强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

韩 珂，王海军

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

冲击地压是典型的煤岩动力灾害之一，并可能诱发煤与瓦斯突出、煤层自然发火、冒顶等次生灾害，严重威胁我国煤矿的安全生产［1-3］。随着国家对煤矿安全生产要求的不断提高，煤矿井下顶板地质问题突出，对强冲击地压矿井坚硬厚层顶板厚度变化及空间展布状态分辨不清的问题受到广泛关注［4-6］。我国主要冲击地压矿区，在致冲主控地质因素上表现出显著的共性特征—上覆巨厚坚硬砂岩层、沉积相变和构造应力集中等。大量研究表明，钙质或硅质胶结的砂岩或砾岩往往具有较高的岩石力学强度，当其厚度超过10m 时，采空区周边悬顶问题较为显著，顶板悬顶不仅会给采场围岩产生高应力集中，而一旦断裂，其产生的冲击动载也容易诱发采场冲击地压［7］。黄陇侏罗纪煤田各矿井煤层顶板上方100m 范围内的岩层多以粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩及含砾粗粒砂岩为主，基本顶砂岩承载能力较强，在工作面回采及相邻采空区通过该层顶板产生的动、静载荷对采掘空间造成影响，当矿井出现大面积采空区时，上覆关键层的影响将会逐渐增大，这些岩层通过传递静载荷使得采掘空间的冲击危险性进一步升高。

黄陇侏罗纪煤田部分矿井地应力场为构造应力主导型，大部分区域属于高或超高应力场。各矿井均有一些巷道与最大水平主应力的夹角较大，这些巷道在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形，进而导致巷道冲击危险性升高［8］。彬长矿区为国内主要的产煤基地之一，位于黄陇侏罗系煤田，区域构造位于鄂尔多斯盆地南部的渭北北缘彬州-黄陵坳褶带，太峪背斜以北。前期勘查表明，彬长矿区含煤岩系主要为曲流河沉积，岩性岩相在横向和纵向上变化很大，煤层顶板组合形式复杂，整体稳定性较差，容易诱发冲击地压、顶板离层等多种矿井灾害。

1 地质概况

1.1 矿井地质

彬长矿区位于黄陇侏罗纪煤田的西部，大地构造位置上处于鄂尔多斯盆地西南缘，渭北挠折带北缘，西部褶皱冲断带东侧，形成于盆地发展的中期［10］。矿区地质构造相对简单，总体为一向北西缓倾的单斜构造，其上发育一系列短轴背斜与宽缓向斜，构造线方向为NE-NEE（图1），地层倾角一般小于10°，断裂构造不发育。孟村煤矿位于彬长矿区中西部，井田内地层由老至新依次有上三叠统胡家村组（T3h）；下侏罗统富县组（J1f）；中侏罗统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）；下白垩统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、环河组（K1h）；新近系（N）及第四系更新统（Qp）、全新统（Qh）。孟村井田延安组仅发育一段和二段，平均总厚55.59m，全井田仅一层可采煤层，即4 号煤层，4 煤形成于长期发育的泥炭沼泽中，为巨厚煤层。延安组二段以河沼相为主，河床相、河漫相交替出现，形成了该段以细-中粗粒砂岩为主要特点的碎屑岩沉积，零星分布的薄煤层形成于短暂而不稳定的泥炭沼泽相，编号为4上煤，位于该段中上部，分布于井田中部偏西，为不可采煤层。直罗组顶部为紫杂色及灰绿色泥岩夹砂岩，含黄铁矿结核，下部为灰绿色-灰白色砂岩夹灰绿色砂质泥岩，底部为含砾粗粒砂岩-细粒砂岩。安定组岩性为棕红色、紫红色砂质泥岩，夹薄层紫灰色、灰绿色中-粗粒砂岩，安定组以干旱气候平原洪积相沉积为主。

井田北以七里铺-西坡背斜为界，南部董家庄背斜东部倾没端伸入井田内部，二者之间构成区内的孟村向斜发育次一级的褶曲，由南至北依次为塬口子向斜、谢家咀背斜、礼村向斜（图1），断层不发育。目前分别在中央胶带大巷、401 盘区巷道、401101 措施巷、401101 运输巷揭露到同一条正断层（F1），为三维地震勘探在中央胶带大巷解译的DF29断层向401 盘区的延伸部分，断距为15～38m，走向NE，倾向SE，倾角60°～65°。矿井地应力场以水平构造应力为主，主应力大小及方向与褶曲构造分布的相关性明显，测点最大水平主应力（σH）约为垂直主应力（σV）的1.66～2.10倍，最大水平主应力（σH）与最小水平主应力（σh）的比值介于1.43～1.62，最大水平主应力方位角集中在145°～171°，对东西向巷道顶、底板的影响显著。

1.2 矿井冲击地压特征

孟村煤矿主采4 号煤层，煤层厚度平均为20m，埋深700m，煤层顶板含多层砂岩，直接底板为铝土质泥岩。经鉴定煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性［11］。矿井建设生产过程中动力显现频次、强度日益增大，以发生在掘进工作面附近为主，主要表现为煤炮，声响巨大，底鼓，迎头煤壁片帮严重，巷道成型差，支护施工困难等（表1）。研究表明［12］，此前煤矿中央大巷发生的冲击地压显现与断层、褶曲、埋深等因素共同提供了高应力基础环境，加之动载荷对煤柱静载荷扰动，从而诱发冲击地压启动［12］（图2）。

表1 孟村煤矿冲击地压显现情况Table 1 Rock burst appearance in Mengcun coal mine

图2 中央大巷及冲击地压显现位置（平面）［12］Figure 2 Location of central main lane and impact ground pressure appearance（plan）

针对冲击地压灾害，煤矿采用地面L 型水平井分段压裂技术，对上覆高位关键层进行区域水力致裂弱化坚硬厚层顶板，之后对压裂盲区采用“三位一体”卸压措施：一是对上覆中位关键层采取定向长钻孔水力压裂进行坚硬厚层顶板弱化；二是对上覆低位关键层采取了顶板预裂爆破；三是对煤层采取了大直径钻孔和爆破相结合的钻爆卸压措施，对煤层静载荷进行强力卸压。通过采取以上卸压措施，工作面微震事件的能量和频次均呈明显下降趋势，直至工作面完全通过“盲区”。

2 工作面煤层顶板结构探查

2.1 工程布置原则

本次工作面顶板钻孔探查工程布置主要遵循井上、下相结合，从已知到未知，由点到线，由线成面和地质“三边”工作原则，除此之外，也遵循了钻孔“一孔多用”原则，顶板覆岩结构探查孔同时也发挥了其顶板探放水孔的作用。在首先充分利用工作面及周边邻近的地质勘查钻孔资料和煤矿井巷揭露资料，在充分研究工作面顶板地质条件的基础上开展钻孔工程布置工作。其次，分批次施工钻孔，首先以相对稀疏的钻孔进行总体控制，大致了解工作面顶板覆岩结构变化并进行剖面对比；在剖面对比的基础上开展工作面沉积微相研究，分析工作面尺度顶板沉积微相及岩相组合变化；得出初步结论后岩相变化较大的区域进一步施工钻孔进行精细控制。

2.2 工程部署方案

本次工作面顶板覆岩结构探查工作在利用前期井下探放水钻孔进行钻孔电视测井基础上新布置井下顶板覆岩探查钻孔，工作方法包括钻探（部分取心编录）、钻孔电视测井、岩石薄片、岩石力学性质和岩石粒度采样测试分析等。以401103 工作面为研究对象，工作面走向长度约1 860m，宽度约190m。设计在401103 工作面回风顺槽布置钻孔7个，间距为200m，运输顺槽布置钻孔6 个，钻孔间距300m。钻孔平面布置见图3。

图3 401103工作面钻孔位置平面示意图Figure 3 Schematic diagram of drilling position for 401103 mining face

本次设计的钻孔均以揭露工作面顶板100m 范围内的岩层为目的，为保证达到设计目的，钻孔设计深度不小于110m，为实现工作面范围内钻孔揭露点均匀分布，运输顺槽钻孔方位角180°，回风顺槽开孔方位角0°，仰角不小于80°，钻孔取心率不低于80%。钻孔揭露顶板后每个分层采取岩石力学样1组，采取延安组、直罗组、安定组各粒级砂岩粒度统计分析样和岩石薄片鉴定样。

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3 顶板覆岩结构及岩石力学特征

3.1 宏观结构特征

根据本次13个顶板覆岩结构探查孔钻孔信息，结合前期探煤孔和探放水孔钻孔资料，401103 工作面4煤层顶板100m 范围内依据岩性（相）变化（沉积旋回）、测井岩石物性曲线信息和标志层等可划分出5层主要砂体（图4、图5）。砂体主要组成岩性为中、粗粒长石石英砂岩或岩屑石英砂岩，局部相变为细粒砂岩、粉砂岩，且砂岩普遍发育平行层理或波状层理。S1 砂体位于延安组二段底部，砂体连续分布；S2 砂体位于延安组二段顶部，总体厚度变化较小，呈现出工作面西部和中部较厚，东部相对较薄；S3砂体位于直罗组底部，砂体连续性较好，厚度总体变化较小；S4 砂体位于直罗组中部，工作面中部和东部较厚，西部和中东部相对较薄，厚度变化较大；S5砂体位于安定组底部，总体厚度变化较大。测井物性曲线表明，粗粒砂岩的自然伽马值较低，曲线变化较为平稳，呈锯齿状波动，视电阻率曲线同样呈锯齿状；中粒砂岩的自然伽马曲线变化幅度较大，自然伽马值相对较高，视电阻率具有明显异常。中-粗粒砂岩的自然伽马曲线呈明显的较低异常，曲线呈锯齿状，视电阻率曲线较平稳，无明显异常，局部出现弱异常（图4）。

图4 401103工作面顶板覆岩主要砂体发育特征图Figure 4 Development characteristics of main sand bodies in the roof overburden of mining face 401103

图5 工作面煤层顶板5层砂体展布剖面图Figure 5 Profile of 5 sand bodies distribution in the top of coal seam mining face

综合对比5 层砂体，S3 和S4 砂体的平均厚度最大，分别为7.58m 和6.79m，其次为S1（6.42m）和S5（6.31m），S2 砂体的平均厚度相对最小，为5.65m。工作面煤层和主要砂体空间展布三维图显示（图6），各砂体的厚度变化规律不一致，但总体表现为工作面中部或中南部较厚，其余部位则相对较薄，砂体连续性较好。空间展布总体表现出延安组S1和S2 砂体底板变化较一致，直罗组S3 和S4 砂体底板起伏较为一致，工作面西南部砂体底板相对较高，并向西北部和东北部逐渐降低。

图6 401103工作面煤层及顶板5层砂体三维空间立体图Figure 6 3D spatial stereogram of coal seam and 5 top sand bodies in 401103 mining face

5 层主要砂体之间普遍发育泥岩或砂质泥岩（图4、图5），局部发育细粒砂岩，成为上下两层坚硬砂体之间的软质岩体，坚硬砂体和软质岩体的接触界面是煤层顶板的不稳定部位，易诱发多种煤矿安全生产事故，应予以足够重视。

3.2 微观结构特征

3.2.1 岩石成分分析

S1砂体岩性主要为灰白色中-粗粒砂岩，局部相变为细粒砂岩，发育平行或波状层理，含炭屑和镜煤条带，局部含植物叶片化石和黄铁矿结核（图7a-e）；细粒砂岩中矿物和岩屑约占90%，基质约占10%，硅质或钙质胶结，以硅质为主，颗粒形态多为次棱角状、棱角状，磨圆度偏差，分选性好（图7f）；中-粗粒砂岩主要由矿物、岩屑（约90%）和胶结物（约10%）组成，颗粒形态多为次棱角状，极少次圆状，磨圆度中等，分选性中等，胶结物主要为硅质和少量钙质。S2砂体岩性主要为灰-灰白色厚层-巨厚层状中、粗粒砂岩，局部相变为细粒砂岩或粉砂岩，偶含植物化石；粉砂岩主要由细砂、粉砂和硅质胶结物组成，其中细砂、粉砂（约85%）形态多为次棱角状、棱角状，磨圆度较差，岩石为硅质胶结，呈粉砂状结构；含砾粗砂岩主要由砾、砂、硅质或钙质胶结物组成，细砾及砂多为次棱角状，少次圆状，磨圆度中等偏好，分选性中等，岩石基质胶结物主要为硅质和钙质，以前者为主，呈粗粒砂状结构（图7g）。S3 砂体岩性主要为灰-灰绿色厚层状含砾粗砂岩或中-粗粒砂岩（图7h），主要由矿物颗粒、岩屑（约90%）和胶结物（约10%）组成，成分成熟度中等，碎屑颗粒形态多为次棱角状，极少次圆状，磨圆度中等，分选性中等，胶结物主要为硅质，含少量钙质成分。S4 砂体岩性为浅灰黑-灰白色厚层-巨厚层状中、粗粒砂岩，砂岩上部可见2-3cm 砾石（图7i），局部相变为细粒砂岩；中、粗粒砂岩碎屑颗粒形态多为次棱角状，少为次圆状、棱角状，磨圆度中等偏差，粒度大者达1.60mm，分选性中等，胶结物主要为硅质、泥质和钙质，颗粒支撑，孔隙式胶结。S5 砂体岩性主要为一套灰白色-灰绿色厚层-巨厚层粗-细-粗粒砂岩组合，发育平行层理，粗粒砂岩中可见砾石，含砾粗砂岩中矿物及碎屑形态多为次棱角状，极少为次圆状，磨圆度中等，分选性中等，胶结物主要为硅质、泥质，含少量钙质，孔隙式胶结，颗粒支撑，岩石呈粗粒砂状结构。

图7 煤层顶板砂体宏微观照片Figure 7 Macro and micro photos of coal seam roof sand bodies

3.2.2 岩石粒度分析

粒度是碎屑岩最基本和最主要的结构特征，碎屑颗粒的粒度决定了岩石的类型，碎屑岩的粒度分布是衡量搬运介质的度量尺度和判别沉积环境及水动力条件的良好标志之一，因此利用碎屑岩的粒度分布可反映最原始的沉积状况［13-15］。本次采集工作面顶板100m 范围内主要砂体样品进行砂岩粒度分析。基于显微镜成像技术和计算机二维图测量技术，采用岩石薄片粒度图像分析法进行粒径测量，除个别粗粒砂岩样品统计颗粒数量较少，其余样品统计颗粒数量均在500个以上。然后对颗粒进行筛析校正及杂基校正，最终得出颗粒粒径及相应含量，分别以图解法和矩法计算得出相应的粒度参数（表2）。S1 砂体样品粒径分布不均一，且跨度较大，大部分砂岩粒度分选呈中等-较差，除2 个样品为负偏（-0.05和-0.04）外，其余均为正偏度，表明其沉积以较粗物质为主，且留有一个细物质的尾部，此在河流沉积中多见，平均水动力条件动荡。S2 砂体以中、细粒砂为主，平均粒径分布不均一，大部分砂岩粒度分选中等—较好，其沉积以较粗物质为主，表明其平均水动力发生了较大的变化。S3、S4和S5 砂体均以中、粗粒砂为主，砂岩粒度分选中等—较差，其沉积以较粗物质为主，反映水动力环境较强。

表2 工作面煤层顶板砂体粒度分析参数Table 2 Parameter for particle size analysis of coal seam roof sand body in working face

延安组二段S1 和S2 砂体粒度分布频率曲线类型基本均为双峰态和多峰态，砂体概率累积曲线呈滚动-跳跃-悬浮三段式、跳跃-悬浮两段式和悬浮一段式，表明延安组二段形成于水体复杂的环境，水动力条件有弱有强，多属河流相沉积，砂体具多物源属性（图8a—d）。直罗组S3 和S4 砂体粒度分布频率曲线基本均为双峰态和多峰态，主要碎屑组分以中、粗粒居多，砂体概率累积曲线特征主要表现为滚动-跳跃-悬浮三段式和跳跃-悬浮两段式，表明直罗组砂体具多物源属性，形成于水体复杂的环境，水动力条件较强，多属河流相沉积（图8e—h）。安定组底部S5 砂体粒度分布频率曲线基本均为双峰态和多峰态，砂体上部砂岩层曲线特征主要表现为悬浮一段式、跳跃-悬浮两段式和滚动-跳跃-悬浮三段式，同样表明安定组砂体具多物源属性，形成于水体复杂的环境，水动力环境有弱有强（图8i，j）。

图8 顶板砂体频率分布曲线和概率累积曲线Figure 8 Frequency distribution curve and probability accumulation curve of roof sand bodies

3.3 顶板岩层力学特征

本次进行工作面顶板主要砂体岩石物理力学测试的样品在平面和纵向上分布较均匀，取样深度（从顶板孔孔口处起）介于12.00～117.80m，自下而上，共采集16 组共93 件岩石样品，测试结果见表3。对工作面顶板100m 范围内各主要砂体（砂岩层）饱和抗压强度进行对比分析（表3、图5、图9），S1 砂体、S4砂体和S5砂体厚层-巨厚层状中、粗粒砂岩具有较大的饱和抗压强度，一般均大于15MPa，平均为20.00MPa，最大为29.98MPa；S2 砂体和S3 砂体的整体饱和抗压强度相对较小，基本都小于15MPa，平均为11.29MPa，最小为5.62MPa，最大仅为15.67MPa。

表3 工作面顶板砂岩岩石力学性质主要参数分布Table 3 Distribution of main parameters of rock mechanic properties of roof sandstone of mining face

图9 工作面顶板砂体饱和抗压强度对比Figure 9 Comparison of saturated compressive strength of top sand bodies above mining face

工作面顶板砂体的饱和抗压强度与抗拉强度呈明显的正相关关系（图10a），且饱和抗压强度是抗拉强度的1.5～5 倍，这是因为在压缩条件下，裂缝扩展受阻的机会比在拉伸条件下大很多，决定抗拉强度的因素主要是岩石颗粒间的凝聚力和摩擦力，在拉张条件下，样品中裂隙扩展速率比压缩时快，因为在拉应力场中，储存能释放速率随裂隙尺寸微量增加而迅速增大。饱和抗压强度与孔隙率和吸水率呈负相关关系（图10b，c），工作面顶板砂岩的弹性模量与饱和抗压强度呈正相关关系，与泊松比呈负相关关系，且相关性较好（图10d，e）。反映了岩石压缩条件下能够承受最大应力值随着岩石的承载能力的增加而呈线性增加，岩石的承载能力随着岩层的膨胀变形能力增大而减小。S1、S4和S5砂体的弹性模量相对S2 和S3 砂体更大，而同一砂体内细粒砂岩的弹性模量相对中、粗粒砂岩更大。凝聚力与内摩擦角是抗剪强度的指标，凝聚力与饱和抗压强度具有明显的正相关关系（图10f），各砂体内不同粒级砂岩的凝聚力变化与饱和抗压强度变化具有相似的规律，即S1 砂体、S4 砂体和S5 砂体整体具有相对较大的凝聚力，平均为4.11，最大为5.26，S2 砂体和S3 砂体的整体凝聚力相对较小，平均为2.45，最小为1.93，最大为3.03。工作面煤层顶板内各粒级砂岩的内摩擦角变化不明显，主要集中在32.77°～37.38°，平均为35.30°，反映砂岩中颗粒移动需要克服的滑动摩擦和颗粒之间的嵌入与咬合产生的咬合摩擦程度相差不大，因而影响抗剪强度差异的主要因素是砂岩的凝聚力。

图10 工作面顶板砂体岩石力学参数特征Figure 10 Rock mechanic parameter characteristics of roof sand bodies

4 顶板沉积环境分析

4.1 顶板沉积特征与岩石力学关系

弗里德曼研究了取自世界各地的有代表性的砂样，他用矩法标准偏差和矩法偏度所做的散点图能够很好地把河流砂和海滩砂-湖滩砂区别开来［15］。河流砂多为正偏度，且标准偏差较大，显示分选性较差。本次对工作面顶板5层砂体样品进行投点，显示所有样品均位于河流砂一侧（图11a），综合前文粒度分析结果，工作面顶板5 层砂体沉积环境应为河流相。C-M图解是表示沉积物结构和沉积作用关系的集合图解，可与其他要素共同判别沉积环境［16］，依据工作面顶板5 层砂体样品C值和M值绘制了C-M图件（图11b），所有样品C值最大为2 370，最小值为80，平均值为666.02，样品最大M值为2 020，最小值为30，平均值为335.28。砂体基本落在帕塞加的典型牵引流C-M图中的OP、PQ 和RS段，OP 段以滚动搬运为主，滚动组分与悬浮组分相混合；PQ 段仍以悬浮搬运为主，但含有少量滚动搬运组分；RS 段为均匀悬浮，是粒径和密度不随深度变化的完全悬浮。表明工作面顶板砂体样品的形成主要受牵引流沉积作用控制，均具有河流相沉积特点。

图11 弗里德曼散点图和C-M图Figure 11 Friedman scatter plot and C-M plot

对于鄂尔多斯盆地南部下—中侏罗统延安组和直罗组的沉积环境，前人已做过大量研究［17-19］。延安组主要发育河湖三角洲沉积体系，其演化过程分为早期的河流沉积-中期的河湖三角洲沉积-晚期的河流回春三个不同的演化阶段。直罗组沉积厚度大，整体表现出低位体系域的特点，主要以河流体系为主，直罗早期以辫状河沉积为主，晚期转化为曲流河，并伴之有心滩、边滩、天然堤、决口扇等微沉积环境。本次通过砂岩岩矿、沉积构造标志及粒度分析等综合研究，确定了孟村煤矿401103 工作面顶板上覆延安组二段、直罗组和安定组底部均为河流相沉积环境，并进一步可划分出河流边滩相、天然堤相、河床滞留相等沉积微环境（图12）。

图12 工作面运输顺槽沉积断面图Figure 12 Cross section of sedimentation along the transportation of down trough of the mining face

延安组二段地层中，S1 砂体内天然堤相细粒砂岩的饱和抗压强度相对最大，随着岩石粒径的逐渐增大，饱和抗压强度有减小的趋势，河流边滩相中、粗粒砂岩的饱和抗压强度相对降低，这是由于中、粗粒砂岩多为泥质胶结，且岩石组成中硅质成分（石英）含量相对较低，导致其抵抗变形的能力相对较差。S2 砂体内边滩相含砾粗砂岩的饱和抗压强度相对较小，这与岩石的孔隙率和吸水率具有密切关系，岩石的孔隙率和吸水率增大，其抵抗变形的能力就变差，饱和抗压强度也随之降低。

直罗组不同粒级砂岩的饱和抗压强度同样表现出随粒径和孔隙率的逐渐增大，其饱和抗压强度逐渐降低，直罗组底部边滩相含砾粗砂岩（S3 砂体）岩石力学强度相对最低。分析对比安定组边滩相和河床滞留相中粗粒砂岩和粗粒砂岩的饱和抗压强度和孔隙率数据，发现同样存在随岩石孔隙率的逐渐增大，抗压强度逐渐变小的规律。综上，同一砂体内各粒级砂岩整体表现出随着组成岩石的矿物粒径的逐渐增大，岩石的孔隙率和吸水率逐渐增大，而水对岩石力学性质具有重要的影响，在干燥或较少含水量情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，应力-应变曲线具有明显的应变软化特性，随着含水量的增加，岩石饱和单轴抗压强度和弹性模量值均急剧降低，主要表现为塑性破坏，且应变软化特性不明显［20］，由此导致岩石抵抗外界变形的能力变差。形成于不同的沉积环境（处于不同区域）的同一粒级的砂岩，也会表现出不一致的岩石物理力学特征（表4），这是由于其矿物组成（较高石英含量导致岩石力学强度增大）、胶结物类型（岩石硅质胶结物含量较高导致其力学强度增大）和结构（颗粒支撑一般强于杂基支撑）构造等因素的差异所致［21］。

表4 不同砂体岩石饱和抗压强度Table 4 Saturated compressive strength of different sand body rocks

4.2 沉积环境与冲击地压的关系

鄂尔多斯盆地是一个经历了多期构造和沉积演化旋回的叠合盆地，盆地内构造简单，地层平缓。主要的构造形式有隆起、坳陷及宽缓褶皱等。晚古生代以来经历了三期主要的构造运动：印支运动（T）以近水平和南北向（179°～359°）的最大主压应力轴（σ1）为基本特征；燕山运动（J2）发育近水平最大主应力，应力方向为130°～310°；喜马拉雅运动（新近纪中新世—早更新世）最大主压应力轴呈NNESSW 方向［22］。黄陇侏罗纪煤田部分矿井地应力场为构造应力主导型，大部分区域属于高或超高应力场，各矿井均有一些巷道与最大水平主应力的夹角较大，这些巷道在最大水平应力作用下，顶底板岩层会发生剪切破坏，出现松动与错动，导致岩层膨胀、变形，进而导致巷道冲击危险性升高［8］。而在煤岩层褶曲构造的向斜和背斜轴部区域应力水平一般较高，更易于引起以巷道顶、底板受到显著破坏为主的矿压显现或冲击地压，该规律在掘进巷道表现尤为突出。多期应力场作用形成的断层、褶曲、以及主采煤层埋深等因素提供了高应力基础环境，造成彬长矿区煤柱静载荷高度集中的重要原因之一是上覆厚硬顶板长梁式悬臂与下沉，并且随时间变化不断加剧，直至断裂产生了诱发冲击的动载荷。针对该类冲击地压防治，应对煤层上覆厚层硬顶板进行人为致裂，使其长梁变短梁，大块变小块，从而不再具备悬臂功能，也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递［23-24］。

孟村煤矿401103 工作面顶板100m 范围内5 层主要砂体之间普遍发育泥岩或砂质泥岩，成为上下两层坚硬砂体之间的软质岩体，坚硬砂体和软质岩体的接触界面是煤层顶板的不稳定部位，砂泥互层形成的顶板层面之间的联接力较差，采掘过程中沿层面容易剥离。由于工作面尺度也存在沉积微相的纵向和横向变化，使得煤层上覆5 层砂体在空间上的展布并不稳定，表现为各层砂体厚度和顶底板的不断变化，且变化规律也不一致，但顶板砂体整体厚度较大，导致其整体活动时释放的弹性能总量具有致灾性，特别是工作面中部和中南部区域，顶板砂体整体偏厚。空间展布总体表现出延安组S1和S2 砂体底板变化较一致，直罗组S3 和S4 砂体底板起伏较为一致，工作面西南部砂体底板相对较高，并向西北部和东北部逐渐降低。S1、S4 和S5 砂体的强度高、厚度大，其破断将对后期回采工作面的矿压显现起到控制作用。参照401101 首采工作面冒采比，401103 工作面最大冒落带高度预计为55.25～72.25m，最大冒落带高度基本可波及至S5 砂体底板，由于S1、S4 和S5 砂体厚度较大、强度较高且顶底板起伏较大，部分地段煤层顶板砂体将难以冒落。结合本次顶板覆岩探查成果，401101 工作面微震事件的能量集中层位应为安定组底部S5砂体。针对冲击地压灾害，煤矿采用地面L 型水平井分段压裂技术，对上覆高位关键层--安定组底部S5 砂体，进行区域水力致裂弱化，压裂影响范围大致为煤层顶板以上40～100m，所以S4 砂体也在压裂影响范围内。通过采取以上卸压措施，工作面微震事件的频次和能量均呈明显下降趋势，表明上覆厚层砂岩得到有效预裂，覆岩载荷分布趋于均匀，达到预期效果，有效防止了矿井冲击地压的发生。

5 结论

1）采用地质钻探、钻孔窥视，剖面、平面沉积旋回法、层序地层对比与划分法将孟村煤矿401103工作面顶板100m 内的覆岩结构进行了精细探查，对比划分出5 层连续展布可以追踪和对比的砂体，工作面沉积微相是控制各层砂体厚度和底板标高的主要因素。

2）401103 工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为曲流河沉积，发育有天然堤、河漫滩、边滩等沉积亚相及其相应的微相。各沉积环境中天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大，随着岩石粒径的逐渐增大，边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高，硅质胶结物含量增高，颗粒支撑结构等因素而增大。

3）根据探查结果结合微震监测确定S5 砂体是矿井冲击地压致灾的关键层，精细的刻画了该关键层的空间展布特征及其岩石力学参数特征，煤矿应针对该层位进行区域压裂改造。

4）井田现今构造应力静载荷和顶板坚硬厚层砂岩在采动条件下周期性破断所产生的动载荷协同作用是矿井冲击地压灾害的主要动力之源。孟村煤矿采用地面水平井分段水力压裂技术对坚硬厚层砂体进行区域先行的超前压裂改造，有效降低矿井冲击地压灾害的发生。

5）采用该方法实现了对煤层顶板的精细刻画并采用三维地质建模技术实现了对煤层顶板致灾关键层的透明化，为矿区内顶板、冲击地压、瓦斯、水害等灾害精准防治提供靶区，为煤矿的安全、高效、绿色、智能化开采提供地质保障技术。