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.新疆煤炭科學研究所，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆兵團煤礦安全監察局，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著礦井機械化開采水平的提高，開采深度也逐漸加大，礦井發生沖擊地壓事故的頻率也愈加突出。根據數據統計表明，開采深度越大，發生沖擊地壓的可能性越大。據波蘭資料，當開采煤層埋深小于350 m時，一般不會發生沖擊地壓；埋深在350～500 m時，沖擊地壓的危險逐步增加，當埋深大于500 m后，沖擊地壓的危險性隨著開采深度的增加急劇增長；當埋深800 m時，其沖擊指數比在500 m時增加了14倍[1-2]。

新疆礦區開采煤層地質條件差異大，淺埋煤層發生沖擊地壓事故的頻率也在增大。新疆淺埋煤層發生沖擊地壓事故的規模程度跟自然因素、開采技術條件及管理等因素有關。目前，在新疆發生沖擊地壓事故的礦井主要分布在烏魯木齊米東區、呼圖壁縣、硫磺溝等地[3]；沖擊地壓發生的特點有：突發性、多樣性、破壞性和復雜性[4]；分析新疆煤礦沖擊地壓事故影響因素，對新疆礦井沖擊地壓事故的預防有一定的指導意義。

1 沖擊地壓影響因素

沖擊地壓誘發因素較多，一般可以分為自然因素、技術因素、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力，主要巖體的重力和構造殘余應力。工作面圍巖的應力主要由開采深度決定，而構造殘余應力主要出現在皺曲和斷層附近。煤巖的沖擊傾向性和巖層結構也是沖擊危險的主要因素。一般情況下，煤巖的沖擊傾向性越大，發生沖擊地壓的可能性越大。煤的強度越大，彈性越好，沖擊傾向性就越高；頂板巖層越堅硬，在開采活動中越容易誘發沖擊地壓。

1.2 技術因素

技術因素主要是開采過程中引起的應力集中和礦山壓力現象等。在開采過程中，煤層開采的設計、方法、方式對礦井沖擊地壓有很大的影響。如果開采設計、方法不合理，在開采過程中很容易造成應力集中；如果開采強度過大、煤柱留設不合理、頂板管理不科學等也會誘發沖擊地壓。

1.3 組織管理因素

組織管理因素主要體現在管理制度的不到位、防治理念的落后、設備措施的缺乏、人員的違規操作以及人員對沖擊地壓的理論知識的匱乏。組織管理因素對沖擊地壓的發生也起一定作用，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 堅硬頂板

煤層開采中，堅硬頂板造成的沖擊危害比軟巖更加嚴重。堅硬頂板的巖石強度和彈性模量高、厚度大、整體性強，其承載能力也大。開采堅硬煤層頂板時，其上覆巖層與關鍵層形成一個整體，開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，會造成嚴重的沖擊地壓事故。根據國內外發生沖擊地壓事故數據來看，沖擊地壓時常發生在堅硬頂板的條件下。

新疆托克遜雨田煤業屬于克布爾堿礦區，開采工作面埋深為130 m左右，其開采煤層屬于堅硬煤層、堅硬頂板；其頂板巖層的單軸抗壓強度超過了120 MPa，巖層的厚度大、整體性好。工作面選用走向長臂綜合機械化放頂煤采煤方法，開采過后頂板懸空，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過程中，頂板釋放了大量的能量，引發了沖擊地壓事故。

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者和前蘇聯學者提出的[6]，我國一般采用彈性能指數、沖擊能指數和動態破壞時間這3個指標作為煤層的沖擊傾向性指標。煤的沖擊傾向性是評價煤層沖擊危險的特征參數之一。頂板巖層的沖擊傾向性是指巖層積蓄變形能并發生沖擊式破壞的性質，一般用彎曲能指標進行分類。巖層的彎曲能指標跟巖石的物理力學性質、變性參數、彈性模量等有關，一般煤巖的強度越高，引發沖擊地壓所要求的應力越小，引發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，開采煤層埋深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，發生沖擊地壓的可能性就越大。

2.3 構造應力

地質構造影響因素有斷層、褶曲等。斷裂構造的存在，破壞了頂板的連續性，失去傳遞力的作用。當工作面接近斷層時，斷層會影響到工作面超前支承壓力分布范圍、分布形式和應力峰值。并且斷層傾向與工作面推進方向的不同，斷層對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，礦井開采深度360 m左右，2013年1月30日掘進工作面在前移前探梁放炮時，誘發沖擊地壓事故。硫磺溝煤礦井田位于天山北強地震帶上，地震活動強度大、頻率高。掘進工作面在掘進期間共揭露了9條逆斷層，落差0.9～8.8 m，礦井煤巖受地質構造影響，存在較大的構造應力，構造應力誘發的本次沖擊地壓事故，是本次事故的主要原因。

2.4 開采地質條件—急傾斜煤層

急傾斜煤層一般在地質構造、礦壓規律都比較復雜，開采急傾斜煤層后，上覆巖層垂直應力的作用對煤層及頂板的加載尤為明顯[7]，開采之后上部煤層和巖層沿煤層傾角向下滑移錯動，所以工作面頂板對巷道圍巖的應力更加明顯。

烏東煤礦地屬新疆烏魯木齊市米東區，平均開采深度200 m左右，自2011年至今，烏東煤礦發生了數次沖擊地壓事故。烏東煤礦開采煤層屬于急傾斜特厚煤層，煤層傾角為83°～89°，急傾斜煤層在開采過程中，頂底板應力差異化大，主應力對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

頂板管理方式對沖擊地壓有較大影響。工作面開采之后，頂板垮落與否直接關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推進，應力與能量形成一個動態增加狀態。如果頂板不及時處理，會產生嚴重的沖擊地壓危險性。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硬，強度高，懸頂而不能及時垮冒，可能發生沖擊地壓。屬于堅硬頂板，不易冒落的工作面，其沖擊地壓危險程度較高，當堅硬頂板處理方式不當時，很容易誘發沖擊地壓事故。

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號煤層綜采放頂煤工作面于2011年3月24日發生煤層沖擊地壓事故，工作面煤層單軸抗壓強度為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到了25 m，而工作面在推進過程中，基本頂未發生斷裂，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，誘發了43號煤層沖擊地壓事故。

2.6 煤柱管理

因相鄰工作面和上部煤層的開采，煤柱是產生應力集中的地點之一。因而在煤柱附近易發生沖擊地壓。煤柱上的集中應力不僅對本煤層開采有影響，還向下傳遞，對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力集中對下部煤層造成了很大的影響，使沖擊地壓的危險性有很大程度的增加。

2013年1月9日寬溝煤礦E1148掘進工作面發生2次礦震事故，據了解，E1148工作面前20 m為E1142工作面采空區，E1148掘進工作面在推進過程中，因應力擾動的影響對煤柱形成了高應力的疊加區域，因為應力集中容易誘發沖擊地壓。

3 結論

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

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

(3)開采地質條件對誘發沖擊地壓的條件有影響，復雜的地質條件和開采急傾斜煤層誘發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，加強礦井的安全管理，避免違規、違章作業可以降低煤礦發生沖擊地壓事故的概率。