韓 珂，王海軍

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

沖擊地壓是典型的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一，并可能誘發(fā)煤與瓦斯突出、煤層自然發(fā)火、冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害，嚴(yán)重威脅我國煤礦的安全生產(chǎn)［1-3］。隨著國家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)要求的不斷提高，煤礦井下頂板地質(zhì)問題突出，對(duì)強(qiáng)沖擊地壓礦井堅(jiān)硬厚層頂板厚度變化及空間展布狀態(tài)分辨不清的問題受到廣泛關(guān)注［4-6］。我國主要沖擊地壓礦區(qū)，在致沖主控地質(zhì)因素上表現(xiàn)出顯著的共性特征—上覆巨厚堅(jiān)硬砂巖層、沉積相變和構(gòu)造應(yīng)力集中等。大量研究表明，鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖或礫巖往往具有較高的巖石力學(xué)強(qiáng)度，當(dāng)其厚度超過10m 時(shí)，采空區(qū)周邊懸頂問題較為顯著，頂板懸頂不僅會(huì)給采場圍巖產(chǎn)生高應(yīng)力集中，而一旦斷裂，其產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載也容易誘發(fā)采場沖擊地壓［7］。黃隴侏羅紀(jì)煤田各礦井煤層頂板上方100m 范圍內(nèi)的巖層多以粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖及含礫粗粒砂巖為主，基本頂砂巖承載能力較強(qiáng)，在工作面回采及相鄰采空區(qū)通過該層頂板產(chǎn)生的動(dòng)、靜載荷對(duì)采掘空間造成影響，當(dāng)?shù)V井出現(xiàn)大面積采空區(qū)時(shí)，上覆關(guān)鍵層的影響將會(huì)逐漸增大，這些巖層通過傳遞靜載荷使得采掘空間的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)一步升高。

黃隴侏羅紀(jì)煤田部分礦井地應(yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)型，大部分區(qū)域?qū)儆诟呋虺邞?yīng)力場。各礦井均有一些巷道與最大水平主應(yīng)力的夾角較大，這些巷道在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道沖擊危險(xiǎn)性升高［8］。彬長礦區(qū)為國內(nèi)主要的產(chǎn)煤基地之一，位于黃隴侏羅系煤田，區(qū)域構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地南部的渭北北緣彬州-黃陵坳褶帶，太峪背斜以北。前期勘查表明，彬長礦區(qū)含煤巖系主要為曲流河沉積，巖性巖相在橫向和縱向上變化很大，煤層頂板組合形式復(fù)雜，整體穩(wěn)定性較差，容易誘發(fā)沖擊地壓、頂板離層等多種礦井災(zāi)害。

1 地質(zhì)概況

1.1 礦井地質(zhì)

彬長礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田的西部，大地構(gòu)造位置上處于鄂爾多斯盆地西南緣，渭北撓折帶北緣，西部褶皺沖斷帶東側(cè)，形成于盆地發(fā)展的中期［10］。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡單，總體為一向北西緩傾的單斜構(gòu)造，其上發(fā)育一系列短軸背斜與寬緩向斜，構(gòu)造線方向?yàn)镹E-NEE（圖1），地層傾角一般小于10°，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。孟村煤礦位于彬長礦區(qū)中西部，井田內(nèi)地層由老至新依次有上三疊統(tǒng)胡家村組（T3h）；下侏羅統(tǒng)富縣組（J1f）；中侏羅統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）；下白堊統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、環(huán)河組（K1h）；新近系（N）及第四系更新統(tǒng)（Qp）、全新統(tǒng)（Qh）。孟村井田延安組僅發(fā)育一段和二段，平均總厚55.59m，全井田僅一層可采煤層，即4 號(hào)煤層，4 煤形成于長期發(fā)育的泥炭沼澤中，為巨厚煤層。延安組二段以河沼相為主，河床相、河漫相交替出現(xiàn)，形成了該段以細(xì)-中粗粒砂巖為主要特點(diǎn)的碎屑巖沉積，零星分布的薄煤層形成于短暫而不穩(wěn)定的泥炭沼澤相，編號(hào)為4上煤，位于該段中上部，分布于井田中部偏西，為不可采煤層。直羅組頂部為紫雜色及灰綠色泥巖夾砂巖，含黃鐵礦結(jié)核，下部為灰綠色-灰白色砂巖夾灰綠色砂質(zhì)泥巖，底部為含礫粗粒砂巖-細(xì)粒砂巖。安定組巖性為棕紅色、紫紅色砂質(zhì)泥巖，夾薄層紫灰色、灰綠色中-粗粒砂巖，安定組以干旱氣候平原洪積相沉積為主。

井田北以七里鋪-西坡背斜為界，南部董家莊背斜東部傾沒端伸入井田內(nèi)部，二者之間構(gòu)成區(qū)內(nèi)的孟村向斜發(fā)育次一級(jí)的褶曲，由南至北依次為塬口子向斜、謝家咀背斜、禮村向斜（圖1），斷層不發(fā)育。目前分別在中央膠帶大巷、401 盤區(qū)巷道、401101 措施巷、401101 運(yùn)輸巷揭露到同一條正斷層（F1），為三維地震勘探在中央膠帶大巷解譯的DF29斷層向401 盤區(qū)的延伸部分，斷距為15～38m，走向NE，傾向SE，傾角60°～65°。礦井地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力大小及方向與褶曲構(gòu)造分布的相關(guān)性明顯，測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力（σH）約為垂直主應(yīng)力（σV）的1.66～2.10倍，最大水平主應(yīng)力（σH）與最小水平主應(yīng)力（σh）的比值介于1.43～1.62，最大水平主應(yīng)力方位角集中在145°～171°，對(duì)東西向巷道頂、底板的影響顯著。

1.2 礦井沖擊地壓特征

孟村煤礦主采4 號(hào)煤層，煤層厚度平均為20m，埋深700m，煤層頂板含多層砂巖，直接底板為鋁土質(zhì)泥巖。經(jīng)鑒定煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性［11］。礦井建設(shè)生產(chǎn)過程中動(dòng)力顯現(xiàn)頻次、強(qiáng)度日益增大，以發(fā)生在掘進(jìn)工作面附近為主，主要表現(xiàn)為煤炮，聲響巨大，底鼓，迎頭煤壁片幫嚴(yán)重，巷道成型差，支護(hù)施工困難等（表1）。研究表明［12］，此前煤礦中央大巷發(fā)生的沖擊地壓顯現(xiàn)與斷層、褶曲、埋深等因素共同提供了高應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)境，加之動(dòng)載荷對(duì)煤柱靜載荷擾動(dòng)，從而誘發(fā)沖擊地壓啟動(dòng)［12］（圖2）。

表1 孟村煤礦沖擊地壓顯現(xiàn)情況Table 1 Rock burst appearance in Mengcun coal mine

圖2 中央大巷及沖擊地壓顯現(xiàn)位置（平面）［12］Figure 2 Location of central main lane and impact ground pressure appearance（plan）

針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害，煤礦采用地面L 型水平井分段壓裂技術(shù)，對(duì)上覆高位關(guān)鍵層進(jìn)行區(qū)域水力致裂弱化堅(jiān)硬厚層頂板，之后對(duì)壓裂盲區(qū)采用“三位一體”卸壓措施：一是對(duì)上覆中位關(guān)鍵層采取定向長鉆孔水力壓裂進(jìn)行堅(jiān)硬厚層頂板弱化；二是對(duì)上覆低位關(guān)鍵層采取了頂板預(yù)裂爆破；三是對(duì)煤層采取了大直徑鉆孔和爆破相結(jié)合的鉆爆卸壓措施，對(duì)煤層靜載荷進(jìn)行強(qiáng)力卸壓。通過采取以上卸壓措施，工作面微震事件的能量和頻次均呈明顯下降趨勢，直至工作面完全通過“盲區(qū)”。

2 工作面煤層頂板結(jié)構(gòu)探查

2.1 工程布置原則

本次工作面頂板鉆孔探查工程布置主要遵循井上、下相結(jié)合，從已知到未知，由點(diǎn)到線，由線成面和地質(zhì)“三邊”工作原則，除此之外，也遵循了鉆孔“一孔多用”原則，頂板覆巖結(jié)構(gòu)探查孔同時(shí)也發(fā)揮了其頂板探放水孔的作用。在首先充分利用工作面及周邊鄰近的地質(zhì)勘查鉆孔資料和煤礦井巷揭露資料，在充分研究工作面頂板地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上開展鉆孔工程布置工作。其次，分批次施工鉆孔，首先以相對(duì)稀疏的鉆孔進(jìn)行總體控制，大致了解工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)變化并進(jìn)行剖面對(duì)比；在剖面對(duì)比的基礎(chǔ)上開展工作面沉積微相研究，分析工作面尺度頂板沉積微相及巖相組合變化；得出初步結(jié)論后巖相變化較大的區(qū)域進(jìn)一步施工鉆孔進(jìn)行精細(xì)控制。

2.2 工程部署方案

本次工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)探查工作在利用前期井下探放水鉆孔進(jìn)行鉆孔電視測井基礎(chǔ)上新布置井下頂板覆巖探查鉆孔，工作方法包括鉆探（部分取心編錄）、鉆孔電視測井、巖石薄片、巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石粒度采樣測試分析等。以401103 工作面為研究對(duì)象，工作面走向長度約1 860m，寬度約190m。設(shè)計(jì)在401103 工作面回風(fēng)順槽布置鉆孔7個(gè)，間距為200m，運(yùn)輸順槽布置鉆孔6 個(gè)，鉆孔間距300m。鉆孔平面布置見圖3。

圖3 401103工作面鉆孔位置平面示意圖Figure 3 Schematic diagram of drilling position for 401103 mining face

本次設(shè)計(jì)的鉆孔均以揭露工作面頂板100m 范圍內(nèi)的巖層為目的，為保證達(dá)到設(shè)計(jì)目的，鉆孔設(shè)計(jì)深度不小于110m，為實(shí)現(xiàn)工作面范圍內(nèi)鉆孔揭露點(diǎn)均勻分布，運(yùn)輸順槽鉆孔方位角180°，回風(fēng)順槽開孔方位角0°，仰角不小于80°，鉆孔取心率不低于80%。鉆孔揭露頂板后每個(gè)分層采取巖石力學(xué)樣1組，采取延安組、直羅組、安定組各粒級(jí)砂巖粒度統(tǒng)計(jì)分析樣和巖石薄片鑒定樣。

第三，物流保鮮技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。眾所周知，特色農(nóng)產(chǎn)品的保鮮期較短，如果想實(shí)現(xiàn)長距離的運(yùn)輸，在保證新鮮、安全的前提下，最重要的就是物流保鮮技術(shù)。但是從現(xiàn)狀看，該技術(shù)還存在一定問題，技術(shù)較為單一，運(yùn)輸效率慢。應(yīng)加快物流保鮮技術(shù)的研發(fā)，將GPS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、保鮮技術(shù)等進(jìn)行融合，為消費(fèi)者提供實(shí)時(shí)信息，保證農(nóng)產(chǎn)品安全送達(dá)。

3 頂板覆巖結(jié)構(gòu)及巖石力學(xué)特征

3.1 宏觀結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)本次13個(gè)頂板覆巖結(jié)構(gòu)探查孔鉆孔信息，結(jié)合前期探煤孔和探放水孔鉆孔資料，401103 工作面4煤層頂板100m 范圍內(nèi)依據(jù)巖性（相）變化（沉積旋回）、測井巖石物性曲線信息和標(biāo)志層等可劃分出5層主要砂體（圖4、圖5）。砂體主要組成巖性為中、粗粒長石石英砂巖或巖屑石英砂巖，局部相變?yōu)榧?xì)粒砂巖、粉砂巖，且砂巖普遍發(fā)育平行層理或波狀層理。S1 砂體位于延安組二段底部，砂體連續(xù)分布；S2 砂體位于延安組二段頂部，總體厚度變化較小，呈現(xiàn)出工作面西部和中部較厚，東部相對(duì)較??；S3砂體位于直羅組底部，砂體連續(xù)性較好，厚度總體變化較??；S4 砂體位于直羅組中部，工作面中部和東部較厚，西部和中東部相對(duì)較薄，厚度變化較大；S5砂體位于安定組底部，總體厚度變化較大。測井物性曲線表明，粗粒砂巖的自然伽馬值較低，曲線變化較為平穩(wěn)，呈鋸齒狀波動(dòng)，視電阻率曲線同樣呈鋸齒狀；中粒砂巖的自然伽馬曲線變化幅度較大，自然伽馬值相對(duì)較高，視電阻率具有明顯異常。中-粗粒砂巖的自然伽馬曲線呈明顯的較低異常，曲線呈鋸齒狀，視電阻率曲線較平穩(wěn)，無明顯異常，局部出現(xiàn)弱異常（圖4）。

圖4 401103工作面頂板覆巖主要砂體發(fā)育特征圖Figure 4 Development characteristics of main sand bodies in the roof overburden of mining face 401103

圖5 工作面煤層頂板5層砂體展布剖面圖Figure 5 Profile of 5 sand bodies distribution in the top of coal seam mining face

綜合對(duì)比5 層砂體，S3 和S4 砂體的平均厚度最大，分別為7.58m 和6.79m，其次為S1（6.42m）和S5（6.31m），S2 砂體的平均厚度相對(duì)最小，為5.65m。工作面煤層和主要砂體空間展布三維圖顯示（圖6），各砂體的厚度變化規(guī)律不一致，但總體表現(xiàn)為工作面中部或中南部較厚，其余部位則相對(duì)較薄，砂體連續(xù)性較好?？臻g展布總體表現(xiàn)出延安組S1和S2 砂體底板變化較一致，直羅組S3 和S4 砂體底板起伏較為一致，工作面西南部砂體底板相對(duì)較高，并向西北部和東北部逐漸降低。

圖6 401103工作面煤層及頂板5層砂體三維空間立體圖Figure 6 3D spatial stereogram of coal seam and 5 top sand bodies in 401103 mining face

5 層主要砂體之間普遍發(fā)育泥巖或砂質(zhì)泥巖（圖4、圖5），局部發(fā)育細(xì)粒砂巖，成為上下兩層堅(jiān)硬砂體之間的軟質(zhì)巖體，堅(jiān)硬砂體和軟質(zhì)巖體的接觸界面是煤層頂板的不穩(wěn)定部位，易誘發(fā)多種煤礦安全生產(chǎn)事故，應(yīng)予以足夠重視。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 巖石成分分析

S1砂體巖性主要為灰白色中-粗粒砂巖，局部相變?yōu)榧?xì)粒砂巖，發(fā)育平行或波狀層理，含炭屑和鏡煤條帶，局部含植物葉片化石和黃鐵礦結(jié)核（圖7a-e）；細(xì)粒砂巖中礦物和巖屑約占90%，基質(zhì)約占10%，硅質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，以硅質(zhì)為主，顆粒形態(tài)多為次棱角狀、棱角狀，磨圓度偏差，分選性好（圖7f）；中-粗粒砂巖主要由礦物、巖屑（約90%）和膠結(jié)物（約10%）組成，顆粒形態(tài)多為次棱角狀，極少次圓狀，磨圓度中等，分選性中等，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)和少量鈣質(zhì)。S2砂體巖性主要為灰-灰白色厚層-巨厚層狀中、粗粒砂巖，局部相變?yōu)榧?xì)粒砂巖或粉砂巖，偶含植物化石；粉砂巖主要由細(xì)砂、粉砂和硅質(zhì)膠結(jié)物組成，其中細(xì)砂、粉砂（約85%）形態(tài)多為次棱角狀、棱角狀，磨圓度較差，巖石為硅質(zhì)膠結(jié)，呈粉砂狀結(jié)構(gòu)；含礫粗砂巖主要由礫、砂、硅質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)物組成，細(xì)礫及砂多為次棱角狀，少次圓狀，磨圓度中等偏好，分選性中等，巖石基質(zhì)膠結(jié)物主要為硅質(zhì)和鈣質(zhì)，以前者為主，呈粗粒砂狀結(jié)構(gòu)（圖7g）。S3 砂體巖性主要為灰-灰綠色厚層狀含礫粗砂巖或中-粗粒砂巖（圖7h），主要由礦物顆粒、巖屑（約90%）和膠結(jié)物（約10%）組成，成分成熟度中等，碎屑顆粒形態(tài)多為次棱角狀，極少次圓狀，磨圓度中等，分選性中等，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)，含少量鈣質(zhì)成分。S4 砂體巖性為淺灰黑-灰白色厚層-巨厚層狀中、粗粒砂巖，砂巖上部可見2-3cm 礫石（圖7i），局部相變?yōu)榧?xì)粒砂巖；中、粗粒砂巖碎屑顆粒形態(tài)多為次棱角狀，少為次圓狀、棱角狀，磨圓度中等偏差，粒度大者達(dá)1.60mm，分選性中等，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)、泥質(zhì)和鈣質(zhì)，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)。S5 砂體巖性主要為一套灰白色-灰綠色厚層-巨厚層粗-細(xì)-粗粒砂巖組合，發(fā)育平行層理，粗粒砂巖中可見礫石，含礫粗砂巖中礦物及碎屑形態(tài)多為次棱角狀，極少為次圓狀，磨圓度中等，分選性中等，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)、泥質(zhì)，含少量鈣質(zhì)，孔隙式膠結(jié)，顆粒支撐，巖石呈粗粒砂狀結(jié)構(gòu)。

圖7 煤層頂板砂體宏微觀照片F(xiàn)igure 7 Macro and micro photos of coal seam roof sand bodies

3.2.2 巖石粒度分析

粒度是碎屑巖最基本和最主要的結(jié)構(gòu)特征，碎屑顆粒的粒度決定了巖石的類型，碎屑巖的粒度分布是衡量搬運(yùn)介質(zhì)的度量尺度和判別沉積環(huán)境及水動(dòng)力條件的良好標(biāo)志之一，因此利用碎屑巖的粒度分布可反映最原始的沉積狀況［13-15］。本次采集工作面頂板100m 范圍內(nèi)主要砂體樣品進(jìn)行砂巖粒度分析?；陲@微鏡成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)二維圖測量技術(shù)，采用巖石薄片粒度圖像分析法進(jìn)行粒徑測量，除個(gè)別粗粒砂巖樣品統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量較少，其余樣品統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量均在500個(gè)以上。然后對(duì)顆粒進(jìn)行篩析校正及雜基校正，最終得出顆粒粒徑及相應(yīng)含量，分別以圖解法和矩法計(jì)算得出相應(yīng)的粒度參數(shù)（表2）。S1 砂體樣品粒徑分布不均一，且跨度較大，大部分砂巖粒度分選呈中等-較差，除2 個(gè)樣品為負(fù)偏（-0.05和-0.04）外，其余均為正偏度，表明其沉積以較粗物質(zhì)為主，且留有一個(gè)細(xì)物質(zhì)的尾部，此在河流沉積中多見，平均水動(dòng)力條件動(dòng)蕩。S2 砂體以中、細(xì)粒砂為主，平均粒徑分布不均一，大部分砂巖粒度分選中等—較好，其沉積以較粗物質(zhì)為主，表明其平均水動(dòng)力發(fā)生了較大的變化。S3、S4和S5 砂體均以中、粗粒砂為主，砂巖粒度分選中等—較差，其沉積以較粗物質(zhì)為主，反映水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)。

表2 工作面煤層頂板砂體粒度分析參數(shù)Table 2 Parameter for particle size analysis of coal seam roof sand body in working face

延安組二段S1 和S2 砂體粒度分布頻率曲線類型基本均為雙峰態(tài)和多峰態(tài)，砂體概率累積曲線呈滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式、跳躍-懸浮兩段式和懸浮一段式，表明延安組二段形成于水體復(fù)雜的環(huán)境，水動(dòng)力條件有弱有強(qiáng)，多屬河流相沉積，砂體具多物源屬性（圖8a—d）。直羅組S3 和S4 砂體粒度分布頻率曲線基本均為雙峰態(tài)和多峰態(tài)，主要碎屑組分以中、粗粒居多，砂體概率累積曲線特征主要表現(xiàn)為滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式和跳躍-懸浮兩段式，表明直羅組砂體具多物源屬性，形成于水體復(fù)雜的環(huán)境，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，多屬河流相沉積（圖8e—h）。安定組底部S5 砂體粒度分布頻率曲線基本均為雙峰態(tài)和多峰態(tài)，砂體上部砂巖層曲線特征主要表現(xiàn)為懸浮一段式、跳躍-懸浮兩段式和滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式，同樣表明安定組砂體具多物源屬性，形成于水體復(fù)雜的環(huán)境，水動(dòng)力環(huán)境有弱有強(qiáng)（圖8i，j）。

圖8 頂板砂體頻率分布曲線和概率累積曲線Figure 8 Frequency distribution curve and probability accumulation curve of roof sand bodies

3.3 頂板巖層力學(xué)特征

本次進(jìn)行工作面頂板主要砂體巖石物理力學(xué)測試的樣品在平面和縱向上分布較均勻，取樣深度（從頂板孔孔口處起）介于12.00～117.80m，自下而上，共采集16 組共93 件巖石樣品，測試結(jié)果見表3。對(duì)工作面頂板100m 范圍內(nèi)各主要砂體（砂巖層）飽和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析（表3、圖5、圖9），S1 砂體、S4砂體和S5砂體厚層-巨厚層狀中、粗粒砂巖具有較大的飽和抗壓強(qiáng)度，一般均大于15MPa，平均為20.00MPa，最大為29.98MPa；S2 砂體和S3 砂體的整體飽和抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小，基本都小于15MPa，平均為11.29MPa，最小為5.62MPa，最大僅為15.67MPa。

表3 工作面頂板砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)主要參數(shù)分布Table 3 Distribution of main parameters of rock mechanic properties of roof sandstone of mining face

圖9 工作面頂板砂體飽和抗壓強(qiáng)度對(duì)比Figure 9 Comparison of saturated compressive strength of top sand bodies above mining face

工作面頂板砂體的飽和抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖10a），且飽和抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的1.5～5 倍，這是因?yàn)樵趬嚎s條件下，裂縫擴(kuò)展受阻的機(jī)會(huì)比在拉伸條件下大很多，決定抗拉強(qiáng)度的因素主要是巖石顆粒間的凝聚力和摩擦力，在拉張條件下，樣品中裂隙擴(kuò)展速率比壓縮時(shí)快，因?yàn)樵诶瓚?yīng)力場中，儲(chǔ)存能釋放速率隨裂隙尺寸微量增加而迅速增大。飽和抗壓強(qiáng)度與孔隙率和吸水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖10b，c），工作面頂板砂巖的彈性模量與飽和抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，與泊松比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較好（圖10d，e）。反映了巖石壓縮條件下能夠承受最大應(yīng)力值隨著巖石的承載能力的增加而呈線性增加，巖石的承載能力隨著巖層的膨脹變形能力增大而減小。S1、S4和S5砂體的彈性模量相對(duì)S2 和S3 砂體更大，而同一砂體內(nèi)細(xì)粒砂巖的彈性模量相對(duì)中、粗粒砂巖更大。凝聚力與內(nèi)摩擦角是抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)，凝聚力與飽和抗壓強(qiáng)度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖10f），各砂體內(nèi)不同粒級(jí)砂巖的凝聚力變化與飽和抗壓強(qiáng)度變化具有相似的規(guī)律，即S1 砂體、S4 砂體和S5 砂體整體具有相對(duì)較大的凝聚力，平均為4.11，最大為5.26，S2 砂體和S3 砂體的整體凝聚力相對(duì)較小，平均為2.45，最小為1.93，最大為3.03。工作面煤層頂板內(nèi)各粒級(jí)砂巖的內(nèi)摩擦角變化不明顯，主要集中在32.77°～37.38°，平均為35.30°，反映砂巖中顆粒移動(dòng)需要克服的滑動(dòng)摩擦和顆粒之間的嵌入與咬合產(chǎn)生的咬合摩擦程度相差不大，因而影響抗剪強(qiáng)度差異的主要因素是砂巖的凝聚力。

圖10 工作面頂板砂體巖石力學(xué)參數(shù)特征Figure 10 Rock mechanic parameter characteristics of roof sand bodies

4 頂板沉積環(huán)境分析

4.1 頂板沉積特征與巖石力學(xué)關(guān)系

弗里德曼研究了取自世界各地的有代表性的砂樣，他用矩法標(biāo)準(zhǔn)偏差和矩法偏度所做的散點(diǎn)圖能夠很好地把河流砂和海灘砂-湖灘砂區(qū)別開來［15］。河流砂多為正偏度，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，顯示分選性較差。本次對(duì)工作面頂板5層砂體樣品進(jìn)行投點(diǎn)，顯示所有樣品均位于河流砂一側(cè)（圖11a），綜合前文粒度分析結(jié)果，工作面頂板5 層砂體沉積環(huán)境應(yīng)為河流相。C-M圖解是表示沉積物結(jié)構(gòu)和沉積作用關(guān)系的集合圖解，可與其他要素共同判別沉積環(huán)境［16］，依據(jù)工作面頂板5 層砂體樣品C值和M值繪制了C-M圖件（圖11b），所有樣品C值最大為2 370，最小值為80，平均值為666.02，樣品最大M值為2 020，最小值為30，平均值為335.28。砂體基本落在帕塞加的典型牽引流C-M圖中的OP、PQ 和RS段，OP 段以滾動(dòng)搬運(yùn)為主，滾動(dòng)組分與懸浮組分相混合；PQ 段仍以懸浮搬運(yùn)為主，但含有少量滾動(dòng)搬運(yùn)組分；RS 段為均勻懸浮，是粒徑和密度不隨深度變化的完全懸浮。表明工作面頂板砂體樣品的形成主要受牽引流沉積作用控制，均具有河流相沉積特點(diǎn)。

圖11 弗里德曼散點(diǎn)圖和C-M圖Figure 11 Friedman scatter plot and C-M plot

對(duì)于鄂爾多斯盆地南部下—中侏羅統(tǒng)延安組和直羅組的沉積環(huán)境，前人已做過大量研究［17-19］。延安組主要發(fā)育河湖三角洲沉積體系，其演化過程分為早期的河流沉積-中期的河湖三角洲沉積-晚期的河流回春三個(gè)不同的演化階段。直羅組沉積厚度大，整體表現(xiàn)出低位體系域的特點(diǎn)，主要以河流體系為主，直羅早期以辮狀河沉積為主，晚期轉(zhuǎn)化為曲流河，并伴之有心灘、邊灘、天然堤、決口扇等微沉積環(huán)境。本次通過砂巖巖礦、沉積構(gòu)造標(biāo)志及粒度分析等綜合研究，確定了孟村煤礦401103 工作面頂板上覆延安組二段、直羅組和安定組底部均為河流相沉積環(huán)境，并進(jìn)一步可劃分出河流邊灘相、天然堤相、河床滯留相等沉積微環(huán)境（圖12）。

圖12 工作面運(yùn)輸順槽沉積斷面圖Figure 12 Cross section of sedimentation along the transportation of down trough of the mining face

延安組二段地層中，S1 砂體內(nèi)天然堤相細(xì)粒砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度相對(duì)最大，隨著巖石粒徑的逐漸增大，飽和抗壓強(qiáng)度有減小的趨勢，河流邊灘相中、粗粒砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度相對(duì)降低，這是由于中、粗粒砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，且?guī)r石組成中硅質(zhì)成分（石英）含量相對(duì)較低，導(dǎo)致其抵抗變形的能力相對(duì)較差。S2 砂體內(nèi)邊灘相含礫粗砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小，這與巖石的孔隙率和吸水率具有密切關(guān)系，巖石的孔隙率和吸水率增大，其抵抗變形的能力就變差，飽和抗壓強(qiáng)度也隨之降低。

直羅組不同粒級(jí)砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度同樣表現(xiàn)出隨粒徑和孔隙率的逐漸增大，其飽和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，直羅組底部邊灘相含礫粗砂巖（S3 砂體）巖石力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)最低。分析對(duì)比安定組邊灘相和河床滯留相中粗粒砂巖和粗粒砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度和孔隙率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同樣存在隨巖石孔隙率的逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸變小的規(guī)律。綜上，同一砂體內(nèi)各粒級(jí)砂巖整體表現(xiàn)出隨著組成巖石的礦物粒徑的逐漸增大，巖石的孔隙率和吸水率逐漸增大，而水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)具有重要的影響，在干燥或較少含水量情況下，巖石在峰值強(qiáng)度后表現(xiàn)為脆性和剪切破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的應(yīng)變軟化特性，隨著含水量的增加，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量值均急劇降低，主要表現(xiàn)為塑性破壞，且應(yīng)變軟化特性不明顯［20］，由此導(dǎo)致巖石抵抗外界變形的能力變差。形成于不同的沉積環(huán)境（處于不同區(qū)域）的同一粒級(jí)的砂巖，也會(huì)表現(xiàn)出不一致的巖石物理力學(xué)特征（表4），這是由于其礦物組成（較高石英含量導(dǎo)致巖石力學(xué)強(qiáng)度增大）、膠結(jié)物類型（巖石硅質(zhì)膠結(jié)物含量較高導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度增大）和結(jié)構(gòu)（顆粒支撐一般強(qiáng)于雜基支撐）構(gòu)造等因素的差異所致［21］。

表4 不同砂體巖石飽和抗壓強(qiáng)度Table 4 Saturated compressive strength of different sand body rocks

4.2 沉積環(huán)境與沖擊地壓的關(guān)系

鄂爾多斯盆地是一個(gè)經(jīng)歷了多期構(gòu)造和沉積演化旋回的疊合盆地，盆地內(nèi)構(gòu)造簡單，地層平緩。主要的構(gòu)造形式有隆起、坳陷及寬緩褶皺等。晚古生代以來經(jīng)歷了三期主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：印支運(yùn)動(dòng)（T）以近水平和南北向（179°～359°）的最大主壓應(yīng)力軸（σ1）為基本特征；燕山運(yùn)動(dòng)（J2）發(fā)育近水平最大主應(yīng)力，應(yīng)力方向?yàn)?30°～310°；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)（新近紀(jì)中新世—早更新世）最大主壓應(yīng)力軸呈NNESSW 方向［22］。黃隴侏羅紀(jì)煤田部分礦井地應(yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)型，大部分區(qū)域?qū)儆诟呋虺邞?yīng)力場，各礦井均有一些巷道與最大水平主應(yīng)力的夾角較大，這些巷道在最大水平應(yīng)力作用下，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)松動(dòng)與錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致巖層膨脹、變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道沖擊危險(xiǎn)性升高［8］。而在煤巖層褶曲構(gòu)造的向斜和背斜軸部區(qū)域應(yīng)力水平一般較高，更易于引起以巷道頂、底板受到顯著破壞為主的礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓，該規(guī)律在掘進(jìn)巷道表現(xiàn)尤為突出。多期應(yīng)力場作用形成的斷層、褶曲、以及主采煤層埋深等因素提供了高應(yīng)力基礎(chǔ)環(huán)境，造成彬長礦區(qū)煤柱靜載荷高度集中的重要原因之一是上覆厚硬頂板長梁式懸臂與下沉，并且隨時(shí)間變化不斷加劇，直至斷裂產(chǎn)生了誘發(fā)沖擊的動(dòng)載荷。針對(duì)該類沖擊地壓防治，應(yīng)對(duì)煤層上覆厚層硬頂板進(jìn)行人為致裂，使其長梁變短梁，大塊變小塊，從而不再具備懸臂功能，也使得其上覆載荷由硬傳遞變?yōu)檐泜鬟f［23-24］。

孟村煤礦401103 工作面頂板100m 范圍內(nèi)5 層主要砂體之間普遍發(fā)育泥巖或砂質(zhì)泥巖，成為上下兩層堅(jiān)硬砂體之間的軟質(zhì)巖體，堅(jiān)硬砂體和軟質(zhì)巖體的接觸界面是煤層頂板的不穩(wěn)定部位，砂泥互層形成的頂板層面之間的聯(lián)接力較差，采掘過程中沿層面容易剝離。由于工作面尺度也存在沉積微相的縱向和橫向變化，使得煤層上覆5 層砂體在空間上的展布并不穩(wěn)定，表現(xiàn)為各層砂體厚度和頂?shù)装宓牟粩嘧兓?，且變化?guī)律也不一致，但頂板砂體整體厚度較大，導(dǎo)致其整體活動(dòng)時(shí)釋放的彈性能總量具有致災(zāi)性，特別是工作面中部和中南部區(qū)域，頂板砂體整體偏厚?？臻g展布總體表現(xiàn)出延安組S1和S2 砂體底板變化較一致，直羅組S3 和S4 砂體底板起伏較為一致，工作面西南部砂體底板相對(duì)較高，并向西北部和東北部逐漸降低。S1、S4 和S5 砂體的強(qiáng)度高、厚度大，其破斷將對(duì)后期回采工作面的礦壓顯現(xiàn)起到控制作用。參照401101 首采工作面冒采比，401103 工作面最大冒落帶高度預(yù)計(jì)為55.25～72.25m，最大冒落帶高度基本可波及至S5 砂體底板，由于S1、S4 和S5 砂體厚度較大、強(qiáng)度較高且頂?shù)装迤鸱^大，部分地段煤層頂板砂體將難以冒落。結(jié)合本次頂板覆巖探查成果，401101 工作面微震事件的能量集中層位應(yīng)為安定組底部S5砂體。針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害，煤礦采用地面L 型水平井分段壓裂技術(shù)，對(duì)上覆高位關(guān)鍵層--安定組底部S5 砂體，進(jìn)行區(qū)域水力致裂弱化，壓裂影響范圍大致為煤層頂板以上40～100m，所以S4 砂體也在壓裂影響范圍內(nèi)。通過采取以上卸壓措施，工作面微震事件的頻次和能量均呈明顯下降趨勢，表明上覆厚層砂巖得到有效預(yù)裂，覆巖載荷分布趨于均勻，達(dá)到預(yù)期效果，有效防止了礦井沖擊地壓的發(fā)生。

5 結(jié)論

1）采用地質(zhì)鉆探、鉆孔窺視，剖面、平面沉積旋回法、層序地層對(duì)比與劃分法將孟村煤礦401103工作面頂板100m 內(nèi)的覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)探查，對(duì)比劃分出5 層連續(xù)展布可以追蹤和對(duì)比的砂體，工作面沉積微相是控制各層砂體厚度和底板標(biāo)高的主要因素。

2）401103 工作面頂板延安組二段、直羅組、安定組底部均為曲流河沉積，發(fā)育有天然堤、河漫灘、邊灘等沉積亞相及其相應(yīng)的微相。各沉積環(huán)境中天然堤相細(xì)粒砂巖和粉砂巖的巖石力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)最大，隨著巖石粒徑的逐漸增大，邊灘相和河床滯留相中、粗粒砂巖的強(qiáng)度相對(duì)降低。不同沉積環(huán)境同一粒級(jí)砂巖的巖石力學(xué)強(qiáng)度因石英含量增高，硅質(zhì)膠結(jié)物含量增高，顆粒支撐結(jié)構(gòu)等因素而增大。

3）根據(jù)探查結(jié)果結(jié)合微震監(jiān)測確定S5 砂體是礦井沖擊地壓致災(zāi)的關(guān)鍵層，精細(xì)的刻畫了該關(guān)鍵層的空間展布特征及其巖石力學(xué)參數(shù)特征，煤礦應(yīng)針對(duì)該層位進(jìn)行區(qū)域壓裂改造。

4）井田現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力靜載荷和頂板堅(jiān)硬厚層砂巖在采動(dòng)條件下周期性破斷所產(chǎn)生的動(dòng)載荷協(xié)同作用是礦井沖擊地壓災(zāi)害的主要?jiǎng)恿χ?。孟村煤礦采用地面水平井分段水力壓裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬厚層砂體進(jìn)行區(qū)域先行的超前壓裂改造，有效降低礦井沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。

5）采用該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層頂板的精細(xì)刻畫并采用三維地質(zhì)建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層頂板致災(zāi)關(guān)鍵層的透明化，為礦區(qū)內(nèi)頂板、沖擊地壓、瓦斯、水害等災(zāi)害精準(zhǔn)防治提供靶區(qū)，為煤礦的安全、高效、綠色、智能化開采提供地質(zhì)保障技術(shù)。