鄂爾多斯盆地北部沉積地質對礦井沖擊地壓的影響

黃海魚，丁 湘，劉 溪，李 哲，張 寅，閆 鑫

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內蒙古 鄂爾多斯 017200；3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

關鍵字：沖擊地壓；主砂體；沉積相；侏羅系；中深部礦井；鄂爾多斯盆地

0 引 言

鄂爾多斯盆地是中國第二大陸相沉積盆地，發育有石炭系-二疊系、三疊系、侏羅系等3套含煤層系，煤炭資源量和煤炭產量均居我國各沉積盆地之首，其中侏羅系煤炭資源量占全國的31.9%[1]。由于盆地淺埋深資源已經得到充分的開發，近年來煤炭資源開發已逐步向中深部埋深轉移。盆地北部呼吉爾特礦區、納林河礦區等區域主采煤層埋深達到600～800 m，屬于中深埋煤層，已形成大規模開采格局，沖擊地壓問題也逐漸凸顯，已成為制約煤礦安全開采的關鍵因素。

前人在沖擊地壓的成因和防治開展了大量研究[2-8]，王業常等認為礦井沖擊地壓主要影響因素為煤層傾角、開采工藝、開采深度、頂板巖層的結構特點、地質構造等[9]；張寅等提出鄂爾多斯深部礦區受開采深度、煤巖沖擊傾向性、頂板特性、區段煤柱以及高強度開采等因素的影響而面臨沖擊地壓災害[10]；孫步洲通過對陶莊煤礦地表移動觀測資料和沖擊地壓進行實際對比，認為斷層參與誘發沖擊地壓[11]；陳國祥采用數值模擬方法反演了褶皺的形成過程及應力分布規律，分析了褶皺不同部位的應力狀態[12]；王存文等則從構造形成機制的角度分析構造區的應力環境，并運用礦山壓力理論、數值模擬等探討斷層、褶皺、相變誘發沖擊地壓的機理，得出構造應力場與采動應力的疊加形成高應力復雜應力場，易誘發沖擊地壓的結論[13]。盆地北部中深部侏羅系地層構造地質條件簡單而沉積地質條件復雜，以往的評價預測方法及經驗難以適用于此類地質條件的礦井沖擊地壓防治需要。在該區域沖擊地壓研究中，如果忽視了沉積地質條件引起的地層結構變化對沖擊地壓的巨大影響就無法解釋研究區沖擊地壓的成因和規律。基于研究現狀及存在問題，從沉積地質條件的角度開展沖擊地壓影響因素研究，通過對盆地北部中深部煤層覆巖沉積相特征、沉積相類型及砂體展布規律等研究，確定影響礦井沖擊地壓的關鍵砂層特征，結合中深部侏羅系礦井微震事件分析，明確沉積地質條件對中深部礦井沖擊地壓的影響作用，為該區域煤礦安全生產提供現實指導意義，同時為相同地質條件礦井沖擊地壓研究提供理論依據。

1 地質背景與地層特征

中深部礦井區域在大地構造位置上，屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構造單元(圖1)，構造形態為一向西緩傾斜的單斜構造[14]，地層產狀較平緩，傾角1°～3°，不發育大中型褶皺、斷層，僅在局部發育微弱的波狀起伏，未見巖漿巖侵入。構造類型簡單。

圖1 鄂爾多斯盆地北部中深部礦區及典型礦井區域位置Fig.1 Location of the middle-deep mining area and typical mine in northern Ordos Basin

鄂爾多斯盆地在古生代華北克拉通盆地基礎上發育起來的中生代沉積盆地。盆地發展鼎盛期為侏羅紀，在印支運動末期的影響作用下，華北板塊整體抬升，風化剝蝕和沖刷侵蝕作用使得上三疊統延長組形成河谷縱橫的古地貌，中侏羅紀早期在此背景上沉積形成延安組陸相含煤建造[15]。延安組形成后，地殼持續穩步下降，連續沉積了直羅組、安定組陸源碎屑巖建造[16]。

與鄂爾多斯盆地北部煤層開采及沖擊地壓形成密切相關的中生代地層延安組為盆地北部主要含煤地層，平均地層厚度256 m，在全區均有分布，主要由淺灰色-灰白色砂巖、灰色-深灰色砂質泥巖、泥巖和煤層組成，含6套可采煤層。依據巖石組合、沉積旋回和含煤性的差異，自下而上劃分為3個段，分別為延安組一段、延安組二段與延安組三段，各段之間為整合接觸；直羅組在鄂爾多斯盆地北部分布廣泛，平均地層厚度165.5 m，由黃綠色-灰綠色砂巖、藍灰色及紫灰色等雜色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等組成，是中深部煤層頂板主要含水層，自下而上劃分為2個段，分別為直羅組一段、直羅組二段，每段底部發育具沖刷面構造的細礫巖或者含礫粗砂巖(表1)。

表1 研究區中生代地層發育特征Table 1 Mesozoic stratigraphic of the study area

目前盆地北部的呼吉爾特礦區、納林河礦區主要大規模開采延安組上部的2#煤和3#煤，煤層頂板為延安組三段與直羅組一段和直羅組二段地層，也是本次開展沖擊地壓影響因素研究的主要目的層。

2 沉積相特征及砂體展布規律

2.1 沉積相特征

通過典型礦井沉積環境研究認為延安組三段沉積期發育三角洲平原沉積，晚期轉變為曲流河沉積。以分流河道、水上分流間灣或河道砂壩、河漫灘為主，河道展布方向為北東-南西向，與延安組時期物源方向基本一致(圖2)。直羅組一段沉積早期為辮狀河沉積(圖3)，中晚期轉變為曲流河沉積。河道展布方向為北西-南東向，與直羅期物源方向一致。一段底部“七里鎮砂巖”以中-粗砂巖為主，單砂體相互疊置，少見泥質夾層，砂體厚度大，二元結構不發育，主要發育河道砂壩微相；直羅組二段繼承了一段中晚期曲流河沉積環境，以河道砂壩與河漫灘為主，展布方向與物源方向一致(圖4)。

圖2 典型井田延安組三段沉積相展布Fig.2 Sedimentary facies of the third member of Yan’an Formation in typical well fields

圖3 典型井田直羅組一段沉積相展布Fig.3 Sedimentary facies of the first member of Zhiluo Formation in typical well field

圖4 典型井田直羅組二段沉積相展布Fig.4 Sedimentary facies of the second member of Zhiluo Formation in typical well field

2.2 砂體展布規律

中深部礦井煤層頂板覆巖為陸相沉積，相變比較頻繁，沉積環境的變遷影響厚層砂體發育，控制著砂體在平面和剖面上展布的不均一性。從典型礦井的目的層位砂厚圖來看，延安組三段砂體沿北東-南西方向展布(圖5)，厚度1～55 m，平均18.7 m；直羅組一段沿北西-南東方向展布(圖6)，厚度為6～63 m，平均24 m；直羅組二段砂體展布方向與一段保持一直(圖7)，砂體厚度為4～55 m，平均為23 m。砂體總體呈現條帶狀展布，并且在平面上厚度變化大。

圖5 典型井田延安組三段砂厚展布Fig.5 Sand thickness of the third member of Yan’an Formation in typical well field

圖6 典型井田直羅組一段砂厚展布Fig.6 Sand thickness of the first member of Zhiluo Formation in typical well field

圖7 典型井田直羅組二段砂厚展布Fig.7 Sand thickness of the second member of Zhiluo Formation in typical well field

3 微震事件與沉積地質條件關聯性

微震監測作為沖擊地壓防治的重要技術手段，已經在煤礦安全生產中得到廣泛應用[3]，通過微震能量事件監測數據與沉積地質因素中的沉積環境、主砂體厚度、巖心采收率及主砂體與煤層間距對比，探索沖擊地壓與礦井沉積地質條件之間的關聯性。

3.1 沉積環境因素

砂地比作為沉積相表征的主要參數，一般把30%作為河道與河道間的界限，通過微震能量事件與砂地比值對比，2號典型礦井工作面砂地比大于30%區域，微震事件能量占比為83%，其中在63%～69%區域內占比達到59%。微震事件能量主要分布在主河道區域(圖8)。

圖8 2號典型礦井工作面砂地比與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.8 Relationship between the ratio of sandstone to ground thickness and the total energy of microseismic events per unit area of No. 2 typical mine

3.2 主砂體厚度因素

堅硬頂板的厚度較大時，頂板積聚彈性能的能力強，頂板在初次垮落或周期垮落過程中形成對煤層的高應力作用而發生沖擊地壓[17-19]。以1號典型礦井為例，煤層頂板上覆地層中沉積厚度最大的堅硬巖層是直羅組底部七里鎮砂巖，厚度為8.3～67.3 m，平均厚度為23.15 m，在平面上厚度分布極不均一。開采3-1煤頂板覆巖的主砂體是七里鎮砂體，厚度為8.3～35 m，平均厚度為20.68 m(圖9)。根據工作面微震監測大能量事件與主砂體厚度對比，大能量微震事件主要分布在主砂體厚度22～31 m區間(圖10)。

圖9 1號典型礦井工作面微震能量事件與主砂體展布Fig.9 Microseismic energy event and main sand body distribution in the working face of No.1 typical mine

圖10 1號典型礦井工作面主砂體厚度與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.10 Relationship between the thickness of the main sand body and the total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.1 typical mine

開采2-1煤層頂板覆巖結構相對簡單，主要砂體是七里鎮砂體，厚度區間為10～25 m，平均厚度為16.38 m(圖11)。經過微震監測各級能量事件與主要砂體展布規律的對比分析，微震監測能量事件發生的頻次和能級與主要砂體厚度平面展布規律呈正相關(圖12)。

圖11 2號典型礦井工作面微震能量事件與主砂體展布Fig.11 Microseismic energy event and main sand body distribution in the working face of No.2 typical mine

圖12 2號典型礦井工作面主砂體厚度與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.12 Relationship between the thickness of the main sand body and the total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.2 typical mine

通過2個工作面的微震監測能量事件與主要砂體厚度的對比，說明煤層頂部主要砂體在平面上厚度的不均一對工作面微震能量事件具控制作用。

3.3 主砂體巖芯采取率

堅硬頂板是影響沖擊地壓的關鍵因素較為明確，但是堅硬頂板的厚度、巖性及成巖作用在平面和剖面上的展布是非均質的，這些參數可以影響巖層的強度，進而影響巖層貯存及釋放能量的性能。目前很多礦井的巖石力學性質參數較少，針對關鍵厚度堅硬頂板的巖石力學參數更少，并不能完全反應整個礦井中對沖擊地壓產生影響作用的厚層堅硬頂板的分布不均一性。但是在礦井地質勘探期間，巖層合格巖心采取率的大小可間接反應巖層的完整度，可從宏觀上反映堅硬頂板的強度。從4號典型礦井工作面的數據來看，主砂體巖心采取率低于80%時，單位面積微震事件能量總和整體不超過20 J/m2，僅在75%處存在能量總和達到20 J/m2的較高值；而當主砂體巖心采取率大于80%時，單位面積微震事件能量總和明顯大部分大于20 J/m2。說明工作面主砂體巖心采取率高時，單位面積微震事件能量也越大(圖13)；2號典型礦井工作面主砂體巖心采取率數據也表現出明顯的關鍵層巖心采取率與微震事件能量呈正相關性的規律(圖14)。因此，工作面中關鍵厚層堅硬頂板巖心采取率是表示微震事件能量的可靠因素，是影響沖擊地壓的重要因素。

圖13 4號典型礦井工作面巖心采取率與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.13 Relationship between core recovery percentage and total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.4 typical mine

圖14 2號典型礦井工作面巖心采取率與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.14 Relationship between core recovery percentage and total energy of microseismic energy per unit area in the working face of No.2 typical mine

3.4 主砂體與煤層間距

厚層堅硬頂板的彎曲下沉受其下部煤層開采后直接頂垮落碎漲后形成的殘余空間大小影響[20]。堅硬頂板與煤層之間的層間距影響著堅硬頂板的垮落和斷裂，間接影響沖擊地壓的發生。從1號典型礦井工作面的數據來看，微震事件主要分布在主砂體與煤層層間距38.5 m以下，38.5 m以上零星分布(圖15)；礦井3工作面微震事件的總能量主要集中在主砂體與煤層層間距46 m以下，46 m之后微震事件的總能量逐步降低(圖16)，說明主砂體-煤層間距與微震大能量事件呈負相關。

圖15 1號典型礦井工作面主砂體-煤層層間距與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.15 Relationship between the main sand body-coal seam spacing and the total energy of microseismic energy events per unit area in the working face of No.1 typical mine

圖16 3號典型礦井工作面主砂體-煤層層間距與單位面積微震能量事件總能量關系Fig.16 Relationship between the main sand body-coal seam spacing and the total energy of microseismic energy events per unit area in the working face of No.3 typical mine

4 沖擊地壓影響因素分析

通過上述沉積相類型變化、主砂體厚度、巖心采收率及主砂體與煤層間距等因素與微震能量事件的關系對比，微震能量事件主要發育在河道沉積區域，主砂體厚度和巖心采取率的變化與微震能量事件基本呈現正相關性，主砂體與煤層間距和微震能量事件呈現負相關性。這是因為煤層覆巖層沉積環境變化頻繁，砂體空間展布極不均一。在漫長的地質演變過程中，在地應力的作用下，這些砂體內蘊藏著巨大的能量，其儲能能力和厚層砂巖厚度、礦物成分、成巖作用有著密切的關系。煤層開采時堅硬頂板不能及時垮落，大面積懸頂導致應力和能量再次積聚，當達到巖層極限承受能力時，突然破斷發生瞬時沖擊動力災害[21]，特別是直羅組一段底部辮狀河沉積的厚層粗粒石英砂巖頂板——“七里鎮砂巖”。由于沉積環境的影響，砂體具有在平面和剖面上非均質性強、變異性大等特點，形成了礦井不同區域和層位的巖層儲能的能力有所不同的特征，從而造成礦井不同區域發生沖擊顯現也是不同的。

根據延安組三段至直羅組二段沉積演化過程，直羅組底部沉積的“七里鎮砂巖”是區內較穩定的厚層堅硬頂板，也是礦井沖擊地壓防治預裂措施應該重點考慮層位。

5 結 論

1)中深部礦區煤層頂板發育有侏羅系延安組三段、直羅組一段和直羅組二段。延安組三段沉積期發育三角洲平原沉積，晚期發育曲流河沉積；直羅組一段沉積早期發育辮狀河沉積，中晚期發育曲流河沉積；直羅組二段沉積期發育曲流河沉積。沉積相變頻繁，相變控制厚層砂體分布的不均性。

2)中深部礦區沖擊地壓受沉積地質條件控制，與主河道沉積位置、主砂體厚度、巖心采取率及主砂體與煤層間距等因素呈現明顯的相關性。

3)中深部礦區對堅硬頂板的預裂措施應該重點考慮直羅組底部的厚層砂巖中。堅硬頂板性沖擊地壓防治可根據覆巖沉積環境的研究精細刻畫厚層堅硬砂體展布規律制定有差異性的防治措施。