新疆淺埋煤層沖擊地壓影響因素分析*

金士魁，婁 芳，賈永勇，王 震，馮俊文

(1.新疆煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆兵團(tuán)煤礦安全監(jiān)察局，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著礦井機(jī)械化開(kāi)采水平的提高，開(kāi)采深度也逐漸加大，礦井發(fā)生沖擊地壓事故的頻率也愈加突出。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，開(kāi)采深度越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。據(jù)波蘭資料，當(dāng)開(kāi)采煤層埋深小于350 m時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生沖擊地壓；埋深在350～500 m時(shí)，沖擊地壓的危險(xiǎn)逐步增加，當(dāng)埋深大于500 m后，沖擊地壓的危險(xiǎn)性隨著開(kāi)采深度的增加急劇增長(zhǎng)；當(dāng)埋深800 m時(shí)，其沖擊指數(shù)比在500 m時(shí)增加了14倍[1-2]。

新疆礦區(qū)開(kāi)采煤層地質(zhì)條件差異大，淺埋煤層發(fā)生沖擊地壓事故的頻率也在增大。新疆淺埋煤層發(fā)生沖擊地壓事故的規(guī)模程度跟自然因素、開(kāi)采技術(shù)條件及管理等因素有關(guān)。目前，在新疆發(fā)生沖擊地壓事故的礦井主要分布在烏魯木齊米東區(qū)、呼圖壁縣、硫磺溝等地[3]；沖擊地壓發(fā)生的特點(diǎn)有：突發(fā)性、多樣性、破壞性和復(fù)雜性[4]；分析新疆煤礦沖擊地壓事故影響因素，對(duì)新疆礦井沖擊地壓事故的預(yù)防有一定的指導(dǎo)意義。

1 沖擊地壓影響因素

沖擊地壓誘發(fā)因素較多，一般可以分為自然因素、技術(shù)因素、組織管理因素[5]，如圖1所示。

圖1 沖擊地壓影響因素

1.1 自然因素

影響沖擊地壓自然因素中最基本的因素是原巖應(yīng)力，主要巖體的重力和構(gòu)造殘余應(yīng)力。工作面圍巖的應(yīng)力主要由開(kāi)采深度決定，而構(gòu)造殘余應(yīng)力主要出現(xiàn)在皺曲和斷層附近。煤巖的沖擊傾向性和巖層結(jié)構(gòu)也是沖擊危險(xiǎn)的主要因素。一般情況下，煤巖的沖擊傾向性越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。煤的強(qiáng)度越大，彈性越好，沖擊傾向性就越高；頂板巖層越堅(jiān)硬，在開(kāi)采活動(dòng)中越容易誘發(fā)沖擊地壓。

1.2 技術(shù)因素

技術(shù)因素主要是開(kāi)采過(guò)程中引起的應(yīng)力集中和礦山壓力現(xiàn)象等。在開(kāi)采過(guò)程中，煤層開(kāi)采的設(shè)計(jì)、方法、方式對(duì)礦井沖擊地壓有很大的影響。如果開(kāi)采設(shè)計(jì)、方法不合理，在開(kāi)采過(guò)程中很容易造成應(yīng)力集中；如果開(kāi)采強(qiáng)度過(guò)大、煤柱留設(shè)不合理、頂板管理不科學(xué)等也會(huì)誘發(fā)沖擊地壓。

1.3 組織管理因素

組織管理因素主要體現(xiàn)在管理制度的不到位、防治理念的落后、設(shè)備措施的缺乏、人員的違規(guī)操作以及人員對(duì)沖擊地壓的理論知識(shí)的匱乏。組織管理因素對(duì)沖擊地壓的發(fā)生也起一定作用，組織管理不到位，使沖擊地壓的危害程度大幅提高。

2 新疆淺埋煤層沖擊地壓因素分析

2.1 堅(jiān)硬頂板

煤層開(kāi)采中，堅(jiān)硬頂板造成的沖擊危害比軟巖更加嚴(yán)重。堅(jiān)硬頂板的巖石強(qiáng)度和彈性模量高、厚度大、整體性強(qiáng)，其承載能力也大。開(kāi)采堅(jiān)硬煤層頂板時(shí)，其上覆巖層與關(guān)鍵層形成一個(gè)整體，開(kāi)采之后頂板不易垮落，造成大面積懸頂、礦壓步距增大和礦壓顯現(xiàn)劇烈。因頂板懸頂垮落，頂板積蓄了大量能量，如果突然垮落，會(huì)造成嚴(yán)重的沖擊地壓事故。根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)生沖擊地壓事故數(shù)據(jù)來(lái)看，沖擊地壓時(shí)常發(fā)生在堅(jiān)硬頂板的條件下。

新疆托克遜雨田煤業(yè)屬于克布爾堿礦區(qū)，開(kāi)采工作面埋深為130 m左右，其開(kāi)采煤層屬于堅(jiān)硬煤層、堅(jiān)硬頂板；其頂板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)了120 MPa，巖層的厚度大、整體性好。工作面選用走向長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，開(kāi)采過(guò)后頂板懸空，不能自然冒落。2014年10月30日，托克遜雨田煤礦煤層工作面在推進(jìn)過(guò)程中，頂板釋放了大量的能量，引發(fā)了沖擊地壓事故。

2.2 煤巖具有沖擊傾向性

沖擊傾向性理論最早是由波蘭學(xué)者和前蘇聯(lián)學(xué)者提出的[6]，我國(guó)一般采用彈性能指數(shù)、沖擊能指數(shù)和動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間這3個(gè)指標(biāo)作為煤層的沖擊傾向性指標(biāo)。煤的沖擊傾向性是評(píng)價(jià)煤層沖擊危險(xiǎn)的特征參數(shù)之一。頂板巖層的沖擊傾向性是指巖層積蓄變形能并發(fā)生沖擊式破壞的性質(zhì)，一般用彎曲能指標(biāo)進(jìn)行分類。巖層的彎曲能指標(biāo)跟巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、變性參數(shù)、彈性模量等有關(guān)，一般煤巖的強(qiáng)度越高，引發(fā)沖擊地壓所要求的應(yīng)力越小，引發(fā)沖擊地壓事故的可能性就越大。

寬溝煤礦位于新疆呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)，開(kāi)采煤層埋深370 m左右，2010年10月8日，寬溝煤礦W1143綜采工作面發(fā)生沖擊地壓事故，W1143工作面頂板主要以粗砂巖、粉砂巖為主，W1143工作面煤層及頂板均具有沖擊傾向性；沖擊傾向性越強(qiáng)，發(fā)生沖擊地壓的可能性就越大。

2.3 構(gòu)造應(yīng)力

地質(zhì)構(gòu)造影響因素有斷層、褶曲等。斷裂構(gòu)造的存在，破壞了頂板的連續(xù)性，失去傳遞力的作用。當(dāng)工作面接近斷層時(shí)，斷層會(huì)影響到工作面超前支承壓力分布范圍、分布形式和應(yīng)力峰值。并且斷層傾向與工作面推進(jìn)方向的不同，斷層對(duì)支承壓力的影響程度不同。

硫磺溝煤礦位于新疆昌吉硫磺溝鎮(zhèn)，礦井開(kāi)采深度360 m左右，2013年1月30日掘進(jìn)工作面在前移前探梁放炮時(shí)，誘發(fā)沖擊地壓事故。硫磺溝煤礦井田位于天山北強(qiáng)地震帶上，地震活動(dòng)強(qiáng)度大、頻率高。掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)期間共揭露了9條逆斷層，落差0.9～8.8 m，礦井煤巖受地質(zhì)構(gòu)造影響，存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力誘發(fā)的本次沖擊地壓事故，是本次事故的主要原因。

2.4 開(kāi)采地質(zhì)條件—急傾斜煤層

急傾斜煤層一般在地質(zhì)構(gòu)造、礦壓規(guī)律都比較復(fù)雜，開(kāi)采急傾斜煤層后，上覆巖層垂直應(yīng)力的作用對(duì)煤層及頂板的加載尤為明顯[7]，開(kāi)采之后上部煤層和巖層沿煤層傾角向下滑移錯(cuò)動(dòng)，所以工作面頂板對(duì)巷道圍巖的應(yīng)力更加明顯。

烏東煤礦地屬新疆烏魯木齊市米東區(qū)，平均開(kāi)采深度200 m左右，自2011年至今，烏東煤礦發(fā)生了數(shù)次沖擊地壓事故。烏東煤礦開(kāi)采煤層屬于急傾斜特厚煤層，煤層傾角為83°～89°，急傾斜煤層在開(kāi)采過(guò)程中，頂?shù)装鍛?yīng)力差異化大，主應(yīng)力對(duì)工作面煤層的影響較大，容易造成沖擊地壓事故。

2.5 頂板管理

頂板管理方式對(duì)沖擊地壓有較大影響。工作面開(kāi)采之后，頂板垮落與否直接關(guān)系到煤巖體中能量的積蓄與傳遞釋放，并且隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力與能量形成一個(gè)動(dòng)態(tài)增加狀態(tài)。如果頂板不及時(shí)處理，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊地壓危險(xiǎn)性。新疆大部分煤礦采用全部垮落法管理頂板，如果煤層頂板厚而堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，懸頂而不能及時(shí)垮冒，可能發(fā)生沖擊地壓。屬于堅(jiān)硬頂板，不易冒落的工作面，其沖擊地壓危險(xiǎn)程度較高，當(dāng)堅(jiān)硬頂板處理方式不當(dāng)時(shí)，很容易誘發(fā)沖擊地壓事故。

鐵廠溝煤礦位于新疆烏魯木齊八道灣向斜北翼，煤層埋深為155 m。其43號(hào)煤層綜采放頂煤工作面于2011年3月24日發(fā)生煤層沖擊地壓事故，工作面煤層單軸抗壓強(qiáng)度為19.7 MPa，造成此次沖擊地壓事故的直接原因是工作面采高達(dá)到了25 m，而工作面在推進(jìn)過(guò)程中，基本頂未發(fā)生斷裂，頂板未垮落，造成大面積懸頂，所以頂板積蓄大量的壓力作用在煤體上，誘發(fā)了43號(hào)煤層沖擊地壓事故。

2.6 煤柱管理

因相鄰工作面和上部煤層的開(kāi)采，煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地點(diǎn)之一。因而在煤柱附近易發(fā)生沖擊地壓。煤柱上的集中應(yīng)力不僅對(duì)本煤層開(kāi)采有影響，還向下傳遞，對(duì)下部煤層形成沖擊條件。上覆煤層工作面的停采線和煤柱形成的應(yīng)力集中對(duì)下部煤層造成了很大的影響，使沖擊地壓的危險(xiǎn)性有很大程度的增加。

2013年1月9日寬溝煤礦E1148掘進(jìn)工作面發(fā)生2次礦震事故，據(jù)了解，E1148工作面前20 m為E1142工作面采空區(qū)，E1148掘進(jìn)工作面在推進(jìn)過(guò)程中，因應(yīng)力擾動(dòng)的影響對(duì)煤柱形成了高應(yīng)力的疊加區(qū)域，因?yàn)閼?yīng)力集中容易誘發(fā)沖擊地壓。

3 結(jié)論

(1)在地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件下，任何工作面的煤層或巖層均有可能發(fā)生沖擊地壓事故，淺埋煤層也可能發(fā)生沖擊地壓事故。

(2)煤的強(qiáng)度越高，引發(fā)沖擊地壓災(zāi)害所要求的應(yīng)力越小，即煤的強(qiáng)度越高，因外界的因素，誘發(fā)沖擊地壓的條件就越低；煤巖具有沖擊傾向性是發(fā)生沖擊地壓事故的必要條件，煤巖具有的沖擊傾向性越大，發(fā)生沖擊地壓事故的可能性就越大。

(3)開(kāi)采地質(zhì)條件對(duì)誘發(fā)沖擊地壓的條件有影響，復(fù)雜的地質(zhì)條件和開(kāi)采急傾斜煤層誘發(fā)沖擊地壓事故的條件更低。

(4)頂板管理、煤柱管理與組織管理因素有關(guān)，加強(qiáng)礦井的安全管理，避免違規(guī)、違章作業(yè)可以降低煤礦發(fā)生沖擊地壓事故的概率。