厚煤层构造区域缺陷防治冲击地压

5.1　厚煤层构造区域缺陷防治冲击地压

试验研究主要在开滦赵各庄矿进行，自1997年开始研究应力释放特征、放顶煤防治冲击地压力学机理等，2006年开始系统研究工程缺陷防治冲击地压原理与技术体系，安全开采多个工作面，主要研究煤层为12煤层，研究区域为井口宽缓向斜轴部，现就研究、试验主要成果阐述如下。

5.1.1　矿井概况

开滦赵各庄矿是一座具有一百多年开采历史的老矿，设计生产能力为120万吨，煤层赋存情况较复杂，矿井采用主斜井、副立井提升，阶段石门开拓，随着生产区域向深部转移，新区域煤层赋存倾角在26～43°之间，属倾斜煤层。

5.1.1.1　地质构造概况

(1)地质构造总体特征

赵各庄矿位于开平向斜东北翼，开平向斜是燕山运动形成的新华夏构造体系中的一个构造单元，各线性构造均具有新华夏构造的特征，属于地质构造相对发育和复杂的断块边缘区。岩层走向呈北东向，向斜西北翼倾角陡立，直至倒转，并伴随产生大量的挤压性的冲掩断层和次一级褶皱，构造呈北北东——北东向展布，以压扭性为主。断层走向与向斜轴基本一致，落差较大，对井田起着控制作用。断层间伴随着大量的褶曲和各类小断层，构造十分复杂。井田范围内的构造形式以断裂为主，断裂构造的特征及展布规律从总体上看与开平向斜区域地质构造相似。通过对赵各庄矿地质资料分析认为，赵各庄矿煤田地质构造是不同时期、不同应力的综合作用，主应力方向为北西西向至近东西向为主。根据煤岩构造及展布规律、煤岩层产状变化和赋存条件，将赵各庄矿井田划分为四个构造块：

①　井田东翼倾斜区

范围指井口西大井保安煤柱线以东区域，倾角25～35°，倾向S-SW。该区域内有三条主要断层：东Ⅲ、东Ⅶ、东Ⅷ断层，以东Ⅲ断层对开拓、开采影响较大，东Ⅲ断层水平错距50～80m，由5～7个平行小断层组成，破坏影响带达百米以上，开拓航道通过断层带，裂隙发育，岩石松动、脱落，需采取综合支护。东Ⅲ断层由煤系地层切穿奥灰，破坏了12煤层底板至奥灰岩柱的完整性，缩小了岩柱厚度，增加了奥灰突水危险，断层两侧开采需留设一定的防水煤柱。

②　井口缓斜－倾斜区

范围指井口西大井保安煤柱线至西16号剖面，倾角20～45°，倾向S-SW，区内有三条断层，即西、东Ⅰ、东Ⅱ断层，均为同向逆断层，走向S60～70°E，倾角40°，落差3～8m，断层通过部位煤岩层走向变化大，两侧牵引褶曲发育。

③　井口西翼急正区

范围指16号剖面以西至20道石门，煤岩层倾角45～90°，倾向S-SE区内倾角由东向西逐渐增大，但地质构造叫简单，只发育西Ⅲ断层，走向110°，与煤岩层走向夹角10～20°，断层倾角小于煤岩层倾角，断层切穿整个煤系地层，落差达30～50m，表现为煤层大范围重复，十水平部分地段12煤层沿断层重复200～350m。

④　井田西翼金庄倒转区

范围指20石门以西，煤层倾角北倾70～90°，倾向N-NW，该区域为构造挤压区，断裂构造复杂。反Ⅳ、反Ⅴ、反Ⅵ，西斜，巍Ⅰ断层都在本区通过。

井田主要断层特征参数见表5-1所示。

表5-1　井田主要断层特征参数表

根据深部开采实现资料，矿井随深度增加地质构造将变得简单。主要表现在：地层倾角随深度的增加而减小，即缓斜～倾斜区域范围增大，急正区及倒转范围减小；九水平以浅的主要地质构造对深部影响有所减弱，部分断层在深部尖灭，如反Ⅳ、反Ⅴ断层在十水平以上，东Ⅰ、东Ⅱ断层在十一水平以上消失。因此，对十二及其以下水平有影响的断层有东Ⅲ、东Ⅶ、东Ⅷ、西Ⅰ、西Ⅲ等。

(2)地质构造影响分析

以上断层均为矿井大中型断层，落差较大，延展范围较长。从上巷实际揭露资料看，这些断层使各可采煤层受到严重切割，并导致在断层两侧发育一定宽度的构造影响带和薄煤带，同时造成煤岩层产状发生较大变化。在构造影响带内，还发育次一级的伴生小断层，进一步加剧了对煤层的切割和破坏，给开采带来了一定困难，如东Ⅶ断层、东Ⅷ断层，上巷多未采至断层。在以上这些大中型断层中，又以东Ⅲ断层影响最大，该断层往往表现为5～7个平行小断层构成的断层组，破坏和影响带达百米以上，断层附近煤岩层破碎、松动，容易抽冒，对采掘及开拓施工影响较大。另外，东Ⅲ断层由煤系地层一直切穿到奥灰，破坏了12煤层底板至奥灰间岩柱的完整性，缩小了岩柱厚度，增加了奥灰突水的危险性。1972年3月矿井9132工作面奥灰突水就是发生在位于12煤层底板中的东Ⅲ断层带上。

5.1.1.2　煤层地质概况

赵各庄矿井煤系地层由石炭系中、上统及二叠系下统组成，煤系地层的起始与终止标志分别为G层铝土岩和A层铝土岩。其下伏地层和上覆地层分别为奥陶系石灰岩和二叠系上统紫杂色碎屑岩及泥质岩沉积。煤系地层内标志层共有11层，自下而上依次为：G层铝土岩、K2泥质灰岩、唐山石灰岩(称K3)、14煤层顶板石英中砂岩、赵各庄石灰岩(位于13煤层顶板，称K6)、12煤层顶板腐泥质粘土岩、11煤层顶板粉砂岩、9煤层顶板粗砂岩、7煤层顶板中砂岩、5煤层顶板粉砂岩及A层铝土岩。

煤系地层沉积稳定，地质层位齐全，总厚度为401～510m，平均460m，共含煤17层，编号自上而下依次为1～17。可采煤系地层为5煤层顶板至12煤层底板，厚度为90～140m，平均113m。可采及局部可采煤层共6层，分别为5、7、9、11、12煤层，其中7、9、12煤层为可采煤层。5、11煤层厚度较薄，接近最低可采厚度，仅局部可采，且难以选择合适的采煤方法，其地质储量已转到表外。12煤层在井口区域全部可采。

5.1.2　工作面概况

3137东一面属于赵各庄矿十三水平12煤层西翼采区。工作面标高为+994.7～+1097.0m，地面标高为+40m，垂深1137.0m；工作面走向长246.0m，倾斜长75.0m。上至12水平，12水平以上为2137、2237、2337，2137和2237于1989～1991年回采完毕，2337东面尚未回采；下至13水平，13水平以下尚无采掘工程；西至13西1石门上山，上山以西为3137西面于2003至2009年回采完毕，东至东Ⅲ断层煤柱线；上山以西上覆9煤层3297西上面正在回采。如图5-1所示。

图5-1　3137东一面及东二、东三面平面示意图

5.1.2.1　煤层赋存情况

3137工作面为原生煤层，煤层走向变化大，100°～180°之间。煤层倾角在9°～32°之间，平均倾角20°，煤层结构简单，煤层厚度在8.5～11.2m之间，平均9.7m，硬度系数为1.54。煤层顶板依次为6.32m厚的泥质粘土岩、2.38m厚的粉砂岩、6.94m厚细砂岩及11.79m厚的中砂岩，底板为粉砂岩。如图5-2所示。

图5-2　煤层柱状图

5.1.2.2　地质构造情况

13水平西翼1石门位于矿井西翼宽缓向斜核部，受向斜构造影响，构造应力集中，煤层及顶底板裂隙发育，破碎，易抽冒。该区域地质构造较复杂，小构造发育，且以小断层为主，断层附近煤质松软，易抽冒。局部还会发育小褶曲构造，造成煤层走向摆动、倾角起伏变化较大。施工中须采取相应安全技术措施。已实见的地质构造主要见表5-2，可能揭露新的地质构造。

表5-2　掘进揭露断层情况

5.1.3　3137东一面缺陷法防治冲击地压技术

在3137工作面运输顺槽一侧进行行缺陷法卸压。为保护运输顺槽，需要在工作面一侧开掘卸压巷，卸压巷长60m，卸压巷与运输顺槽之间煤柱宽为7m。如图5-3所示。

图5-3　缺陷卸压区域示意图

在赵各庄矿3137东上工作面的副上山进行了卸压槽技术的实施(如图5-4)，并安装了钻孔应力计(图中5、6、7)进行应力变化的监测。工作面停采后，布置在副上山的钻孔应力未出现快速增长与突变现象(如图5-5)，说明卸压槽起到释放能量作用，效果明显。

图5-4　卸压槽与应力计布置示意图

图5-5　5～7#钻孔监测所得应力分布曲线

5.1.4　3137西中面缺陷法防治冲击地压技术

针对3137西中面工作面的地质复杂条件，即该煤层处于向斜轴部，同时又由于上分层的开采造成下面煤层不得不过渡原来的停采线。最危险区域为原始停采线与新开采工作面煤壁重合的状态，工作面进入煤柱后，由于采用放顶煤开采，必然对原来顶分层开采形成的应力分布起到扰动作用，使得处于原始应力状态下的煤层，不得不改变煤层的受力状态，工作面开采进入煤柱前，对上山东帮(靠近3137西中面一分层始采线侧)采取深孔卸压技术，孔深达到20m，能有效降低高应力的集中程度，同时对顺槽进行预先卸压、动态监测和有效解危措施，能够避免大的动压现象。但是由于采高比较大，不能达到安全生产，需要人为采取大空间卸压技术。因此在3137工作面跨上山的煤帮上面进行大空间卸压，即掘进卸压巷道，如图5-6所示。

图5-6　卸压巷示意图

通过在现场关键位置进行实测研究，结合现场实际运用情况，达到了预计的效果，实现了工作面的安全开采。