彬长矿区冲击地压煤矿区域防冲措施调研分析

简军峰，付田田

(1.陕西省能源局，陕西 西安 710016；2.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

陕西的冲击地压最早发生于2013年1月，胡家河煤矿402盘区掘进工作面首次出现强烈动力现象、严重漏顶、底鼓、甚至设备移位等，当时将其定义为“强矿压”[1-2]。随着彬长矿区深部矿井的陆续建设，其它煤矿也相继发生了类似的动力现象，如2014年高家堡煤矿在掘进一盘区3条大巷时也多次发生类似现象，这才引起了有关方面的重视。2015年，有关部门开始将这种“强矿压”确定为“冲击地压”，属矿井的主要灾害之一。目前，彬长矿区的12对生产矿井中，强冲击危险性矿井4对，中等冲击危险矿井3对，其余均为弱冲击危险矿井，冲击地压已成为彬长矿区仅次于瓦斯、水的主要灾害。经过近5年的不懈努力，各个煤矿在防治冲击地压方面已经取得了一定的成绩，但通过分析彬长矿业公司5对矿井的区域防治措施，发现了一些不足，提出了相应的对策建议，以期为同类矿井防冲工作提供借鉴。

1 矿区概况

彬长矿区是全国14个大型煤炭基地之一，属黄陇基地的中深部，位于陕西省彬州市及长武县境内，矿区东西长46 km，南北宽36.5 km，面积978 km2。含煤地层为中侏罗统延安组，主要可采煤层为4号煤，层厚0.15～43.87 m，平均10.64 m。埋藏南部浅，北、西部深，埋深300～800 m，最深达1 000 m。矿区划分13个井田，生产建设规模为53.80 Mt /a。目前已经建成大佛寺、胡家河、小庄、文家坡、孟村、高家堡、亭南、水帘、下沟、蒋家河、雅店及火石咀12对煤矿，分属于陕西煤业化工集团、山东能源集团和陕西彬县煤炭责任有限公司。其中陕西煤业化工集团彬长矿业公司下辖大佛寺、胡家河、小庄、文家坡、孟村5对生产矿井，生产能力29.0 Mt /a，各矿冲击倾向性鉴定与冲击危险性评价结果见表1。

表1 冲击倾向性鉴定与冲击危险性评价结果

2 区域防冲措施现状及存在的问题

2.1 区域防冲措施现状

2.1.1 大佛寺煤矿

保护层开采：大佛寺煤矿主采煤层为4上和4号煤层，4上距4号煤层0.80～45.55 m，平均17.05 m。4上煤层平均厚度2.88 m，4上煤层埋藏更浅，为便于4号煤层的巷道维护和冲击地压防治，大佛寺煤矿先开采 4上煤工作面作为4号煤层的防冲保护层。

分区开采：4号煤在401采区东、401采区西翼以及402采区北翼东、402采区西段4个采区间跳采；4上煤在411采区南翼、412采区南翼与403采区北翼东、403采区西段4个采区间跳采，均实现了4个分区间隔开采，一区一面格局。

微震监测：矿井区域监测采用微震监测，实现了矿井全覆盖。

2.1.2 胡家河煤矿

分区开采：通过优化盘区开拓方式、巷道布置、和工作面开采顺序，矿井实现了在401盘区东翼、401盘区西翼和402盘区交替生产，实现了3个分区间隔开采，一区一面开采方式。

井下长距离分段压裂：在井下401111工作面回风巷水仓出水口1号孔进行压裂，压裂孔深592 m，压裂6段，压裂范围484～577 m，压裂长度93 m，恒定压力稳定在17～20 MPa。

微震监测：矿井区域监测采用微震监测，实现了矿井全覆盖。

2.1.3 小庄煤矿

分区开采：矿井已经在二、三盘区进行交替回采，五盘区接续。待3号煤五盘区首采面形成后，作为矿井配采工作面，与二、三盘区工作面交替生产。目前为2个分区间隔开采，一区一面的开采方式。

微震监测：矿井区域监测采用微震监测，实现了矿井全覆盖。

2.1.4 文家坡煤矿

分区开采：41盘区→42盘区，41盘区布置一个4104长壁综采放顶煤工作面，4105为接续工作面。

微震监测：矿井区域监测采用微震监测，实现了矿井全覆盖。

2.1.5 孟村煤矿

孟村煤矿属于建设矿井。

调整中央大巷层位：为保障中央大巷安全使用，对中央带式输送机大巷、中央二号辅运大巷和中央二号回风大巷断层构造区域的层位进行调整，将以上3条巷道的层位调整至岩层中。

施工专用辅助运输通道：在401盘区辅助运输巷最北侧施工一条连通403盘区的专用辅助运输通道，设计长度2 760 m，该通道作为401102工作面回采期间，403盘区作业人员及辅助运输进出的双重安全通道。

2.2 区域防冲措施存在的问题

通过分析各个矿井地质条件、采掘工作面施工作业，结合井下现场实际调研，目前冲击地压区域治理存在6个共性问题。

2.2.1 开拓布局未安排分区开采

矿井开拓设计时，未考虑采煤工作面分区跳采有利于防冲的实际，导致采掘接续紧张。为缓解采掘接续矛盾，回采巷道经常采取双巷掘进，导致接续工作面顺槽受2次回采扰动，巷道压力增大，回采巷道支护抗冲击能力降低[3-5]。

2.2.2 主要大巷抗冲击能力差

主要大巷保护煤柱宽度较小，部分区域巷道布置密集，交叉点多，增大了在巷的应力集中。主要大巷服务时间长，上覆顶板岩层一般较为坚硬，冲击威胁较大，抗冲击能力差。

2.2.3 区段煤柱留设不合理

各矿当前均留设15～30 m的区段煤柱，区段煤柱留设较大，造成应力集中程度较高，回采巷道底鼓严重，帮部煤体松散。动力显现及巷道变形加剧。

2.2.4 区域监测的范围和探头布置不能满足要求

大巷掘进工作面，未在迎头区域单独布置微震探头。利用大巷及相邻回采工作面已布置的微震探头对掘进巷道进行微震监测，范围超出规定，或无法形成至少3个有效监测点的要求，监测效果较差。

2.2.5 复合灾害未能实现协同治理

矿井多种灾害并存，同时面临冲击地压、水害、瓦斯、火灾、顶板等灾害的叠加影响。在灾害治理过程中存在相互影响、相互制约的因素。多灾害耦合条件下的协同治理，是当前面临的一个亟待解决的问题。

2.2.6 采区地质探测不足

采区内构造应力对冲击地压的发生起到主导作用。随着采煤机械化程度的提高，采(盘)区的范围越来越大，区内隐伏构造将是潜在的冲击危险源。

3 区域防冲的对策建议

3.1 区域防冲规划

防治冲击地压是采矿工程和岩石力学领域面临的一项世界性难题，其致灾机理尚未研究清楚，相关防治技术手段仍需完善，冲击地压灾害与矿井开采深度、开采强度密切相关[6-8]。开展冲击地压源头治理，应从区域防冲规划入手。

3.1.1 合理开拓布局

2018年8月1日《防治煤矿冲击地压细则》施行以前，孟村煤矿已按照初步设计施工了4条中央大巷，大巷均布置于4号煤层中。经后期鉴定，4号煤具有强冲击倾向性，评价具有强冲击危险性。近几年，中央胶带大巷断层构造区域多次发生冲击，给矿井生产带来很大困难。目前煤矿正在调整开拓布局，拟将大巷层位调整到岩层中，附近的高家堡煤矿也有类似情况。新建煤矿在可行性研究阶段，就要认真落实冲击倾向性评估和冲击危险性鉴定。严重冲击地压煤层从设计开始，开拓巷道及采(盘)区接续应充分考虑冲击地压的影响，达到“一井多区、一区一面、交替开采”的布置格局。

3.1.2 开采解放层

大佛寺煤矿选择4上煤层作为保护层，先采4上煤层，再采4号煤组织生产，较好地解决了4号煤开采期间的冲击地压问题。开采保护层在煤层群开采条件下防治冲击地压，已经证明是行之有效的方法，但在实施过程中，还需研究煤层间距，选择上保护层还是下保护层、保护层的煤层厚度、保护层开采的时间以及保护范围等，确保达到降低应力及冲击危险的目的。胡家河、小庄、文家坡煤矿，后期有3号煤、4上煤等煤层局部可采，到期可借鉴大佛寺煤矿开采经验，先行开采上部煤层，再开采下部煤层。

3.1.3 合理确定工作面开采顺序

在不考虑冲击地压影响条件下，采区的首采工作面往往选择从采区中开采条件最好的工作面开始，后期可能形成一个或多个孤岛工作面，这在彬长矿区先期建设的多个矿井均存在类似情况。《防治煤矿冲击地压细则》实施以后，严重冲击地压矿井不得开采孤岛煤柱，冲击地压煤层开采孤岛煤柱前，煤矿企业应当组织专家进行防冲安全开采论证。过去留下来的孤岛煤柱，一是造成了资源浪费，二是为开采下层煤留下隐患。从防治冲击地压角度出发，在设计工作面时，应保证合理的开采顺序，从源头上安排生产计划，坚持顺序回采，不留孤岛煤柱。

3.1.4 合理留设煤柱

受冲击地压影响的护巷煤柱基本上有两类，一是区段煤柱，二是大巷煤柱。胡家河煤矿开采煤层厚度大且坚硬，403盘区埋深650～780 m，工作面回采巷道间煤柱设计宽度均为50 m，根据防冲设计，调整为屈服煤柱宽度6 m。大巷煤柱设计为80 m，根据冲击情况，调整为200 m。调整后，煤柱压力明显减小。区段煤柱附近应力集中程度大，易发生冲击地压。大巷服务年限长，保护煤柱易受采空影响。留设煤柱时，应结合实际情况，分析影响范围，合理留设煤柱。

3.1.5 合理确定工作面长度

从应力分布角度来看，当工作面长度增加时，对冲击危险的影响较小，另外，在保证产量的前提下，加长工作面可以有效地控制推进速度，避免出现推进速度过快的情况，减小冲击地压发生风险。目前，胡家河煤矿采煤工作面长度为180～200 m，小庄煤矿采煤工作面平均长度为196 m。研究表明，工作面长度在从150 m变化至300 m时，侧向支承压力的影响范围与工作面长度增加前相差不大，工作面超前支承压力的峰值大小及影响范围变化也不甚明显[9-11]。相同条件下，工作面长度增加，工作面的顶板破坏高度也随之增加，但超过一定长度之后，趋于稳定状态。根据彬长矿区现场观测，工作面长度增加，来压步距减小，但由于顶板破坏高度及面积的增加，使得整体支架的受力增加。因此工作面长度增加对巷道及采场围岩的应力分布影响较小，对顶板活动影响较为明显，有利于防止出现大面积悬顶现象。

3.1.6 合理的采掘速度

彬长矿区强、中等及弱冲击危险区域的掘进速度分别不超过10 m/d、12.4 m/d和14.8 m/d。强、中等及弱冲击危险区域的采煤工作面推进速度分别不超过4.0 m/d、6.4 m/d和8.0 m/d。确定合理的推进速度，是在保障矿井合理产能基础上，防范冲击地压发生的有效措施。根据彬长矿区经验，对于不同冲击危险区域暂定不同的掘进及回采速度，避免忽快忽慢，避免高开采强度，否则会对上覆顶板及采场围岩带来强烈的扰动。并应根据地质和开采技术条件以及各监测手段取得的数据进行统计分析，以确定出适合矿井的合理的回采速度。

3.1.7 合理的采煤方法

采煤方法的不同、巷道布置形式的不同、顶板管理方法的不同，煤岩体在掘进和回采过程中矿山压力及其分布规律也显著不同，发生冲击地压的危险性也各异。整体来看，彬长矿区煤层结构较简单，厚度较大，采用分层综采放顶煤长壁式采煤方法，从冲击地压影响来看，由于工作面上方顶煤作为直接顶，在顶板来压时起到对顶板压力的缓冲作用，原则上有利于冲击地压的防治。但由于矿井设计的工作面较长，采高及采区面积都比较大，上覆厚硬岩层赋存明显，顶板活动比较强烈，存在一定的冲击危险，因此在回采过程中还应加强顶板活动的监测，并提高工作面支架初撑力和超前支护强度。

3.1.8 合理的支护方式

回采巷道采用“锚杆+锚索+W钢带”联合支护，地质构造等特殊区段注浆加固或桁架支护，局部煤体破碎区段采用喷浆封闭。开拓巷道采取“锚杆+锚索+异型钢带+喷砼”联合支护，采用高密度支护实现一次支护到位，对断层破碎带增加“注浆+架棚”的补强支护措施。

一般采用综采放顶煤液压支架支护。工作面回风顺槽推广使用液压支架进行超前支护；运输顺槽采用超前液压支架+单体液压支柱超前支护，超前支护范围不小于120 m。优化巷道抗冲击支护体系，开展冲击危险区域巷道支护效果评价工作，优化动静载叠加作用下巷道抗冲击支护体系，切实强化煤层巷道抗冲击能力。通过对坚硬顶板支护参数进行调整，降低了冲击地压对巷道的破坏程度，减少了巷道维护工程量。

3.2 监测系统

彬长矿区大佛寺煤矿、胡家河煤矿和小庄煤矿分别采用的是ARAMIS M/E微震监测系统，文家坡煤矿采用1套KJ551微震监测系统，孟村煤矿采用1套SOS微震监测系统，个别煤矿还安装了2套微震监测系统，形成相互协同，印证的监测模式。各系统基本均能实现矿山震动定位、震动能量计算及震动的危险评价。

但各微震监测系统的监测范围，能量、频次的侧重点略有不同，在建立矿区数据共享、远程操作、量级统一的区域监测共享平台，将各矿现有监测系统整合，实现公司—矿的实时传输系统存在一定的难度。当然，实现冲击地压远程监测平台资源共享、专家诊断、在线预警、提供信息服务、加快防冲决策还有大量工作要做。

3.3 区域治理措施

3.3.1 压裂技术原理

目前，孟村和胡家河煤矿均开展了区域防冲的治理。孟村煤矿引进了地面水平井压裂和井下长距离分段压裂技术，胡家河煤矿开展了井下长距离分段压裂适应性研究。根据监测情况，其效果比较理想，能够有效降低岩层应力集中，减弱冲击危险，推广价值较高，但投入较大。后期，根据孟村和胡家河煤矿实践情况，适时在其他各矿推广这2种压裂技术。水力压裂技术是利用高压水作为介质，在限定的封孔空间里，岩体在高压水的作用下克服岩体的最小主应力与抗拉强度发生破裂并产生裂隙。岩体的原生裂隙和压裂产生的裂隙，通过气、固、液多相多场耦合，使裂隙进一步扩展和延伸矩型，形成具有一定宽度、长度的人工裂缝，从而实现油气增产、岩体增透、卸压等目的。

3.3.2 地面水平井压裂

地面水平井分段压裂技术通过地面实施水平井，对坚硬顶板进行分段压裂技术改造，释放地层应力，实现工作面范围内上覆坚硬顶板区域弱化，降低采煤工作面回采期间大面积坚硬顶板跨落可能带来的冲击地压风险。目前常用的技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等。钻探技术难度大，需要对地层情况进行分析，施工的不确定因素多。针对坚硬顶板水平井压裂裂缝扩展的监测，常借用石油领域的监测手段，即在地面布置监测微震测点，通过微震事件发生的位置判断整个压裂过程不同压裂段的裂缝扩展情况。与石油相比，煤矿坚硬顶板水平井压裂对于裂缝扩展范围的精准性具有更高的要求，需要针对水平井每一段压裂的扩展范围进行精准监测。

3.3.3 井下长距离分段压裂

井下长距离分段压裂技术在石油开采、瓦斯治理等方面已成熟应用，其核心原理是通过对煤层巨厚顶板实施定向长钻孔分段水力压裂，使巨厚顶板逐层垮落，形成连续有效支撑，降低顶板能量的突然释放，大幅度减少矿震的发生频率和强度。

通过综合分析矿井地质条件、施工工艺、技术资料，结合现场实际，制定巨厚顶板定向长钻孔分段水力压裂工艺技术方案，包括前期资料方案、设备准备，分段水力压裂现场工程试验，现场数据监测跟踪，数据整理及综合分析，编制项目研究报告及成果验收5个环节。其中，分段水力压裂现场工程试验是重中之重。通过由内向外分段注入高压水，使岩层产生裂隙，从而避免大面积顶板突然垮落产生强烈震动。通过实践，进一步探索适合矿井定向长钻孔分段水力压裂矿震防治技术，并通过实践论证，力争形成国内其他冲击地压矿井可借鉴和推广应用的成熟技术。

4 结语

据统计，目前全国有冲击地压矿井133处，陕西22处，占到全国的六分之一。这22处矿井大多分布在彬长矿区，并且是投产时间不长的新建矿井。这些矿井在设计建设阶段均没有涉及冲击地压相关内容，防冲设计先天不足，开拓布局及采掘接续等不能满足防冲要求，产生了冲击地压防治的不利条件，失去了主动防治冲击地压的先机，致使生产后治理难度很大。近几年，经过冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价，彬长矿区的矿井均为冲击地压矿井，冲击危险性由南向北逐渐增大。因此，防冲工作要在正确认识冲击地压发生机理的基础上，按照调布局、调接续的区域性防冲源头治理先行，局部防冲措施跟进的原则，加强组织保障、技术保障、管理保障，特别是资金投入，加强与科研单位的合作，使冲击地压防治工作取得实效。