神北礦區前梁煤礦隱蔽致災因素分析*

劉建平

(神木市能源局，陜西 神木 719300)

0 引言

前梁煤礦位于陜北神木—府谷侏羅紀煤田神北礦區東北部，屬于陜北侏羅紀煤田，延安組為含煤巖系，形成于三角洲平原沉積環境[1]，未來主采煤層5-1煤層頂底板按照沉積旋回性、頂板厚度以及巖石力學特征等，采用文獻[2-5]中的方法評價為中等-較穩頂，屬于中等-難冒落頂板。此外，臨近的生產礦井如神東煤炭集團榆家梁煤礦在開采該煤層時曾發生多次堅硬頂板大面積懸頂而誘發的壓架、切頂等強礦壓顯現現象。

礦井存在采空區積水、附近礦井采空區積水不明、燒變巖含水層等問題；礦井地質構造簡單，不發育大型斷裂構造，未發現巖漿侵入；各煤層瓦斯含量低，屬于低瓦斯礦井。煤礦經過多年的開采上部煤層已經開采殆盡，轉入下部5-1煤層開采，因此，上部的2-2、3-1、4-2等煤層均為采空區，其中2-2、3-1煤層均采用房柱式開采，4-2煤層部分房柱式部分綜采。在礦井建設之初曾經對5-1煤層進行了局部房柱式開采，形成了一定的房柱式采空區。在礦井向下部5-1煤層延伸開采時需要對煤礦目前存在的隱蔽致災因素進行全面調查，確定各類隱蔽致災因素的種類，空間分布特征及其致災危險性，并針對主要的隱蔽致災因素提出相應的綜合探查防治措施。

1 煤礦隱蔽致災因素排查技術

前梁煤礦以往未發生過因為隱蔽致災而誘發的礦井災害事故，但是周邊的礦井如小蒜溝、普泉煤礦煤層自然發火存在礦井火災威脅。南梁煤礦曾發生采空區、底部采空區積水突水；榆家梁煤礦曾發生過堅硬頂板、過溝開采、過集中煤柱等頂板/動載強礦壓顯現而引發的切頂、壓架等事故；崔家溝煤礦曾發生因為房柱式采空區大面積懸頂局部突然垮落而誘發采空區大面積垮落引發的礦震，百吉煤礦曾發生掘進不明采空區而誘發的煤塵爆炸事故等。上述周邊礦井災害事故說明神北礦區同樣存在水害、火災、頂板、煤塵等礦井災害，煤礦企業負責人應該始終保持清醒的頭腦，做好煤礦隱蔽致災因素的排查、普查以及預防與工程治理工作。

為了實現煤礦各類隱蔽致災因素的快速排查，指出煤礦存在的各類隱蔽致災因素、確定其分布范圍并初步評價其危險性[6-9]。首先，采用低空無人機遙感可見光、熱紅外快速掃面，圈定異常區；其次，針對異常區采用現場調查、測量等手段確定具體分布范圍，然后進行井下調查，分析井下與地面致災因素的聯系；最后，綜合井下、地面各類因素，采用理論分析、數值模擬、工程類比等方法分析各類致災因素的危險性。

2 煤礦隱蔽致災因素分析

2.1 水害隱蔽致災因素分析

排查發現煤礦水害隱蔽致災因素主要為3-1、4-2煤層采空區積水和北部小蒜溝煤礦露天采空區積水。如圖1所示，上述水害隱蔽致災因素中采空區積水基本查明，而小蒜溝露采坑積水未查明，需要煤礦在采掘工程涉及該區域時，提前進行探查。

圖1 采空區物探積水分布Fig.1 Distribution of goaf water by geophysical prospecting

2.1.1 老空水

本區2-2煤層主要分布于煤礦東北部突出部分，由原小蒜溝煤礦炮采房柱式開采，整合前已經基本采空，采空區面積約0.61 km2。后因采空區內自然發火，煤礦正在進行露天剝采綜合治理，采空區積水轉化為露天采坑積水，如圖1(a)所示，下部工作面開采到該區域時容易透水造成礦井突水水害[10]。

2.1.2 露采坑積水

煤礦東北部原小蒜溝煤礦范圍內的2-2煤和3-1煤曾發生自然發火，小蒜溝煤礦采用露天剝離的方式進行火區綜合治理，本次排查時該綜合治理項目正在進行，綜治區面積249 963 m2，露天開采范圍如圖1(b)所示。該露天開采區還未完成回填，由于與羊洞渠距離較近，在地表水和原采空區積水的補給下在低洼處形成積水21 375 m2，雨季洪水期該積水區面積有擴大的趨勢，如圖2所示。

圖2 水害隱蔽致災因素特征Fig.2 Characteristics of hidden disaster-causing factors of water disaster

2.2 火災隱蔽致災因素分析

煤礦北部的小蒜溝露采綜治項目在調查期間正在露天剝采2-2煤層、3-1煤層，發現采坑內的煤層已經發火，現場測量發現露采坑2-2煤層和3-1煤層采礦坑邊緣的煤體存在明火，如圖3所示。現場裂縫內測量溫度為78～386 ℃，露采坑煤柱自然發火破壞煤柱完整性、火勢蔓延3-1煤層房柱式采空區可能引發煤層自然發火。因此，小蒜溝露采坑煤層自然發火是礦井火災隱蔽致災因素。

圖3 煤礦火災隱蔽致災因素特征Fig.3 Characteristics of hidden disaster-causing factors of mine fire

2.3 頂板/礦壓隱蔽致災因素分析

2.3.1 堅硬頂板

根據以往地質鉆孔揭露信息，結合井下排查結果和周邊礦井資料，煤礦5-1煤層頂板以細粒砂巖為主，粉砂巖次之。砂巖頂板厚度7.5～23.58 m，覆蓋礦井大部分區域。該段砂巖厚度大，巖性均一，節理不發育，完整性好，力學強度高，形成5-1煤層堅硬頂板。工作面開采之后堅硬頂板不容易自然垮落，容易形成采空區大面積懸頂，造成工作面超前應力集中，引發立柱快速下沉量、煤壁片幫、支架壓死等強礦壓顯現。隨著工作面的開采，懸頂面積達到一定程度，堅硬頂板受力超出強度極限時發生大面積垮落，積聚于頂板及煤層內的能量快速釋放，大幅增大來壓強度，使采場中的工作面和兩巷的支護結構大面積折損破壞，引發工作面壓架、巷道切頂等礦壓災害，尤其是在巨厚層頂板發育區域，通過短鉆水力壓裂無法實現切眼的初次放頂。東南部的榆家梁煤礦同樣存在5-1煤層堅硬頂板問題，該礦采用定向長鉆孔分段水力壓裂超前弱化治理技術進行堅硬頂板治理，效果顯著。

2.3.2 房柱式采空區大面積懸頂

煤礦3-1煤層采用房柱式開采，房柱式采空區形成時間較早，未保留詳細的采掘資料，煤柱留設情況不詳，推測采空區面積2.17 km2。結合無人機地面巡查、煤礦4-2煤層1402綜采工作面開采情況以及地面塌陷區，圈定了煤礦大面積懸頂區，推測懸頂區面積2.15 km2。礦井大面積懸頂區由3-1煤層和4-3煤層組成，如圖4(a)所示，房柱式采空區頂板未完全垮落，處于大面積懸頂狀態，但是對3-1煤層的懸頂區域及其面積僅是大概清楚，具體房柱式采空區內煤柱的分布、巷道展布等不明，由于5-1煤層尚無綜采，因此煤礦尚無礦壓監測數據、工作經驗等分析或說明在綜采工作面開采誘導條件下3-1、4-3煤層煤柱及采空區垮塌對開采的安全影響，尤其是隨著開采面積的增大而誘發房柱式采空區大面積垮塌形成的鏈式反應對下部開采的影響，如礦壓、水、有毒有害氣體以及其對密閉墻的安全性影響等重大問題，需要進一步探查、論證。

2.3.3 過溝開采

煤礦接續工作面1501、1502、1503、1505工作面位于前石巖溝及其支溝下方，工作面回采將從溝谷底部穿過，工作面與前石巖溝支溝垂直相交，如圖4(b)所示，溝谷高程落差43～62 m，坡角16°～22°。工作面在過溝谷過程中，在溝谷下坡段，由于工作面向溝谷方向推進，關鍵層回轉下沉受到后方破斷塊體的側向限制，從而不易發生動載現象。

3 隱蔽致災因素探查防治措施

3.1 水害隱蔽致災因素探查防治措施

3.1.1 老空積水探查防治措施

以最近一次的物探成果為指導開展井下3-1煤和4-3煤老空水疏放，對物探成果進行驗證。老空水疏放應按經過審批的設計組織施實，疏放過程中應詳細記錄放水量、水壓動態變化，放水結束后應對比放水量和預計水量。回采前確保上方老空積水疏干放凈，老空水害威脅得到解除。此外，應與周邊煤礦建立圖紙信息交換機制，及時掌握煤礦邊界以外200 m范圍內周邊礦井采空區分布、采掘動態變化及老空積水探查情況，完善本煤礦充水性圖。當未來采掘接近周邊礦井積水區時，做好水害預測預報工作，在井下布置超前探放水工程，對周邊老空水進行探放，解除其造成的水害威脅。

3.1.2 露天采坑積水探查防治措施

露天采坑積水和回填區松散含水層可能對未來下部5-1煤開采造成直接或間接水害威脅。當前露天開采活動尚未結束，煤礦應建立露天剝采區觀測臺賬并及時更新，觀測并記錄露天采區范圍變化、積水情況、匯水情況及回填區域、回填材料等。應將露天采坑積水作為煤礦地表水動態觀測的內容之一，定期對積水面積、積水深度、標高、水溫和水質進行觀測，若露天坑內產生新的積水時應一并觀測。此外，未來5-1煤掘進接近積水區前應協調綜合治理施工方對地表積水進行抽排，防止地表積水威脅井下采掘安全。同時應采用物探手段進行回填區富水性探查，若回填區存在富水異常，應在井下做好驗證和探放。

3.2 火災隱蔽致災因素探查防治措施

應加強對相鄰礦井露采坑煤層自然發火情況的調查，建立定期地面、井下調查、檢測制度。建立礦井之間的聯合防控機制，定期進行圖紙交換以及回采情況交流通報工作，嚴禁越界開采破壞邊界保護煤柱；對相鄰采空區的密閉墻進行重點監測和采空區煤柱穩定性評價以及制定合理的防治方案。在露采坑采用注水、注漿、覆土掩蓋等綜合技術進行防滅火，同時在邊界區域采用測氡、航磁等物探方法及鉆孔測溫、氣體抽取、采樣測試等綜合查明對采空區的影響及有毒有害氣體情況。

圖4 煤礦采空區及其過溝開采區示意Fig.4 Coal mine goaf and cross-ditch mining area

3.3 頂板/礦壓隱蔽致災因素探查防治措施

3.3.1 堅硬頂板探查防治措施

首先，應制定處理堅硬頂板的安全技術措施，并組織貫徹學習。確保綜采工作面的支護系統(液壓支架、壓力表、立柱、泵站壓力、液壓支架初撐力等)以及超前支護系統(單體液壓支柱的質量以及超前支護效果等)的可靠性，利用地質勘查鉆孔、井筒、石門揭露、井下頂板探放水鉆孔、兩順槽錨桿、掘進等揭露的頂板巖性資料，結合回采頂板垮落巖性綜合分析煤層直接頂板、老頂巖性分布特征，逐級細化圈定工作面煤層堅硬頂板分布，適時開展地質預測預報。此外，應密切注意工作面頂板來壓情況，及時檢查工作面范圍內頂板、煤壁、支架壓力等情況，發現問題及時采取措施。若綜采工作面液壓支架壓力過大，應采取措施強制放頂，可采用定向短鉆水力壓裂法處理懸頂問題，也可在工作面推采之前施工定向長鉆孔進行水力壓裂，對煤層頂板進行有效超前弱化，減弱堅硬頂板的整體強度使其易于垮落，減小堅硬頂板懸頂長度進而降低來壓強度，減小來壓步距，最終達到處理堅硬頂板帶來的強礦壓問題的目的。

3.3.2 房柱式采空區大面積懸頂探查防治措施

針對3-1煤層采空區范圍、以往巷道位置及遺留煤柱破壞程度不清，應首先查明采空區及煤柱位置、分布范圍，在此基礎上開展懸頂治理工作。搜集近10年衛星遙感影像，對圖像進行處理分析，查明近年來地面裂縫發育情況；分析采空區沉降特征，并通過地表巖移觀測，分析房柱式采空區上方地表變形規律，分析工作面開采時地表變形超前距，做好地表變形預警。首先，采用高密度電法、ETM對采空區方位進行快速掃面；其次，在地面施工采空區探查鉆孔，修正物探成果并輔之以鉆孔窺視和激光雷達探測等手段，查明采空區分布范圍，鉆探取芯分析頂板結構、煤柱采樣測試分析房柱式采空區煤柱的穩定性，查明采空區積水、積氣情況；然后，井下采用地質雷達進行采空區密閉墻體探測厚度、完整性以及采用坑透或面波探測隔離煤柱的寬度，重新驗算密閉墻的抗沖擊能力；之后，重新計算在綜采誘導條件下3-1煤采空區發生鏈式失穩對工作面支架的影響、評估巷道、4-3、5-1采空區密閉墻的安全性以及液壓支架選型的合理性等；最后，根據評估結果編制相應如預警、隔離、誘導或填充、超前弱化等礦壓、水、火、有毒有害氣體隱蔽致災因素綜合治理方案。此外，建立采空區懸頂預警機制，安裝傳感器對采空區懸頂進行全面監測，發現異常及時上報，發現災害征兆立即停產撤人。同時，應立即開展懸頂危險區域治理工作，對懸頂區域進行強制放頂。

3.3.3 過溝開采防治措施

綜采工作面過地表溝谷時，工作面推采受地表地形影響容易出現強礦壓問題，煤礦應查明煤層頂板“關鍵層”發育范圍，制定相應技術措施。應加強礦壓監測，總結礦壓規律，保證工作面在過溝期間避開直接頂板周期來壓，尤其是基本頂周期來壓，若無法避開應在安全位置等待老頂來壓后，快速完成過溝。在進入過溝前應提前進行工作面調斜，保證工作面在過溝過程中由機頭向機尾依次過溝，避免工作面大面積一次過溝。在過溝前后20 m范圍內進行支架、臨時超前支護、乳化液體泵等工作面設備的一次大修，保證工作面過溝期間設備的完好、液壓支架初撐力足、支架推拉順暢避免機械故障。加快推采速度，實現甩壓快速過溝。

4 結論

(1)通過低空無人機可見光、熱紅外，地面地質調查、井下全面調查、采樣測試、資料查閱、礦壓、監測監控等歷史資料等綜合分析，查明了煤礦目前存在水害、火災、頂板、瓦斯及有毒有害氣體、煤塵等隱蔽致災因素。

(2)煤礦存在的水害隱蔽致災因素主要為老空積水、露采坑積水，火災隱蔽致災因素主要為露采坑煤層自然發火，頂板礦壓隱蔽致災因素為堅硬頂板、房柱式采空區大面積懸頂和過溝開采等。

(3)針對上述隱蔽致災因素，圈定了分布范圍、空間展布特征及其對礦井安全開采的威脅，并對未來工作進行了隱蔽致災因素評價，提出了相應的探查防治措施。

(4)針對煤礦發育的各類隱蔽致災因素，提出類綜合探查、精準質量的理念，并建議煤礦應當嚴格按照煤礦安全生產相關的各項規程、規范要求，結合生產動態變化不斷改進完善地質災害防治的技術措施和組織管理工作，建立隱蔽致災地質因素排查、普查、治理長效機制，不斷提升煤礦防災、抗災能力，提升本質安全水平。