霍州煤電晉北礦區隱蔽致災地質因素及防治措施

劉海濤,張 帆

(1.霍州煤電集團 云廈建筑工程有限公司防治水工程技術分公司,山西 霍州 031499;2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

煤礦隱蔽致災因素具有隱蔽性、時變性、突發性的特點,探測和預防難度大。不同的隱蔽致災地質因素有其不同的存在狀態或發育特征,在生產過程中,如不能預先辨識,將給采掘活動造成影響,甚至發生事故。據不完全統計,在我國的煤礦重大事故中,與地質條件有關的各類事故約占80%[1-3]。2013年,我國《煤礦地質工作規定》中專門將“煤礦隱蔽致災地質因素普查”列為一章,對隱蔽致災地質因素調查做了具體的規定。特別是近年來,多數煤礦逐漸轉入深部煤炭資源開采,深部開采面臨高沖擊地壓、高地溫、高瓦斯等地質條件[4-5],隱蔽致災因素的類型增多,而且災害程度加重,煤礦生產的難度加大。因此,加強煤礦隱蔽地質因素的調查與研究,已成為煤礦安全、高效、可持續開采的重要保障。

1 工程概況

晉北井田位于山西省靜樂縣境內,隸屬山西霍州煤電集團,行政區劃屬山西省靜樂縣娘子神鄉管轄。井田南北長約3.744 km,東西寬約2.719 km,面積為8.567 2 km2。批采開采2號—6號煤層,開采標高1 379.99～649.99 m;開采方式為斜井開采,采用走向長壁采煤法,生產規模為12 萬t/a。截止2019年底,礦井保有儲量為3 436.83 萬噸,可采儲量為1 096.96 萬噸。

井田位于靜樂盆地東南部邊緣處,地處晉西北黃土高原,植被稀少,地形較為復雜,切割劇烈。井田內地形總體東南高,西北低,最高點位于井田東南部,標高為+1 574.0 m；最低點位于井田西部牛泥溝,標高為+1 345.6 m；最大相對高差228.4 m,山勢起伏不平,呈V字形溝谷,屬低中山地貌。井田總體為一走向北東、傾向北西的單斜構造,西北部較陡,東南部較緩,傾角為3°～25°,一般為22°左右,在此基礎上發育一組次一級的背、向斜。井田內斷層發育,鉆孔及巷道揭露的斷層有150余條,均為正斷層。井田附近出露地層從老到新依次為奧陶系中統馬家溝組、石炭二疊系(本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組與石千峰組)、三疊系(劉家溝組、和尚溝組、二馬營組、銅川組與延長組)、侏羅系(永定莊組、大同組、云崗組與天池河組地層)、第三系地層。礦區附近地質圖,如圖1所示。

圖1 礦區地質圖

2 隱蔽致災因素

針對晉北礦區地質條件與開采現狀,開展了礦區隱蔽致災地質因素的綜合調查研究,主要包括采空區、封閉不良鉆孔與廢棄老窯(井筒)、斷層與褶曲、瓦斯富集區、導水裂隙帶、地下含水體等不良地質體[6]。各類隱蔽致災因素勘查與分析結果如下。

2.1 采空區

2.1.1礦井自身采空區

晉北煤業自兼并重組后長時間處于基建階段,于2017年1月開始聯合試運轉至今,主采5上號煤層,目前僅形成了5-100、5-101、5-103以及5-404工作面采空區。勘查結果顯示,由于礦井自身采空區形成時間短,各工作面采空區內暫不存在積水情況,但采空區積水是一個動態變化的過程,隨著時間的推移,不排除在各采空區低洼處逐漸匯集積水的可能。

2.1.2井田內老空、采空區

基于晉北礦區實際采掘情況及地球物理勘探資料,井田內采空區主要分布于井田東南部的原山浪煤礦采掘范圍內,均為物探解釋采空積水區。自2014年晉北煤業兼并重組后,加強了礦區采空積水區的探測疏放工作。根據近年來原牛泥煤礦5上號煤層西部采空區積水疏放成果、一采區軌道巷與皮帶巷鉆孔出水量監測資料以及最新5上號煤層礦井充水性圖,同時結合一采區軌道巷與皮帶巷探水鉆孔位置及煤層底板等高線綜合分析推斷:原物探探測區東部和西部原牛泥煤礦5上號煤層2005年-2006年采空區和2006年-2008年采空區內的積水均已基本疏放完畢;目前僅在探測區中部原牛泥煤礦老巷附近存在1處采空積水區,積水標高+1 343 m,積水面積約23 371 m2,估算積水量約3 505 m3。

此外,部分較老采空區因長期封閉,其殘留煤柱中的瓦斯氣體逸散后積聚在采空區內,形成一定數量的積氣。井田周邊邊界外為空白資源,周邊無其他礦井,未發現小煤窯開采情況。

2.2 封閉不良鉆孔和廢棄老窯(井筒)

鉆孔有可能作為充水通道串聯多個含水層,所以一旦發生導水通道的突水事故,不僅突水初期量大,而且有比較穩定的補給,是影響礦井安全生產的重要隱蔽致災因素之一。

晉北井田內存在多處鉆孔,包括1993年勘探時的施工鉆孔19個,2010年補勘時施工鉆孔9個,2015年補勘時施工鉆孔7個,共累計施工鉆孔35個。經查明,1993年勘探時的19個施工鉆孔都進行了封閉,整個區域內封孔質量較好,達到了封孔的要求;2012年補勘時的9個鉆孔除了8號孔作為長觀孔以外,其余都進行了封閉,封閉質量全部合格;2015年補勘時的7個鉆孔全部用水泥漿全孔封閉的方法進行處理,封閉質量合格,均達到了甲級標準。因此上述鉆孔的隱患可以排除。

礦井對于未來5年的采掘規劃中共涉及到6個鉆孔,具體信息見表1。其中5-408工作面經過補13號鉆孔,5-301工作面經過ZK001、ZK205、ZK404鉆孔,5-303工作面經過ZK002、ZK206鉆孔。

表1 未來5年開采工作面范圍內及周邊鉆孔情況匯總表

2.3 斷層與褶曲

區域地質構造,尤其是井田內的斷層與褶曲及其在構造演化過程中形成的裂隙,對井田內瓦斯賦存、地下水賦存、導水通道分布等具有重要影響。晉北井田總體為一走向北東、傾向北西的單斜構造,并在此基礎上發育了一組次一級的背、向斜(圖2)。其中背斜(S1)位于井田中部,中軸在井田內延伸約3 300 m,軸向由北向南自北東向轉為北北東向,兩翼地層傾角大小基本一致,傾角約為4°。向斜(S2)位于S1背斜東部,向斜軸在井田內延伸約1 900 m,軸向由北向南自北東向轉為北北東向,兩翼地層傾角大小基本一致,地層傾角約5°。

井田內斷層發育,鉆孔及巷道揭露的斷層多達150余個。其中,兩盤垂直落差大于10 m的斷層有9條,落差為5～9 m的斷層有32條,其余均為落差小于5 m的斷層。綜合勘查結果認為,礦井未來5年采掘區域主要受F6、F32正斷層影響(圖2)。F6正斷層位于井田西北處,補3號鉆孔揭露,走向北東,傾向北西,傾角75°,落差100 m,井田內延伸長度約800 m;F7正斷層位于井田南部,補11號鉆孔揭露,近東西走向,傾向正南,傾角75°,落差30～60 m,井田內延伸長度約1 600 m。此外,在斷層周邊會產生多條裂隙帶,一方面在斷裂面處奧灰含水層可能通過斷層裂隙帶涌入礦井,對礦井生產造成威脅;另一方面,上述裂隙多為開放性裂隙,并伴有煤層風氧化現象,不利于煤層瓦斯的積聚。

圖2 5上號煤層井田地形地質構造圖

2.4 瓦斯富集區

2.4.1礦井富集區瓦斯勘測

井田內的瓦斯富集區是礦井瓦斯災害的重點防治區域。根據勘查結果可知,霍州煤電集團晉北煤業有限公司5上號煤層礦井的瓦斯絕對涌出量為1.08～1.60 m3/min,二氧化碳絕對涌出量為1.77～4.25 m3/min,掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.07 m3/min。通過井田內鉆孔瓦斯含量測試結果可知,5上、5下號煤層井下測點及勘探取樣測試點瓦斯分帶均為氮氣帶、氮氣-甲烷帶,6號煤層瓦斯分帶均為氮氣-甲烷帶、氮氣-二氧化碳帶。5上號煤層瓦斯含量0.96～1.19 m3/t,井下現場實測瓦斯含量最大值為0.21 m3/t,甲烷體積分數為5.32%。

2.4.2礦井瓦斯涌出量預測

準確預測瓦斯涌出量是防治礦井瓦斯災害的關鍵因素之一,并能為工作面布置、井下瓦斯抽放設計、通風管理等提供基本依據。根據煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關系,利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規律并結合煤層的賦存條件和開采技術條件,通過對回采工作面和掘進工作面瓦斯涌出量的計算,來達到預測采區和礦井瓦斯涌出量的目的。

分源預測法的計算公式如下:

(1)

式中:q1為開采煤層瓦斯相對涌出量,m3/t;K1為圍巖瓦斯涌出系數,對于全部陷落法頂板管理的回采面該值取1.3;K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數,其值為工作面回采率的倒數,5上號煤層平均煤厚為4.62 m,采煤方法為長壁綜采放頂煤采煤法,回采率為93%,K2取1.08;K3為準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數,采用長壁后退式回采時,系數K3按下式確定:

(2)

式中:L為工作面長度,其值為180 m;b為掘進巷道預排等值寬度,無實測值,5上號煤為1/3焦煤,取15.4 m;d為煤層厚度,取4.62 m;h為工作面采(放)高,取4.62 m;W0為煤層原始瓦斯含量,m3/t,根據預測工作面位置在瓦斯含量分布預測圖上查取;Wc為煤的殘存瓦斯含量,取0.13 m3/t。礦井瓦斯涌出量預測結果見表2。

表2 礦井瓦斯涌出量預測結果

根據礦井富集區瓦斯勘測與預測結果,綜合分析認為晉北礦井屬于簡單型瓦斯礦井[7-8]。在今后開采過程中應掌握礦井瓦斯的變化情況,尤其是在構造復雜部位、應力集中部位等地方要做好監測與預測預報工作,保證礦井安全生產。

2.5 導水裂隙帶

煤礦開采時,垮落帶(hk)、導水裂隙帶(hd)的高度通常用以下公式計算:

垮落帶:

(3)

導水裂隙帶:

(4)

式中:d為采煤厚度,m[9],取自礦區掘進與綜合鉆孔數據。其中,共有25個鉆孔取得了5下號煤層的層厚,數值落在了1.05～14.82 m之間;共有22個鉆孔取得了6號煤層的層厚,數值落在了0.60～10.82 m之間;共有31個鉆孔取得了5上號煤層的層厚,數值落在了2.60～13.36 m之間。

基于上述公式計算可得,5下號煤層垮落帶高度在6.07～17.61 m之間,5上號煤層垮落帶高度在10.53～18.53 m之間,6號煤層垮落帶高度在3.25～13.09 m之間。同時,鉆孔數據顯示5下號煤層距5上號煤層1.20～15.02 m,6號煤層距5下號煤層2.40～19.18 m,表明5下號煤層開采產生的垮落帶范圍與5上號煤層部分重疊,6號煤層垮落帶范圍與5下號煤層部分重疊。

2.6 地下含水體

2.6.1地下充水水源

礦區水文地質鉆孔資料顯示,5上、5下、6號煤層與主要含水層的空間位置關系如圖3所示,表明其地下充水水源主要為石炭系太原組L1灰巖及上部的砂巖含水層和奧陶系馬家溝組灰巖含水層。

圖3 煤層與主要含水地層空間位置示意圖

煤層頂板的直接充水水源主要來自于石炭系太原組L1灰巖及上部的砂巖含水層,主要巖性為砂巖和灰巖。根據勘探資料可知,頂板太原組含水層單位涌水量為0.001 5～0.840 0 L/(s·m),富水性為弱-中等。由5上號煤導水裂隙帶的計算可以看出,采煤擾動產生的裂縫最大可發育近83.10 m,導致本礦5上號煤開采時,導水裂隙帶將穿過直接頂板太原組L1灰巖含水層,可造成采掘過程中頂板淋水較大,且持續時間長,特別是斷層附近,涌水量較其它地方偏大,對礦井開采存在一定影響。

煤層底板充水水源主要來自奧陶系上馬家溝組灰巖含水層,巖性主要為各種灰巖,該含水巖組巖溶裂隙較為發育,賦存承壓水。據水文孔抽水試驗結果顯示,單位涌水量在1.049～2.596 L/(s·m),含水層富水性強,水質類型以HCO3SO4-CaMg為主。推斷井田內奧灰水水位標高1 259～1 267 m,5上、5下、6號煤層最低—最高底板標高分別為760～1 370 m、750～1 360 m、740～1 350 m,井田西部、西南部各煤層底板低于奧灰水位標高,屬于局部帶壓開采。5上號煤層奧灰水帶壓區分布,見圖4。

圖4 5上號煤層奧灰水帶壓區分布圖

2.6.2帶壓區突水系數

煤層帶壓區突水系數是判斷帶壓煤層開采時突水可能性的重要參數。依據《煤礦防治水細則》計算得到的5上、5下、6號煤層帶壓區突水系數分別為0.010～0.058 MPa/m、0.012～0.069 MPa/m、0.014～0.079 MPa/m。5上號煤層帶壓開采突水系數均小于底板受構造破壞塊段的臨界突水系數(0.06 MPa/m),屬帶壓開采相對安全區,正常情況下發生突水的可能性小,遇導水斷裂構造時存在突水的可能。5下號煤層井田西北部標高+825 m以下地段和6號煤層井田西北部標高+975 m以下地段突水系數大于底板受構造破壞塊段臨界突水系數(0.06 MPa/m),小于正常塊段臨界突水系數0.1 MPa/m,屬于帶壓開采過渡區,在無斷裂構造發育的情況下,一般不會發生底板突水事故,但在遇導水斷裂構造時容易發生突水。井田西部、西南部標高+825 m以上地段小于底板受構造破壞塊段臨界突水系數(0.06 MPa/m),均屬帶壓開采相對安全區,正常情況下發生突水的可能性小,遇導水斷裂構造時存在突水的可能。同時在F6、F7、F32斷層兩側,斷裂構造破壞了隔水底板的完整性,降低了隔水層厚度和抗、隔水性能,成為底板突水的潛在通道,是最容易發生突水的區段。

綜合礦井開采、地球物理勘探及現場勘查結果,綜合分析認為晉北礦區當前隱蔽致災地質因素主要為導水裂隙帶、斷層、局部帶壓奧灰水和瓦斯,應加強防范與治理。

3 防治措施

針對晉北煤業上述主要的隱蔽致災地質因素,并結合井田自身開采情況,提出以下具體防范與治理措施。

3.1 導水裂隙帶致災防治措施

晉北礦區的導水裂隙帶既是地表水涌入礦井的可能通道,也是主采煤層間垮落帶與煤層重疊、裂隙貫通部分。為避免地表水涌入發生危險,應加強地表水和河床的綜合治理,每天對地表水進行觀測,發現異常及時通報;同時,應加強裂隙導水與礦井排水試驗,提高礦井排水能力,保證雨季或涌水時排水系統正常運行;若涌入水量過大則應該提前進行注漿,漿液容易被壓注到巖體裂隙中,膠結巖體,提高圍巖整體強度,減少突水幾率。

3.2 斷層致災防治措施

井田范圍內斷層發育,在采掘過程中斷層可能會導致冒頂事故和突水事故。為預防冒頂事故,可根據不同冒頂類型采用正對性支架,加強支架支撐。對于斷層可能引起的突水事故,一般可采取探放水措施;當水量過大時,應采取注漿堵水措施,先堵截水源通道,再進行排水,并在斷層附近留設防水煤(巖)柱來處理[10].

3.3 局部帶壓奧灰水致災防治措施

針對晉北煤層帶壓區奧灰水可能引發的突水事故,建議首先加強水文地質觀測網建設,查清底板奧灰水的水物理性質、賦存導水情況、補給來源、補給量及補給通道等;根據奧灰水的物理性質選擇合適的方式來縮短工作斜長面,進而減少礦山壓力對底板的破壞作用;此外,也可通過地面注漿站集中造漿、注漿,井下施工注漿孔向介于煤層和奧灰強含水層之間的薄層灰巖注漿。

3.4 瓦斯致災防治措施

晉北煤業屬于瓦斯礦井,通風是當前防治瓦斯事故最行之有效的方法。礦井應加強通風能力建設,定期開展主要和備用通風裝置應急測試,定期開展通風設施的檢查維修,確保礦井涌出瓦斯及時有效排出;此外,加強上下隅角懸頂管理,嚴格控制上下隅角懸頂面積,消除瓦斯積存空間;同時,井下、通風口等敏感處嚴禁煙火,防止瓦斯引燃。

4 結論

本文通過對晉北礦區隱蔽致災地質因素的詳細勘查與綜合分析評價,認為本礦區當前最主要隱蔽致災因素為導水裂隙帶、斷層、局部帶壓奧灰水和瓦斯。根據上述隱蔽致災因素和礦區自身開采情況,提出了給斷層預留防水煤(巖)柱、開展導水裂隙與封閉鉆孔進行導水試驗、提升礦井排水能力、注漿膠結巖體、對井下進行通風等具體針對性防范治理措施,且要求在日常生產管理工作中,加強科學監測與預測預報,做到不安全不生產。