鄂尔多斯矿区冲击地压特征分析

康馨月

辽宁大学环境学院 辽宁沈阳 110036

1 鄂尔多斯矿区冲击地压现状

鄂尔多斯矿区是我国重点煤矿之一，鄂尔多斯矿区主要包括红庆河、纳林河、葫芦素、门克庆、巴彦高勒矿井等，煤层埋深大概为500～1000m[1]，随着采深逐渐加深，冲击地压事故数量逐年增多，并且冲击地压被列为该地区煤矿主要灾害[2]，这些冲击地压事故带来了巨大伤害以及损失。

2 鄂尔多斯矿区历史动力显现事件的特征规律

对鄂尔多斯矿区历史发生过的动力显现事件进行分析，发现规律性诱发冲击地压的因素是多方面的。但总的来说可以分为三类，即地质影响因素、开采技术影响因素和生产组织方面[3-4]。本文主要从地质影响因素和开采技术影响因素两方面进行分析鄂尔多斯矿区存在诱发冲击地压的主导因素。

2.1 103工作面事例

鄂尔多斯矿区某矿2018年6月14日103新辅运巷从超前剁架10m位置(里程2908m)开始向外连续20m范围底鼓。冲击发生位置如图1所示。

发生冲击地压原因有：(1)当前区域煤层上方赋存有总厚度约为65m的中、细粒砂岩，完整性均较好，3-1101采空区和3-1103后方采空区形成后，这些坚硬厚层岩层并未完全垮断和下沉，仍可能存在悬顶现象。(2)鉴于3-1101和3-1103采空区高位顶板的存在，使得高位顶板形成的101采空区侧向支撑压力和3-1103超前支撑压力叠加，而3-1103新辅运顺槽正处于叠加后的支承压力影响范围。(3)3-1103工作面未按照“匀速、低速”的原则进行生产，在此前，日进刀从6刀突降为4刀又突升为8刀，导致对顶板产生不规律的扰动也是诱发冲击启动的因素之一。(4)冲击启动发生后，能量以震动波的形式通过巷道煤柱和巷道帮部的实体煤向巷道围岩传递，并最终在无任何支护措施的底板砂岩层发生了显现。(5)当前冲击区域内卸压不充分。

图1 103新辅运顺槽冲击显现区域示意图

2.2 103工作面事例

鄂尔多斯某矿2018年11月30日103工作面机尾至超前工作面345.3m的新辅运顺槽内均有不同程度的显现[4]，震源及冲击显现主要区域如图2所示。

图2 震源及冲击显现主要区域

发生冲击地压原因有：(1)高静载。大采深形成的原始高地应力、不合理的双煤柱留设导致的煤柱高应力、联络巷及硐室造成的局部应力叠加。上述因素相互叠加造成3-1103辅运顺槽超前范围应力水平极高，这是造成冲击地压频发的根本原因。(2)开采速度。11月25日开始，工作面逐步加快推进速度，日进刀由6刀/日增加到8刀/日，27日发生冲击后，推进度在28日降至3刀，但29日又增加到7刀，推进速度过快或推进速度的突然变化将导致煤岩体能量过快和不稳定释放，极易诱发冲击地压。(3)卸压造成局部应力集中。大量案例表明，卸压与未卸压的交界点附近往往是冲击地压频发区域，这是造成最近冲击地压发生的重要原因之一。(4)煤层较厚(6～7m)，煤体抗压强度较大。

2.3 103采空区事例

事例位置位于103采空区范围内，距103切眼501m，距101与103煤柱71m，距103停采线414m，具体位置见图3。

图3 位置平面投影

多次对现场及相关区域进行了现场勘查地面未发现新的裂缝或塌陷。基于微震定位与工作面顶底板的运动规律，大致估计出煤岩体破裂的层位、破裂位置以及震动能量等，借鉴地震学对矿震的破裂机制以及破裂面的产状信息进行分析，从而得到大能量矿震的破裂形式为高位顶板事件。

2.4 102工作面事例

鄂尔多斯矿区某矿2018年4月8日中午12点59分，3-1煤层3102工作面发生一起事例。

发生冲击原因有：(1)3102工作面埋深大(677～707m)，原岩应力高；煤层及顶底板岩层具有弱冲击倾向性；工作面中高位存在坚硬厚岩层，上方34.8m厚度达62m的关键层中砂岩破坏易释放大能量震动；(2)3102工作面回风巷临近3101工作面采空区，且3102与3101工作面区段煤柱宽度35m，3102回风巷围岩受采空区侧向高应力与煤柱集中应力的双重叠加影响。中高位关键岩层破坏释放大能量震动是诱发3102工作面回风巷冲击显现的直接原因。(3)基于初设开采方案的生产系统已经形成，留设的35m区段煤柱造成3102工作面回风巷围岩应力环境比较复杂，进一步增大了超前巷道松动圈破碎围岩发生失稳的可能性。

2.5 103-1工作面事例

鄂尔多斯矿区某矿在2019年8月11日于3-1煤层103-1工作面发生事例；在2019年9月3日夜晚11点00分，于3-1煤层103-1工作面发生一起事例。两次冲击均未破坏巷道。

第一次发生冲击地压原因有：(1)工作面逐步接近“三面采空”强冲击危险区域，推断103-1至102、101工作面采空区上覆岩运动加剧，岩层破断活跃，造成微震能量的个数和释放总能量急剧增加，这是造成本次冲击的主要原因。(2)8月11日，103-1工作面周期来压，周期来压是造成本次冲击的另一直接原因。第二次发生冲击原因是103-1工作面逐步接近“三面采空”强冲击危险区域，推断工作面采空区上覆岩运动加剧，岩层破断活跃，造成微震能量事件个数和释放总能量急剧增加。

2.6 鄂尔多斯矿区冲击地压发生特征及原因

通过对鄂尔多斯矿区当前冲击显现特征和原因进行分析总结，冲击地压发生特征和原因主要有：(1)冲击显现以发生在邻近采空区巷道为主，无论是掘进巷道还是回采巷道；(2)冲击地压发生区域煤层上方赋存有完整性较好的坚硬厚层岩层且并未完全垮断和下沉，待工作面回采后存在大面积悬顶现象；(3)冲击地压发生区域上方由破断活跃的高位顶板形成的侧向支承压力和超前支承压力的叠加；(4)冲击地压发生区域采煤工作面推进速度过快或推进速度的突然变化而导致煤岩体能量过快和不稳定释放以及引起顶板产生不规律的扰动；(5)冲击地压发生区域内卸压不充分或卸压造成的局部应力集中。

通过上述分析，可知鄂尔多斯煤矿冲击地压发生的共同原因：(1)煤层上方赋存坚硬厚层岩层，工作面附近的采空区形成后，坚硬厚层岩层并未完全垮断和下沉，存在悬顶现象。(2)采空区的上方高位岩层受工作面的采掘活动扰动，极限平衡状态被破坏，发生岩层错动或断裂，产生的动载与极限平衡区内的高应力相叠加，诱发冲击现象。(3)工作面煤层及顶底板具有冲击倾向性以及煤柱留设不合理等其他因素。

3 鄂尔多斯矿区冲击地压的主要影响因素

3.1 开采深度

随着采深的增加，煤层中的自应力会逐渐增高[5]。鄂尔多斯矿区煤层开采深度为500～1000m，随着采深的增加，煤层中的自应力会逐渐增高，冲击危险增加迅速。从开采深度方面判断，该煤层已完全具备冲击地压发生的采深条件，冲击地压发生的概率及频次将会大幅增加，防冲工作压力也将会越来越大。

3.2 煤岩的冲击倾向性

煤岩冲击倾向性对冲击地压的发生具有显著影响，是冲击地压发生的内在本质影响因素。鄂尔多斯矿区煤层煤岩冲击倾向性指数及力学性能进行了鉴定，鉴定结果为煤具有强冲击倾向性，具有弱冲击倾向性的顶板岩层，具有弱冲击倾向性的底板岩层。综合来看，煤层具有发生冲击地压的可能性。

3.3 地质构造

冲击地压主要集中发生在具有断层、褶皱等地质构造复杂的区域，当巷道接近上述区域时，发生冲击地压的概率较大。采动诱发小断层的活化是工作面回采发生冲击的重大潜在威胁。据统计，62%的冲击地压发生在巷道接近断层时。当巷道掘进至断层附近时，容易受到掘进超前应力、构造应力、自重应力影响而诱发冲击地压，鄂尔多斯煤矿有一定数量的断层，对该矿区冲击地压的发生具有一定的影响。

3.4 开采强度

鄂尔多斯矿区目前生产能力为8Mt/a，开采强度较高，按照某矿3-1煤层平均可采煤厚6.73m计算，开采强度较高时存在一定的冲击危险。

3.5 临近采空区

鄂尔多斯矿区某矿3-1煤层工作面回采过程中，几乎所有工作面均为单侧采空，存在一定的冲击危险。回采到后期，多个采空区相互连通，可能引起高位关键层的破断以及地面的沉降，存在一定冲击危险。

3.6 顶板岩层结构

根据鄂尔多斯矿区某矿煤层综合柱状图，通过顶板100m范围内岩层分层情况计算得出顶板厚度特征参数值为81，煤层上方100m范围内顶板岩性多为坚硬的砂岩。在破断瞬间，会突然释放大量的弹性能，形成强烈震动，容易导致顶板型冲击地压的发生。

3.7 煤柱留设

鄂尔多斯部分矿区煤柱留设不合理，煤柱设计不仅要能保证巷道内支护质量和人员设备安全，也要降低自身的应力集中程度，防止大量弹性能积聚后的突然释放造成煤柱型冲击地压的发生。因此鄂尔多斯矿区应留设不大于5m宽小煤柱，降低冲击地压危险。

4 结论

(1)鄂尔多斯矿区冲击地压发生特征有：①煤层上方赋存坚硬厚层岩层，工作面附近的采空区形成后，坚硬厚层岩层并未完全垮断和下沉，存在悬顶现象。②采空区的上方高位岩层受工作面的采掘活动扰动，极限平衡状态被破坏，发生岩层错动或断裂，产生的动载与极限平衡区内的高应力相叠加，诱发冲击现象。③工作面煤层及顶底板具有冲击倾向性以及煤柱留设不合理等其他因素。

(2)鄂尔多斯煤矿的主要影响因素有：开采深度、煤岩的冲击倾向性、地质构造、开采强度、临近采空区、顶板岩层结构特征的影响等。