山西平安煤礦隱蔽致災地質因素分析

陳鳳杰，劉潤斌

（1.山西能源學院地質與測繪工程系，山西 晉中 030600；2.山西省煤炭工業廳 煤炭資源地質局，山西 太原 030045）

0 引言

我國能源消費結構中，煤炭一直占據主體地位，雖然伴隨著能源改革，煤炭在能源結構中的占比逐漸下降，但其主體地位在短時間之內不會被動搖。我國煤礦大多為井工開采，復雜的地質條件使得煤礦在開采過程中易發各種安全事故，隨著礦井安全領域的科研攻關，煤礦安全事故發生頻率明顯降低，但煤礦安全事故仍常有發生，隱蔽致災因素是其主要誘因，近80%的礦井重大事故與采空區、斷層等隱蔽致災因素有關。

事故預防是確保煤礦安全生產的重要手段和基礎，隱蔽致災因素預先探查和辨識，可有效避免某些災害事故的發生。以山西平安煤礦為例，對煤礦采空區、地下水體、斷層、陷落柱、瓦斯及發火點等隱蔽致災因素進行分析研究，以期為煤礦安全生產提供理論參考。

1 礦井概況

平安煤業位于壽陽縣城西北部平舒鄉平舒村-太安村一帶，井田形狀為一多邊形，面積8.4245 km2，批采15 號煤層，生產規模90 萬t/a。井田位于壽陽縣城西北15 km 處，西南距太（原） —陽（泉） 307 國道2 km，向東可達壽陽、陽泉，向西可達省會太原，交通較為便利。井田西側與陽煤集團開元煤礦相鄰，東鄰山西壽陽段王集團友眾煤業有限公司，南部和北部無礦權設立。

井田內地表均被第四系松散層覆蓋，井田內主要賦存地層有奧陶系中統峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、新近系上新統及第四系。

2 礦井隱蔽致災因素評價分析

2.1 煤礦及周邊采空區分析

井田內僅15 號煤層存在采空區，上覆3、6、8、9 上、9 號煤層暫未開采，井田范圍內15 號煤層共有采空區23 處，其中9 處有積水，采空積水區總面積約為0.34 km2，總積水量達3.6×105m3。井田周邊開元、友眾煤礦礦井涌水量約為60～80 m3/h，暫未發現與平安煤礦有越界開采情況。同時，15 號煤層廢棄密閉的采空區內積有廢氣，廢氣主要成分為氮氣（N2）、二氧化碳（CO2） 及甲烷（CH4），長時間不通風造成濃度越來越大，在鄰近開采工作面前應引起高度警惕。

2.2 廢棄老窯和封閉不良鉆孔分析

井田內關閉和廢棄井筒有6 個，原古城井田的主、副斜井井筒在掘進過程中遇到流沙層，無法處理，故放棄。原山西省壽陽縣平安煤炭有限責任公司主、副斜井和東坪上主斜井均開采15 號煤層，現均已關閉，井口封堵良好。井田內共施工23 個鉆孔，其中5 個鉆孔施工年代久遠，封孔質量不詳，應以封閉不良考慮；11 個鉆孔封孔質量完好；7 個鉆孔封孔質量合格。

2.3 斷層、裂隙和褶曲評價分析

井田地層總體為走向EW、傾向S 的單斜構造，傾角4°～15°，在此基礎上發育了次一級不同方向的褶曲和斷層，如圖1 所示。井田內共發育有褶曲6 條，軸向主要為北西-北東向和北西向，軸長約900 ～3200 m。井田內共揭露41 條斷層，均為正斷層，其中落差大于5 m 的斷層有5 條，分別為F1、F2、F7、F8 和F28，其余斷層斷層落差均小于5 m，均為井巷揭露斷層。井田內裂隙較發育，未發現有巖漿巖侵入，構造簡單。

圖1 井田構造綱要圖Fig.1 Well field structure outline

2.4 陷落柱分析

井田內目前共揭露76 個陷落柱，陷落柱水平斷面多呈近橢圓形，規模最大的190 m×90 m。井下揭露的陷落柱多為工作面回采揭露和巷探揭露，個別為鉆探揭露，所有井下揭露的陷落柱目前無明顯導水現象。

2.5 瓦斯富集區分析

根據平安煤業4 個15 號煤層瓦斯含量井下測值來看，15 號煤層瓦斯中的甲烷（CH4） 成分為10.01%～21.66%，二氧化碳（CO2） 成分為30.89%～53.27%，氮氣（N2） 成分為36.72%～46.63%，4個瓦斯含量測試點均處于瓦斯風化帶中。15 號煤層原煤瓦斯含量與埋藏深度呈正相關，瓦斯含量梯度約為1.39 m3/t/hm。井田發育的褶曲向斜軸部埋藏相對較深，可能形成瓦斯富集區。根據煤礦井下瓦斯監測數據，在工作面回風上隅角瓦斯含量通常較高，容易形成瓦斯富集區。根據平安煤礦2020年度礦井瓦斯等級鑒定，該礦為低瓦斯礦井。

2.6 導水裂隙帶分析

井田內15 號煤層為緩傾斜煤層，頂板以砂質泥巖、砂巖、泥巖為主，為中硬巖層，依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，對15 號煤層開采所形成的導水裂隙帶高度和垮落帶高度進行計算分析。

導水裂隙帶高度計算公式如下：

式中：Hli為導水裂隙帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

垮落帶高度計算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

通過式（1）、式（2） 采用鉆孔成果計算，井田內15 號煤層頂板導水裂隙帶最大高度為60.59 m，井田內共有10 個鉆孔可溝通K2、K2下、K3、K4、K5、K6、K7含水層和新生界孔隙含水層，如將上覆含水層水和新生界孔隙水導入15 號煤層采空區，會造成井下危害事故。通過式（3） 采用鉆孔成果計算，井田內15 號煤層頂板垮落后垮落帶高度最大為15.31 m，小于15 號煤層之上的基巖最小厚度20.10 m。

2.7 地下含水體分析

井田內含水層劃主要有新生界孔隙含水層（Q+N）、二疊系下統山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統太原組灰巖巖溶裂隙含水層、奧陶系中統灰巖巖溶裂隙含水層。礦井充水水源主要有大氣降水及地表水、山西組碎屑巖類砂巖裂隙水、太原組灰巖裂隙水、奧陶系巖溶水及采空區積水。礦井涌水量來源于地表水、大氣降水、構造裂隙水、采空區積水、頂板碎屑巖裂隙含水層水，主要為頂板碎屑巖裂隙含水層水和采空區積水。礦井目前正常涌水量93.61 m3/h，最大涌水量120.00 m3/h，井下目前有涌水點13 個，其中15101 回風順槽、一采區運輸巷及150104 工作面涌水量相對較大，為17.6～33.8 m3/h，其余涌水點水量較小。

2.8 井下火區分析

根據井田15105 工作面15 號煤層煤樣測試結果，15 號煤層火焰長度30 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量55%，有煤塵爆炸性；15 號煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃。井井下開采15 號煤層巷道和采空區內未發生過煤自燃現象，現井下無火區分布。

2.9 古河床沖刷帶、天窗、滑坡等不良地質體分析

井田北部煤層淺埋區有河床沖刷帶和風氧化帶，在河床沖刷帶和風氧化帶附近，煤層開采后形成的垮落帶及導水裂隙帶容易溝通頂板基巖上覆流沙層涌入井下；井田內未發現天窗等不良地質體，未見有巖漿巖侵入現象，以往開采15 號煤層未發現沖擊地壓現象。

3 結語

對平安煤礦隱蔽致災因素進行了分析，認為采空區、導水裂隙帶、地下含水體、古河床沖刷帶是井田主要的隱蔽致災因素；廢棄老窯、封閉不良鉆孔、斷層、褶曲、裂隙帶、陷落柱、瓦斯富集區等因素是井田一般隱蔽致災因素。