神北礦區廟梁煤礦隱蔽致災因素探查與分析

吳敏杰，王相業，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，將隱蔽致災地質因素排查作為煤炭企業安全生產治本之策的重點。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，嚴重制約了當地煤礦安全、高效開采[2]。

轄區內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，由于年代久遠，開采情況無據可查，存在房采區內煤柱留設及塌陷情況不清、采空區內留有大量遺煤等問題，礦井曾因此發生采空區自然發火事故。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的潛在威脅，采用無人機快速掃面圈定異常靶區、地面地質調查、井下地質調查、采樣測試、監測監控數據分析、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 礦井地質及生產概況

廟梁煤礦位于陜北侏羅紀煤田神府礦區，地層產狀近水平，構造簡單，礦區內未發現大型斷裂及褶曲，無巖漿巖侵入。礦區含煤地層為侏羅紀中統延安組，屬于典型三角洲平原沉積環境[3-4]。井田內可采煤層共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定煤層。煤層頂板以粉砂巖為主，屬穩定型頂板。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已封閉，但開采范圍、邊界位置、內部條件均為推測，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國家法律法規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因素排查調查表格，包括證照資質、地質報告類、生產資料及地質臺賬類、地質災害預防治理方案類、圖件類、規章制度類共六大類93小類需調查的資料。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、井下實地調查和周邊煤礦調研。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、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，針對異常區采用現場調查、測量等手段，進行逐項逐點排查、確定異常區域準確分布范圍；然后進行井下實地調查，采用現場觀查拍照、測量、采樣測試、調查監測監控數據等手段，確定采空區密閉情況及有毒有害氣體、防排水系統及涌水量觀測、通風系統檢查、防隔水煤柱、房柱式采空區自然發火及高溫異常區、漏風通道及封堵情況、應力集中區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系；最后對周邊煤礦逐一走訪，進行資料調研，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。煤礦內對煤層開采造成影響的地表水主要為廟溝，現場排查流量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，采空區內部煤柱留設不清，邊界范圍不可靠。依據煤礦地面物探資料，圈定1-2號煤層老空積水區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。礦方應及時開展物探先行鉆探驗證，針對富水異常區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平面分布

3.3 燒變巖區

煤礦以往1-2號煤層沿露頭發生自燃，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，由于燒變巖附近有河流補給，可能存在燒變巖富區[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12103、12105、12107、12109工作面局部區域會形成頂板水害威脅。建議礦方開展燒變巖區域抽水試驗工作，查明燒變巖厚度、水位標高、單位涌水量、水質和富水性；在巷道掘進接近燒變巖區時，及時施工超前探放水孔，保證采掘區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

封閉質量不良鉆孔或未封閉可能會成為導水通道，煤礦范圍內以往勘探階段施工鉆孔19個，均未保留封孔資料。后發現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量不良鉆孔或未封閉鉆孔進行全面清查，按《煤炭鉆探規程》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 房柱式采空區遺煤

地面排查時發現礦井南部和西南部1-2號煤層房柱式采空區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生二次失穩垮落，房柱式采空區煤柱在采動、地應力、地下水等綜合作用下容易片幫及失穩垮落而形成大量的浮煤堆積于采空區內[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生自燃[10]。

4.2 隱伏高溫區

2019年開始到排查期間，廟梁煤礦持續進行1-2號煤層房柱式采空區防滅火治理工程，施工了多個探查孔、注漿孔，依據現場孔口紅外影像，顯示孔內溫度異常。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

根據防滅火監測孔氣體檢測數據分析，X11鉆孔孔底1-2號煤層采空區巷道內氣體溫度長期保持在34～35 ℃，存在老空區隱伏溫度異常區；且近3個月內A19、X14鉆孔的孔內氣體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 %，且氣體中持續出現C2H6和C2H4發火標志性氣體，火區監測鉆孔及其發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復然引起的隱伏高溫區，說明防滅火治理并不徹底，礦方應及時調整防滅火方案，啟動防滅火已經預案，開展采空區防滅火工程工作，避免采空區火勢蔓延而造成的危害[11-12]。

圖7 火區監測鉆孔及其發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遺煤提供的漏風通道，可造成采空區遺煤自然發火災害，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 房柱式采空區懸頂

目前開采的12101工作面以及接續工作面12103、12105工作面上方為1-2號煤層房柱式采空區，采空區房柱寬度不明。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生二次失穩垮落，采空區可能處于大面積懸頂狀態，受長期地下水淋濾和氧化，煤柱處于不穩定狀態[13-14]，對煤礦安全生產產生的災害有：

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)房采區煤柱如突然失穩垮落，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)在地形起伏較大區域形成動載荷疊加，可能導致工作面突然來壓，引發工作面切頂、壓架、巷道冒頂等頂板事故[15]。

因此，礦方應加強井下工作面礦壓規律的分析，并在地表進行巖移監測，分析房采區上方地表變形規律和變形超前距，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，則因地表過溝出現工作面液壓支架壓力過大現象[19]，具有同樣危險性的區域主要分布在圖10中的A區域和B區域，涉及12101和12103工作面。

5.3 碎軟頂板

根據煤礦勘探成果，12101工作面附近鉆孔顯示2-2上號煤層頂板均屬穩定發育一層泥巖、炭質泥巖頂板，厚度1.50～10.11 m。頂板泥巖含有較高的粘土礦物和有機質，具有發育較多的水平層理、砂巖泥巖互層層理、節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頂板離層、漏頂甚至冒頂問題[20]。現場排查期間，在12101運輸巷470 m位置和12101回風巷350 m位置已經出現頂板破碎，局部冒頂、離層、泥化等現象，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，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)采用現場質詢、資料查閱、地面排查、井下實地調查、周邊煤礦調研、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、老空水、導水裂縫帶；火災因素主要為房柱式采空區遺煤復燃、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災害進行有效地干預和治理，助力煤礦安全高效生產。