彬長礦區(qū)沖擊地壓礦井初步設(shè)計(jì)回顧及思考

簡軍峰，劉 虎

(1.陜西省發(fā)展和改革委員會(huì)，陜西 西安 710006；2.山東能源集團(tuán)沖擊地壓災(zāi)害防治研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

目前我國部分新建煤礦逐步進(jìn)入深部開采范圍，煤礦沖擊地壓發(fā)生頻率、強(qiáng)度都在逐年增加，造成的損失日益突出[1-3]。礦井初步設(shè)計(jì)是指導(dǎo)礦井合理建設(shè)、保證礦井建設(shè)技術(shù)方案順利實(shí)施和合理控制投資的重要文件，它是對(duì)擬建設(shè)礦井的建設(shè)原則、工程內(nèi)容、工程技術(shù)方案和工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行全面、科學(xué)、縝密的運(yùn)籌和策劃[4-6]。根據(jù)防沖要求合理選擇大巷層位與方向、安排采掘接續(xù)，降低高應(yīng)力集中，從本質(zhì)上提高新建礦井的主動(dòng)防沖水平[7-8]，對(duì)開采埋深較大、具有潛在沖擊風(fēng)險(xiǎn)的礦井建設(shè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。為此，對(duì)比分析了近年投產(chǎn)的彬長礦區(qū)礦井在初步設(shè)計(jì)階段存在的不足，嘗試對(duì)具有潛在沖擊地壓的礦井從設(shè)計(jì)階段超前考慮，采取防沖措施，減輕礦井投產(chǎn)后的防沖壓力，進(jìn)而在礦井初步設(shè)計(jì)階段從源頭上防治沖擊地壓。

1 彬長礦區(qū)概況

彬長礦區(qū)位于陜西省咸陽市，礦區(qū)北部和西部以陜甘省界為界，南部和東部均以無煤區(qū)邊界線為界。礦區(qū)東西長46 km，南北寬36.5 km，面積978 km2，資源儲(chǔ)量89.8億t。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

地層及構(gòu)造：彬長礦區(qū)位于黃隴煤田的中段。黃隴侏羅紀(jì)煤田地處鄂爾多斯盆地南緣，海拔標(biāo)高一般+850～+1 200 m，形成于鄂爾多斯盆地發(fā)展的中期。礦區(qū)地層由老至新有三疊系上統(tǒng)胡家河組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池組，第三系和第四系。地表大面積被黃土覆蓋，溝谷出露的白堊系地層產(chǎn)狀平緩，其深部侏羅系隱伏構(gòu)造為一走向N50°—70°E，傾向NW—NNW向的單斜構(gòu)造。總體上，礦區(qū)構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造少見。

含(隔)水層：區(qū)內(nèi)主要含(隔)水層，主要有第四系孔隙潛水含水層，第三系孔隙裂隙承壓含水層，白堊系裂隙承壓含水層，侏羅系承壓含水層，三疊系隔水層，白堊系含水層。

1.2 煤層及沖擊危險(xiǎn)性

主要可采煤層：區(qū)內(nèi)含煤地層位于侏羅系延安組，自上而下編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4-1上、4-2上、4上、4號(hào)煤。其中4號(hào)煤為礦區(qū)主要可采煤層，層厚0.15～43.87 m，平均10.64 m，占礦區(qū)儲(chǔ)量的90%以上。4號(hào)煤從厚度看，東、南、西區(qū)薄，中部、北部厚。東區(qū)平均總厚9.94 m，最大15.10 m；南區(qū)平均總厚8.27 m，最大19.16 m；北區(qū)平均總厚13.67 m，最大43.87 m。4號(hào)煤從埋藏深度看，東、南部淺，北、西部深，埋深300～800 m，最深達(dá)1 000 m左右。

煤層頂?shù)装澹?號(hào)煤層頂板巖性變化較大，基本頂可分為3種類型，泥巖頂板、泥巖砂巖互層頂板、砂巖頂板。直接頂板大部分為泥巖、砂質(zhì)泥巖頂板。底板含鋁質(zhì)，主要為鋁土質(zhì)泥巖，遇水膨脹，厚度一般3～10 m。

沖擊地壓鑒定及其危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)：《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》實(shí)施后，各礦井陸續(xù)進(jìn)行了沖擊傾向性鑒定和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。目前生產(chǎn)的12處礦井中，4處具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，2處具有中等危險(xiǎn)性，其余6處為弱危險(xiǎn)性礦井。從埋藏深度看，隨著深度增加，沖擊危險(xiǎn)性由弱變強(qiáng)，礦區(qū)北西部的數(shù)個(gè)礦井均為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性礦井。

2 彬長礦區(qū)礦井初步設(shè)計(jì)回顧

2.1 礦井初步設(shè)計(jì)歷程

設(shè)計(jì)過程：2010年，彬長礦區(qū)規(guī)劃得到批復(fù)，礦區(qū)劃分13個(gè)井田。其中，維持生產(chǎn)礦井2處，分別是下溝礦井和亭南礦井；規(guī)劃改擴(kuò)建礦井3處，分別是火石咀礦井由190萬t/a改擴(kuò)建到300萬t/a，大佛寺礦井由300萬t/a改擴(kuò)建到800萬t/a，水簾洞礦井由30萬t/a改擴(kuò)建到90萬t/a；規(guī)劃新建礦井8處，分別是孟村礦井600萬t/a，小莊礦井600萬t/a，文家坡礦井400萬t/a，胡家河礦井500萬t/a，蔣家河礦井90萬t/a，雅店礦井400萬t/a，楊家坪礦井500萬t/a，高家堡礦井500萬t/a。礦區(qū)的13處礦井，除楊家坪礦井沒有建設(shè)外，其余規(guī)劃新建和改擴(kuò)建礦井在2018年8月前，也就是《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》實(shí)施前基本都建成投產(chǎn)。《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》實(shí)施前，新建礦井在設(shè)計(jì)階段缺乏關(guān)于沖擊地壓的相關(guān)規(guī)定做依據(jù)。

存在問題：1987年原煤炭工業(yè)部《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》[(87)煤生字第337號(hào)]中規(guī)定，“有沖擊地壓現(xiàn)象的礦井，條件類似的相鄰礦井的煤層及沖擊地壓煤層的新水平，必須進(jìn)行沖擊傾向鑒定”，這條規(guī)定有一定的局限性。礦區(qū)個(gè)別礦井在建設(shè)過程中，就曾經(jīng)出現(xiàn)“煤炮”、漏頂、瞬間底鼓、甚至震動(dòng)造成設(shè)備移位等強(qiáng)烈地動(dòng)力現(xiàn)象，施工現(xiàn)場(chǎng)僅將其定義為“強(qiáng)礦壓”，沒有及時(shí)按沖擊地壓礦井調(diào)整設(shè)計(jì)和建設(shè)，致使各礦井生產(chǎn)中只能采取解危卸壓的被動(dòng)防御措施，防沖壓力很大，甚至個(gè)別具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性礦井還面臨調(diào)整主要大巷層位的難題。據(jù)此，以某具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性的礦井為例，簡要敘述其開拓開采部分的變化內(nèi)容。

2.2 礦井原初步設(shè)計(jì)中的開拓開采

開拓部署：設(shè)計(jì)投產(chǎn)時(shí)在工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置3條井筒，主立井、副立井和回風(fēng)立井，井筒落底至三疊系地層布置井底車場(chǎng)。根據(jù)井田煤層呈塊狀分布，結(jié)合工業(yè)場(chǎng)地位置以及鐵路與井田的關(guān)系，大巷采取分區(qū)式布置，分西、東、南3個(gè)開采區(qū)段。開拓大巷采用三巷或四巷式布置于4號(hào)煤層之中。一盤區(qū)布置4條大巷，輔助運(yùn)輸大巷、膠帶輸送機(jī)大巷和2條回風(fēng)大巷，4條大巷水平間距均為40 m，縱向立體錯(cuò)開布置，回風(fēng)大巷沿煤層頂板布置，帶式輸送機(jī)大巷沿煤層中部布置，輔助運(yùn)輸大巷沿煤層底板布置，大巷兩側(cè)留設(shè)100 m煤柱。

盤區(qū)劃分：井田開采面積較大，根據(jù)井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存特點(diǎn)，結(jié)合工作面裝備水平及生產(chǎn)規(guī)模，本著適當(dāng)加大盤區(qū)尺寸、增加工作面推進(jìn)長度、盡量減少工作面搬家次數(shù)，提高礦井單產(chǎn)及效率的原則，設(shè)計(jì)確定盤區(qū)內(nèi)合理的工作面推進(jìn)長度按1.5～3 km左右考慮，共劃分9個(gè)盤區(qū)，其中一、二、四、五、八和九盤區(qū)為雙翼盤區(qū)，其余為單翼盤區(qū)。

采煤方法及工藝：設(shè)計(jì)一盤區(qū)主要開采4號(hào)煤層，平均厚度10.5 m，采用分層綜采回采工藝，先采上分層，后采下分層順序開采。工作面采用四巷式布置，主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷為雙巷布置，沿煤層頂掘進(jìn)，留25 m煤柱保護(hù)、繼續(xù)作為下個(gè)工作面回風(fēng)使用，回風(fēng)巷、預(yù)抽巷采用單巷布置方式，沿煤層頂布置。工作面長度為200～240 m，上分層采高4.2 m，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，日循環(huán)8～10刀。工作面支架一次采全高液壓支架，超前支護(hù)采用單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)，支護(hù)長度60 m。

設(shè)計(jì)共性：礦區(qū)內(nèi)其他礦井初步設(shè)計(jì)的大巷布置層位、盤區(qū)劃分、采煤方法及工藝等基本與該礦井相同。

2.3 按沖擊地壓礦井調(diào)整后的開拓開采內(nèi)容

按沖擊地壓礦井調(diào)整的必要性：該礦井建成后，由于受到?jīng)_擊地壓災(zāi)害的巨大影響，造成一盤區(qū)大巷及回采工作面多次重復(fù)沖擊，導(dǎo)致一盤區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)受損嚴(yán)重，不能正常使用。根據(jù)4號(hào)煤及其頂、底板沖擊傾向性鑒定報(bào)告，4號(hào)煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，4號(hào)煤頂?shù)装鍘r層具有弱沖擊傾向性。沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)認(rèn)為，4號(hào)煤層具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。迫于沖擊地壓影響，礦井不得不調(diào)整生產(chǎn)布局。

大巷布置：一盤區(qū)采用三巷式布置，3條大巷呈立體錯(cuò)開布置，帶式輸送機(jī)巷沿4號(hào)煤層中部布置，輔助運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷布置在煤層頂板以上10～15 m砂巖之中。為適應(yīng)最大水平主應(yīng)力方向，減小主應(yīng)力對(duì)巷道的不利影響，調(diào)整了一盤區(qū)后續(xù)大巷掘進(jìn)方位。西區(qū)大巷層位全部調(diào)整為煤層底板巖層中，大巷全部調(diào)整為巖石巷道，徹底避免了大巷沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。

盤區(qū)劃分：從防沖考慮，盤區(qū)劃分原則上避免兩翼對(duì)采，采用單翼布置方式，將全井田原來的9個(gè)盤區(qū)劃分為13個(gè)盤區(qū)。同一盤區(qū)內(nèi)工作面按順序開采，避免形成孤島工作面，同一盤區(qū)內(nèi)各工作面向同一方向推進(jìn)，背向采空區(qū)推進(jìn)。

采煤方法及工藝：采煤工作面巷道調(diào)整為兩巷式，采煤工藝調(diào)整為綜采放頂煤，采3.5 m，放3～8 m不等。區(qū)段煤柱調(diào)整為留設(shè)6 m，循環(huán)進(jìn)尺4.8 m，日循環(huán)6刀。工作面支架由分層采全高支架調(diào)整為綜采放頂煤支架。超前支護(hù)有單體液壓支柱調(diào)整為超前支護(hù)架組，并且支護(hù)長度由60 m調(diào)整到120 m。

造成的損失：礦井調(diào)整生產(chǎn)布局停產(chǎn)1年，投入大巷建設(shè)資金、調(diào)整排水系統(tǒng)、原設(shè)計(jì)的部分孤島工作面不能回采等，初步估算，直接損失超過10億元。與該礦井相鄰的其他強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性礦井也面臨相同的開拓開采布局調(diào)整問題，停產(chǎn)調(diào)整大概也要1年以上。

3 初步設(shè)計(jì)存在的問題分析

近幾年，經(jīng)過沖擊傾向性鑒定和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，彬長礦區(qū)的礦井均為沖擊地壓礦井，沖擊危險(xiǎn)性由南向北逐漸增大，建設(shè)階段的初步設(shè)計(jì)基本沒有涉及沖擊地壓相關(guān)內(nèi)容。回顧這些礦井的初步設(shè)計(jì)，分析其支撐性資料以及規(guī)范性文件，主要存在3個(gè)方面的問題。

3.1 井田勘探地質(zhì)報(bào)告缺少?zèng)_擊地壓相關(guān)內(nèi)容

《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50215—2015)2.1.1強(qiáng)調(diào)，中型及以上礦井初步可行性研究應(yīng)根據(jù)評(píng)審備案的井田詳查或勘探地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行，可行性研究和初步設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)評(píng)審備案的井田地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行[9]。也就是說，礦井的初步可行性研究、可行性研究和初步設(shè)計(jì)編制的依據(jù)是經(jīng)評(píng)審備案的井田勘探地質(zhì)報(bào)告。誘發(fā)沖擊地壓的主要因素是開采煤層上覆巖層，勘探報(bào)告已經(jīng)查清了煤層上覆地層結(jié)構(gòu)，《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》中沒有明確規(guī)定沖擊地壓災(zāi)害的勘察內(nèi)容[10]。

3.2 缺少煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)論作為支撐

新建礦井從初步可行性研究到初步設(shè)計(jì)階段沒有煤層沖擊傾向性評(píng)估及沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)(評(píng)估)等要求，特別在初步設(shè)計(jì)階段，沒有煤層沖擊危險(xiǎn)性結(jié)論做支撐，從而在礦井開拓方式、保護(hù)層選擇、大巷層位選擇，采區(qū)接續(xù)、工作面開采順序、采煤方法、生產(chǎn)能力、支護(hù)形式等方面缺失有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，人為造成了開拓布局及采掘接續(xù)等不能滿足防沖要求，產(chǎn)生了沖擊地壓區(qū)域防治的不利條件，失去了主動(dòng)防治沖擊地壓的先機(jī)，防沖設(shè)計(jì)先天不足，致使生產(chǎn)后局部治理難度很大。

3.3 礦井防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)相對(duì)滯后

新建礦井的防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)包括開拓方式、保護(hù)層的選擇、巷道布置、工作面開采順序、采煤方法、生產(chǎn)能力、支護(hù)形式、沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法、沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方法、防沖措施及效果檢驗(yàn)方法、安全防護(hù)措施。同時(shí)還應(yīng)包括防沖必備的裝備、防沖機(jī)構(gòu)和管理制度、沖擊地壓防治培訓(xùn)制度和應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容。礦井防沖專項(xiàng)設(shè)計(jì)與其他專項(xiàng)設(shè)計(jì)最大的區(qū)別在于，它直接決定著初步設(shè)計(jì)階段礦井大巷層位及方向、采掘接續(xù)、采煤工藝、工作面循環(huán)進(jìn)尺等的確定原則。《煤炭工業(yè)礦井工程建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件編制標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50554—2017)2.2.3[11]，礦井初步設(shè)計(jì)的內(nèi)容和深度應(yīng)能指導(dǎo)編制防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)，礦井防沖設(shè)計(jì)在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上不能滯后。

4 結(jié)論

(1)井田勘探地質(zhì)報(bào)告中建議增加沖擊地壓的章節(jié)內(nèi)容。沖擊地壓與煤層上覆地層密切相關(guān)，《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215—2002)5.3.2規(guī)定，普查階段應(yīng)確定勘查區(qū)的地層層序。在勘查工作研究的技術(shù)要求部分，按煤層(巖層)沖擊傾向性鑒定要求，對(duì)存在埋深超過400 m的煤層，且煤層上方100 m范圍內(nèi)存在單層厚度超過10 m、單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa的堅(jiān)硬巖層的礦井提出沖擊地壓災(zāi)害防治建議，如增加勘查期間煤巖層鉆芯的沖擊傾向性鑒定工作等。

(2)新建礦井嚴(yán)格執(zhí)行《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第16條規(guī)定。新建礦井在可行性研究階段應(yīng)當(dāng)根據(jù)地質(zhì)條件、開采方式和周邊礦井等情況，參照沖擊傾向性鑒定規(guī)定對(duì)可采煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性(建井期間的沖擊危險(xiǎn)性)進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)評(píng)估有沖擊傾向性(沖擊危險(xiǎn)性)時(shí)，評(píng)估結(jié)果作為礦井立項(xiàng)、初步設(shè)計(jì)和指導(dǎo)建井施工的依據(jù)。

(3)新建礦井防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)與初步設(shè)計(jì)相結(jié)合。新建礦井防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)根據(jù)其可采煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性進(jìn)行評(píng)估，依據(jù)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，提出開拓方式、大巷布置等開拓開采設(shè)計(jì)思路，作為礦井初步設(shè)計(jì)開拓開采方案比較的內(nèi)容之一。采區(qū)、采煤工作面的防治沖擊地壓專項(xiàng)設(shè)計(jì)可與其沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)合并完成。