神北礦區(qū)廟梁煤礦隱蔽致災因素探查與分析

吳敏杰，王相業(yè)，張金貴，吳 艷，劉建平，王海軍，馬 良，孫保平

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西省西安市，710054；2.神木市能源局，陜西省榆林市，719300)

煤礦隱蔽致災因素是誘發(fā)煤礦事故的主要原因之一[1]。中央、地方政府煤礦管理機構紛紛出臺文件，將隱蔽致災地質(zhì)因素排查作為煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)治本之策的重點。陜西省神木市煤炭開采歷史悠久，開采方法多樣，形成采空區(qū)范圍大，隱蔽致災因素復雜多樣且尚未逐一查清，致災因素隱蔽，潛在威脅大，嚴重制約了當?shù)孛旱V安全、高效開采[2]。

轄區(qū)內(nèi)的廟梁煤礦曾因整改前的原三卜樹、原楊昌灣煤礦1-2號煤層全部采用房柱式開采，形成了大面積的房柱式采空區(qū)，由于年代久遠，開采情況無據(jù)可查，存在房采區(qū)內(nèi)煤柱留設及塌陷情況不清、采空區(qū)內(nèi)留有大量遺煤等問題，礦井曾因此發(fā)生采空區(qū)自然發(fā)火事故。為了快速查明廟梁煤礦存在的主要隱蔽致災因素類型、時空分布特征及對生產(chǎn)的潛在威脅，采用無人機快速掃面圈定異常靶區(qū)、地面地質(zhì)調(diào)查、井下地質(zhì)調(diào)查、采樣測試、監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)分析、資料整理分析等綜合技術手段，從煤礦主要的致災因素水害、火災、頂板/礦壓等方面對廟梁煤礦進行了全面快速排查。

1 礦井地質(zhì)及生產(chǎn)概況

廟梁煤礦位于陜北侏羅紀煤田神府礦區(qū)，地層產(chǎn)狀近水平，構造簡單，礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型斷裂及褶曲，無巖漿巖侵入。礦區(qū)含煤地層為侏羅紀中統(tǒng)延安組，屬于典型三角洲平原沉積環(huán)境[3-4]。井田內(nèi)可采煤層共7層，其中1-2號煤層由于受不同程度歷史火燒及整合前開采，已結束開采，目前煤礦剩余有效可采煤層為1-2號煤層下部的2-2上、2-2、3-1、4-3、5-1、5-2號煤層，目前正在開采2-2上號煤層，煤厚2.28～3.00 m，不含夾矸，屬于全礦井可采的穩(wěn)定煤層。煤層頂板以粉砂巖為主，屬穩(wěn)定型頂板。礦井含水層均為弱含水層，補給條件一般，礦井涌水量簡單，防治水工作易于進行，水文地質(zhì)類型中等。煤層自燃-易自燃。

煤礦采用斜井開拓，煤礦整合前1-2上號煤層的房柱式炮采區(qū)已封閉，但開采范圍、邊界位置、內(nèi)部條件均為推測，開采推測情況如圖1所示。整合后廟梁煤礦從東南煤礦邊界開始回采2-2上號煤層12101工作面。

圖1 廟梁煤礦整合前1-2上號煤層開采推測

2 隱蔽致災因素快速排查技術

2.1 資料查閱

在隱蔽致災因素排查工作之前依據(jù)國家法律法規(guī)及政策條例和技術標準，設計編制了一套煤礦隱蔽致災地質(zhì)因素排查調(diào)查表格，包括證照資質(zhì)、地質(zhì)報告類、生產(chǎn)資料及地質(zhì)臺賬類、地質(zhì)災害預防治理方案類、圖件類、規(guī)章制度類共六大類93小類需調(diào)查的資料。煤礦隱蔽致災因素排查技術路線如圖2所示。

圖2 煤礦隱蔽致災因素排查技術路線

2.2 現(xiàn)場排查、探查

按照排查位置分為低空無人機排查[5]、地面排查、井下實地調(diào)查和周邊煤礦調(diào)研。首先開展地面排查，采用低空無人機遙感雙光對全礦井進行了全覆蓋掃描并全程錄像，掃描過程中自動捕捉并輔助圈定地表裂縫、隱伏的異常高溫區(qū)、矸石山及高溫點、廢棄井筒、地表河流、溝流、水庫、池塘等異常區(qū)，針對異常區(qū)采用現(xiàn)場調(diào)查、測量等手段，進行逐項逐點排查、確定異常區(qū)域準確分布范圍；然后進行井下實地調(diào)查，采用現(xiàn)場觀查拍照、測量、采樣測試、調(diào)查監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)等手段，確定采空區(qū)密閉情況及有毒有害氣體、防排水系統(tǒng)及涌水量觀測、通風系統(tǒng)檢查、防隔水煤柱、房柱式采空區(qū)自然發(fā)火及高溫異常區(qū)、漏風通道及封堵情況、應力集中區(qū)煤巖變形觀測等因素，并通過井下-地面空間位置對照，初步分析致災因素與致災威脅性之間的聯(lián)系；最后對周邊煤礦逐一走訪，進行資料調(diào)研，完成煤礦隱蔽致災因素全面排查分析。

2.3 綜合分析研究

結合礦井地質(zhì)及采掘情況，綜合地面、井下、周邊煤礦各類致災因素，采用理論分析、數(shù)值模擬、工程類比等方法，進行詳細分析和計算模擬，最后梳理總結煤礦各類致災因素的類型、時空分布特征及對生產(chǎn)的潛在威脅。

3 水害隱蔽致災因素分析

3.1 地表河流

煤礦地表以梁峁溝壑地貌為主，在溝流兩側多有煤系基巖出露，地勢南高北低，最高+1 235 m，最低在廟溝河床+1 130 m。煤礦內(nèi)對煤層開采造成影響的地表水主要為廟溝，現(xiàn)場排查流量14～33 m3/h。回采接近地表水時，如遇雨季煤礦應密切觀測過水、匯水情況，必要時應提前采取防滲措施[6]。

3.2 老空水

煤礦整合前形成的房柱式采空區(qū)面積約1.391 km2，由于年代久遠，采掘資料缺失，1-2號煤層房柱式開采僅保留了部分巷道資料，采空區(qū)內(nèi)部煤柱留設不清，邊界范圍不可靠。依據(jù)煤礦地面物探資料，圈定1-2號煤層老空積水區(qū)11處，積水面積66 902 m2，累計積水量45 995 m2。1-2號煤層物探解釋積水區(qū)平面分布如圖3所示。1-2號與2-2上號煤層間距為2.79～35.03 m，平均23.52 m，2-2上號煤層開采導水裂縫帶計算高度為40.73～65.35 m，因此2-2上號煤層開采形成的導水裂縫帶可溝通1-2號煤層老空積水區(qū)。礦方應及時開展物探先行鉆探驗證，針對富水異常區(qū)的老空水進行鉆探疏放工作[7]。

圖3 1-2號煤層物探解釋積水區(qū)平面分布

3.3 燒變巖區(qū)

煤礦以往1-2號煤層沿露頭發(fā)生自燃，面積約0.424 8 km2。自燃邊界由以往1-2號煤層巷道和地質(zhì)勘查鉆孔控制，邊界范圍基本可靠。燒變巖含水層底板位于2-2號煤層導水裂縫帶范圍內(nèi)，由于燒變巖附近有河流補給，可能存在燒變巖富區(qū)[8]。1-2號煤層燒變巖平面分布如圖4所示。由圖4可以看出，后續(xù)12103、12105、12107、12109工作面局部區(qū)域會形成頂板水害威脅。建議礦方開展燒變巖區(qū)域抽水試驗工作，查明燒變巖厚度、水位標高、單位涌水量、水質(zhì)和富水性；在巷道掘進接近燒變巖區(qū)時，及時施工超前探放水孔，保證采掘區(qū)域附近的燒變巖水徹底疏放。

圖4 1-2號煤層燒變巖平面分布

3.4 封閉不良鉆孔

封閉質(zhì)量不良鉆孔或未封閉可能會成為導水通道，煤礦范圍內(nèi)以往勘探階段施工鉆孔19個，均未保留封孔資料。后發(fā)現(xiàn)6個未封閉鉆孔，為煤礦2019年地面注漿防滅火時遺留的廢棄鉆孔。未封閉的防滅火注漿孔實景如圖5所示。排查后已及時給礦方提供鉆孔坐標，并建議礦方對封閉質(zhì)量不良鉆孔或未封閉鉆孔進行全面清查，按《煤炭鉆探規(guī)程》要求全孔進行水泥漿封閉。

圖5 未封閉的防滅火注漿孔實景

4 火災隱蔽因素分析

4.1 房柱式采空區(qū)遺煤

地面排查時發(fā)現(xiàn)礦井南部和西南部1-2號煤層房柱式采空區(qū)上方地表大面積垮塌，12101、12103工作面上方的1-2號煤層頂板、煤柱隨下部煤層開采發(fā)生二次失穩(wěn)垮落，房柱式采空區(qū)煤柱在采動、地應力、地下水等綜合作用下容易片幫及失穩(wěn)垮落而形成大量的浮煤堆積于采空區(qū)內(nèi)[9]，在地面塌陷、裂縫等漏風供氧、浮煤氧化聚熱條件下極易發(fā)生自燃[10]。

4.2 隱伏高溫區(qū)

2019年開始到排查期間，廟梁煤礦持續(xù)進行1-2號煤層房柱式采空區(qū)防滅火治理工程，施工了多個探查孔、注漿孔，依據(jù)現(xiàn)場孔口紅外影像，顯示孔內(nèi)溫度異常。防滅火探查孔及孔口紅外影像如圖6所示。

圖6 防滅火探查孔及孔口紅外影像

根據(jù)防滅火監(jiān)測孔氣體檢測數(shù)據(jù)分析，X11鉆孔孔底1-2號煤層采空區(qū)巷道內(nèi)氣體溫度長期保持在34～35 ℃，存在老空區(qū)隱伏溫度異常區(qū)；且近3個月內(nèi)A19、X14鉆孔的孔內(nèi)氣體CO含量有增高的趨勢，其中A19鉆孔中CO含量近期由0.003 0 %升高至0.014 5 %，X14鉆孔中CO含量由0升高至0.078 0 %，且氣體中持續(xù)出現(xiàn)C2H6和C2H4發(fā)火標志性氣體，火區(qū)監(jiān)測鉆孔及其發(fā)火標志性氣體變化曲線如圖7所示。由圖7可推斷出該處存在火區(qū)復然引起的隱伏高溫區(qū)，說明防滅火治理并不徹底，礦方應及時調(diào)整防滅火方案，啟動防滅火已經(jīng)預案，開展采空區(qū)防滅火工程工作，避免采空區(qū)火勢蔓延而造成的危害[11-12]。

圖7 火區(qū)監(jiān)測鉆孔及其發(fā)火標志性氣體變化曲線

4.3 地面塌陷裂縫

通過無人機航拍、地表勘測的方式，對廟梁煤礦地面開采塌陷、裂縫進行了全面的排查。結果表明，1-2號煤層房柱式采空區(qū)頂板局部垮落，在地表形成了地裂縫或塌陷坑，裂縫延展方法不規(guī)則，長度5～40 m不等，局部形成了臺階式沉降，局部可見形狀不規(guī)則的塌陷坑，無人機航拍地表塌陷裂縫影像如圖8所示。

圖8 無人機航拍地表塌陷裂縫影像

綜采工作面頂板垮落完全，在地表形成大量的地表裂縫。開采裂縫為上覆房柱式空區(qū)遺煤提供的漏風通道，可造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火災害，因此，煤礦開采后及時采用地面裂縫封堵與巷道注漿等方法進行封堵。

5 頂板/礦壓隱蔽致災因素分析

5.1 房柱式采空區(qū)懸頂

目前開采的12101工作面以及接續(xù)工作面12103、12105工作面上方為1-2號煤層房柱式采空區(qū)，采空區(qū)房柱寬度不明。2-2上號煤層工作面與地面塌陷裂縫疊置關系如圖9所示。從地表塌陷情況分析，礦井南部和西南部1-2號煤層房柱式采空區(qū)上方地表大面積垮塌，12101、12103工作面上方的1-2號煤層頂板、煤柱隨下部煤層開采會發(fā)生二次失穩(wěn)垮落，采空區(qū)可能處于大面積懸頂狀態(tài)，受長期地下水淋濾和氧化，煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)[13-14]，對煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生的災害有：

圖9 2-2上號煤層工作面與地面塌陷裂縫疊置關系

(1)嚴重的地表形變，威脅地表房屋、輸電線路等建筑物安全；

(2)房采區(qū)煤柱如突然失穩(wěn)垮落，會形成礦震或颶風沖擊，嚴重威脅2-2上號煤層開采工作面中的人員設備安全；

(3)在地形起伏較大區(qū)域形成動載荷疊加，可能導致工作面突然來壓，引發(fā)工作面切頂、壓架、巷道冒頂?shù)软敯迨鹿蔥15]。

因此，礦方應加強井下工作面礦壓規(guī)律的分析，并在地表進行巖移監(jiān)測，分析房采區(qū)上方地表變形規(guī)律和變形超前距，做好地表變形預警[16]。

5.2 工作面過溝開采

廟梁煤礦排查期間開采的12101工作面距離回撤通道560～500 m處，12103工作面距離回撤通道880～740 m、690～570 m處，12105工作面距離回撤通道740～545 m、170～30 m處為地表本頭墕溝及其支溝溝谷交匯處。溝底地面標高+1 183～+1 194 m，工作面標高+1 119～+1 122 m，工作面至地表溝谷底部高差64～72 m。

工作面過溝動載礦壓開采示意如圖10所示。在工作面推采過地表溝谷時，可能會由于工作面液壓支架受力不均導致立柱下縮量瞬間增大、爆缸甚至是支架壓死等礦壓災害[17-18]，而當前推采的12101工作面在推采至58～114 m時，則因地表過溝出現(xiàn)工作面液壓支架壓力過大現(xiàn)象[19]，具有同樣危險性的區(qū)域主要分布在圖10中的A區(qū)域和B區(qū)域，涉及12101和12103工作面。

5.3 碎軟頂板

根據(jù)煤礦勘探成果，12101工作面附近鉆孔顯示2-2上號煤層頂板均屬穩(wěn)定發(fā)育一層泥巖、炭質(zhì)泥巖頂板，厚度1.50～10.11 m。頂板泥巖含有較高的粘土礦物和有機質(zhì)，具有發(fā)育較多的水平層理、砂巖泥巖互層層理、節(jié)理裂隙和滑面以及植物化石等軟弱結構面的特點。1-2號煤層與2-2上號煤層平均間距23.52 m，1-2號煤層采空區(qū)積水長期浸泡較容易導致2-2上號煤層頂板巖層松軟，巖石強度降低，穩(wěn)定性較差，使得2-2上號煤層頂板強度降低，工作面推采過程中可能出現(xiàn)頂板離層、漏頂甚至冒頂問題[20]。現(xiàn)場排查期間，在12101運輸巷470 m位置和12101回風巷350 m位置已經(jīng)出現(xiàn)頂板破碎，局部冒頂、離層、泥化等現(xiàn)象，嚴重威脅工作面安全推采，礦方應及時進行臨時補強支護，必要時應立即停止作業(yè)，進行碎軟頂板的超前注漿加固改造。12101工作面碎軟頂板冒頂實景如圖11所示。

圖11 12101工作面碎軟頂板冒頂實景

6 結論

(1)采用現(xiàn)場質(zhì)詢、資料查閱、地面排查、井下實地調(diào)查、周邊煤礦調(diào)研、綜合分析研究等方法，并借助無人機、紅外熱像儀、測溫儀等掃描和探測儀器，快速、高效地排查了廟梁煤礦水害、火災、頂板/礦壓等方面的主要隱蔽致災地質(zhì)因素。

(2)排查出廟梁煤礦的水害因素主要有地表水、燒變巖含水不清區(qū)、老空水、導水裂縫帶；火災因素主要為房柱式采空區(qū)遺煤復燃、地面塌陷裂縫；頂板/礦壓因素主要有房柱式采空區(qū)懸頂、工作面過溝開采和碎軟頂板。

(3)針對上述災害，及時向礦方提出相關預防和治理措施建議，將廟梁煤礦目前隱蔽的地質(zhì)災害進行有效地干預和治理，助力煤礦安全高效生產(chǎn)。