侧沿空工作面的底板巷道。

4)次生灾害类：冲击破坏发生后的采空区突水次生灾害。

鄂尔多斯深部典型煤矿地质条件较简单，都处于开采初期，冲击地压大都发生在一侧邻空开采的第二个工作面，主要为冲击地压工程主控类型。

3 冲击地压发生机制

3.1 工作面疏放水影响下冲击地压发生机制

在疏水状态下，工作面采动应力变化最大值80kPa明显高于一般工作面的38kPa，差值明显，为冲击地压发生积累了必要条件。

工作面疏水过程中，在疏水影响范围边界分别形成应力降低区和升高区，中部剪应力区形成的应力场达到冲击发生条件时，将诱发冲击地压。疏水孔疏水、开采裂隙疏水、超前支承压力和侧向支承压力的复合应力将可能超过发生冲击地压的临界应力，导致冲击地压的发生。

3.2 工作面围岩结构冲击地压发生机制

巷道围岩结构的冲击破坏是冲击地压发生的直接主体，由冲击地压类型可知，高强度开采影响下，一次开采厚度越大，地层下沉越明显；开采范围越大，巷道围岩运动范围越大；开采深度越大，地层在矢量方向的运动范围越大，对地层造成的破坏影响范围越大；开采持续时间越长，覆岩移动下沉及应力调整时间越长；开采速度越大，巷道围岩下沉运动越剧烈，释放能量所形成的应力波冲击破坏越剧烈，当地层移动下沉及应力调整发展至一定程度，孕育形成采动覆岩离层结构，覆岩结构影响下的应力分布范围越大，采动覆岩移动离层结构理论模型如图2所示，采动覆岩移动下沉与离层运动影响围岩空间结构冲击破坏的发生，理论分析可知，在理想条件下，煤炭资源的采出，破坏了地层原有平衡状态，致使原岩应力进行调整和转移。采动覆岩移动下沉与离层运动易诱发围岩空间结构的冲击破坏。

图2 采动覆岩移动离层结构理论模型

3.3 地层沉降影响下工作面冲击地压发生机制

现场实践表明，当两个相连工作面开采时，第一个工作面采空区形成后，第二个工作面回采至测点下方时，高位岩层联动影响下，虽然地表沉降不大，但地表反弹明显，揭示了覆岩大结构的控制作用(地层巨厚基岩较强的整体性)，是地表沉降不充分、地面反弹的主要原因。由此可知，覆岩离层运动状态控制着工作面围岩应力状态，坚硬厚岩层组断裂失稳及铰接失稳是释放大能量的直接动力源，决定了弹性能大小及影响范围。当工作面支架或巷道支护结构不能满足抵抗这种大能量应力波扰动时，冲击地压发生。

4 冲击地压防治关键对策

结合鄂尔多斯深部矿区典型开采条件，在前述研究的基础上，围绕冲击地压矿井科学设计、超前预测、精准治理、智能化监测预警等工程难题，提出冲击地压精准防治技术原理、对策路线，并应用于冲击地压防治工程实践，大幅度降低了实验矿井冲击地压灾害发生频率及强度，提高了矿井防冲安全保障水平。

根据前述研究，冲击地压发生机制为疏放水影响下采动覆岩移动下沉结构致使巷道围岩结构发生冲击破坏，冲击地压发生的主体为巷道围岩承载结构和采动覆岩离层结构，因此，提出基于煤岩体结构及应力状态控制的防冲技术原理。

4.1 应力优化减冲对策

基于人工可控技术装备及科学设计，超前主动改变围岩结构中煤岩体的物理力学属性，分类管理、分区分级施策，实现“高弹性能分次释放、高应力深部转移”，即煤岩体应力优化技术，最终达到降低冲击危险及强度的目标。

4.1.1 开采布局

从矿井全局防冲层面，科学设计多采区、多场地工作面布置方案，人为地延长上覆岩层稳定时间，直接减缓采动相互影响时间，使得弹性能空间上多处分解、时间上多频次释放，实现区域控制冲击地压发生条件。

4.1.2 工作面布置方案及参数

加大工作面宽度由现在的250～280m，加大到320～350m，在提高生产能力的同时，降低采动应力集中程度。并将回采巷道布置由三巷设计方案改为双巷设计方案。

4.1.3 区段煤柱留设宽度

工作面间采取小煤柱隔离，一般3.5～5.5m。大巷保护煤柱采取大煤柱留设，工作面与大巷的水平间距一般不小于200～300m。

4.2 变形控制防冲对策

为降低冲击破坏的影响，应在已有锚网支护的基础上，进一步提高巷道支护结构的完整性，二次采取主动支护技术，即煤岩体变形增量和变形速度的控制。

1)煤岩体变形增量防控技术。在巷道围岩变形量较大、冲击危险程度较强的区域，加大顶板锚梁、巷帮锚索等，提高巷道支护体稳定性和整体性，安装整体性能较好的超前液压支架，提高支护强度，控制应变增量。

2)煤岩体变形速度防控技术。在冲击危险程度较强的区域，通过采取围岩加强锚索支护，提高支护强度，控制应变速度。

4.3 智能化监测预警技术

考虑疏放水影响，集成水文地质数据、冲击地压监测结果和各类开采数据等云信息，在冲击地压预警算法及指标体系的基础基础上，研发冲击地压复合灾害多参量监测预警平台系统，实现鄂尔多斯深部矿区冲击地压智能化监测预警。

5 工程实践

2106A工作面煤层产状变化不大，宽缓褶曲发育；煤层厚度3.89～9.51m，平均9.02m。煤层倾角平均1°。在工作面北部，2-2上和2-2中煤层合并，煤层较厚；南部相对较薄，含1～3层泥岩夹矸，夹矸厚度由北向南间距变小。煤层普氏系数f一般在1.79左右，2煤上和2煤下为弱冲击倾向性煤层，2煤中为强冲击倾向性煤层；煤层顶底板均为弱冲击倾向性岩层。工作面具有中等冲击危险。工作面初次来压期间的部分监测结果如图3所示，监测结果情况如下：

1)来压期间的微震事件增加，每日微震事件总能量6.74×103J，能量总体不大。

2)应力在线监测辅运巷侧第2组(编号71#，距原切眼50m)应力计自9月21日开始上升，9月27日达最大值，浅部16MPa、深部14MPa，工作面煤体应力超前影响距离36m，应力变化曲线如图4所示。工作面运输巷第二组应力应力计距切眼50m，自9月15日开始回采以来压力变化不大。其他应力计增值不明显。

3)距切眼煤壁60m、80m、100m处，巷道围岩移近量编号示，由图可知，100m处测站距离较远，变化不大。辅运巷顶底板移近量累计52mm，两帮移近量累计40mm，移近速度最大16mm/d ；运输巷顶底板移近量累计8mm，两帮移近量累计2mm，移近速度最大1mm/d 。

4)工作面液压支架工作阻力明显增大，最大值46.5MPa，平均13.7MPa。两回采巷道超前支架压力均在24日达到最大，说明初次来压期间超前支架压力先增加后回落。实践表明，工作面来压期间的冲击显现不明显，有较大煤炮但频次不高，个别地点顶板破碎、煤壁有片帮现象，煤尘较大。说明现场采取的冲击地压治理措施减缓了冲击地压显现强度。

6 结 论

1)针对鄂尔多斯深部矿区冲击地压防治系列工程技术问题，提出基于防冲的科学设计理念和开采原则，优化了防冲开采设计，研究得到回采工作面围岩大变形协同控制、“远距离辅巷多通道”的快速撤面、“三位一体”精准应力防控等关键防冲技术，掌握了巷道高预应力、高冲击韧性强力锚杆-锚索支护技术，建立了深部采场、巷道有效防冲体系。

2)实践表明，现场采取的煤岩体应力优化技术和变形防控技术对策符合工程实际，实现了降低矿井冲击地压发生频次和强度的目的，为安全生产提供了科技保障。

3)冲击地压发生条件复杂多样，考虑矿井冲击地压及具体条件的影响，“一井一策、一面一策”是实现有效防控冲击地压的有利途径。