红石岩煤矿隐蔽致灾因素分析

2020-03-31高午

陕西煤炭 2020年2期

高午

(陕西省红石岩煤矿，陕西延安 727307)

0 引言

红石岩煤矿位于陕西省黄陵县店头镇集贤村，始建于1968年，之后经过两次改扩建，现生产能力为120万t/a，采用斜井-平硐联合开拓，矿井采用走向长壁采煤方法，综合机械化一次采全高采煤工艺和全部垮落法管理顶板，主采煤层为侏罗系中统延安组2#煤层，矿井通风方式为分区式，通风方法为抽出式。近年来，各地煤矿事故频发，其导火索主要是煤矿隐蔽致灾因素，因此有必要对红石岩煤矿的隐蔽致灾因素再进行认真分析，提出合理化的预防和治理措施。

1 隐蔽致灾因素

煤矿隐蔽致灾因素是指隐伏在煤层及其围岩内，在开采过程中可能诱发灾害的地质构造和不良地质体及其在采动应力耦合作用下形成的灾变地质体。

1.1 采空区

红石岩煤矿周边曾经小煤窑密布，经过两次划分井田边界后，目前除井田边界外的双龙乡第二煤矿和车村二号煤矿未和红石岩煤矿打通外，其余6个煤矿或多或少都有与其相通之处，虽然相继关停，却留有大面积的采空区，积有大量的老空水及有害气体。红石岩煤矿矿权范围及其煤矿四邻关系如图1所示。

图1 红石岩煤矿矿权范围及矿四邻关系图

主副井筒周边老窑采空区水：红石岩煤矿主副井筒周围为老空区。2004年，由西安科技大学设计并实施了对其主副井筒渗漏水治理工程，在两个井筒老巷密闭墙上装了可控泄水管，老空区水通过泄水管进入主副井筒之间的中部水仓。2016、2017、2018年排出水量分别为1 633 077 m3、1 647 448 m3和1 478 053 m3，占矿井总排水量59.4%、54.7%和44.7%，汛期由于降水量增大，主副井筒周边采空区距地表近，降水滞留时间短，采空区水位上升快，水大时因泄水管径小，泄水慢，部分水从井筒碹体上喷出，该隐患如不及时治理，水压很有可能导致井筒某处压垮，采空区水就会从压垮处汹涌而出，酿成淹井事故。因此，主副井筒周边采空区水是该矿井的主要隐蔽致灾因素。

二采区采空区水及老窑水：二采区采空区2016、2017、2018年排出水量分别为683 284 m3、773 568 m3和842 384 m3，占矿井总排水量的24.8%、25.7%和25.5%。该采区煤层厚4 m左右，当时红石岩煤矿采用高档普采，采高2.3 m，导水裂隙带发育到直罗含水层，而与之相邻的已关闭的秋林子村办煤矿和康崖底煤矿等采高在4 m左右，导水裂隙带在某些地方已发育到地表，与地表水勾通，大气降水和地表水在此处成为矿井充水的直接水源。在二采区12205回风顺槽的联络斜巷密闭墙上装有可控泄水管，但管径小，不足以快速将采空区水排出，在汛期水位从密闭墙上看，高于煤层底板1.5 m，很不安全。为此，于2019年2月对该密闭墙进行了加固，并安装3趟可控制泄水管，并在煤墙上向该联络斜巷打了3个孔，均装了泄水管，能有效控制性放水，该采空区水不会对矿井构成威胁。

四采区采空区水及老窑水：四采区位于曹家峪沟、秋林子沟和北石牛沟之间的山体山沟下，在井田的南东边界内，由北东向南西，依次有已关闭的康崖底煤矿，车村一号煤矿和曹家峪石牛沟煤矿，在井田边界的南西侧还有已停产的车村二号煤矿，其采空区都与红石岩煤矿四采区存在水力联系，是矿井的直接充水源。2016、2017、2018年排出水量分别为288 285 m3、314 746 m3和416 142 m3，占矿井总排水量10.5%、10.5%和12.6%。在2018年汛期，12409运输顺槽从南翼轨巷向里550 m处是罗家峪向斜的轴部，最低处的12408采空区水位达2 m之高，后向采空区打眼加可控制泄水管放水，将水位降低。目前，虽然在12409回风顺槽靠近南翼轨附近建起的2#水仓已启用，但由于从12409采空区引到2#水仓的水沟过浅，对降低罗家峪向斜轴部的水位作用不明显。因此，12409采空区罗家峪向斜轴部处的采空区水将会对正在回采的12410工作面生产构成极大的威胁，是主要隐蔽致灾因素。

1.2 钻孔

《红石岩煤矿精查地质报告》中：H3钻孔因无煤未封孔，其位于井田北部边界内，煤厚0.02 m，开采波及不到，不会对生产构成威胁；通过H5钻孔在12906工作面，H11钻孔在12210工作面，H14、A5钻孔在12403工作面，A17钻孔在12405工作面及A11钻孔在12408工作面回采时，未发现异常涌水，说明钻孔封孔质量可靠，受采动影响不大。对位于正在回采的12410工作面罗家峪向斜轴部的P35钻孔，在该工作面回采前，已通过物探探查，未发现异常。以上钻孔虽然没有发生透水，但并不能说明其它钻孔就封孔可靠，受采动影响，其它钻孔也有可能成为导水通道，因此，钻孔是煤矿次要的隐蔽致灾因素。

1.3 构造

断层：①F1断层—2016年6月16日，在距12409回风顺槽掘进头60 m处的煤层底板F1断层破碎带发生异常涌水，开始水头高于煤层底板20 cm，之后逐渐降低，共涌出水量约600 m3，经物控、槽探和水质化验，并请专家现场查看，认为是断层水；②F2断层—已揭露两年多，未发现出水迹象，但不排除局部断层涌水和带出有害气体。因此，断层也是该煤矿的次要致灾因素。

节理：节理是岩石中的裂隙，其两侧岩石没有明显位移的断裂，与断层一样，节理在采动条件下会沿着节理面裂隙扩展，成为瓦斯涌出、矿井突水的通道，可形成煤矿灾害。红石岩煤在开采过程中，煤层及其顶板结构完整，节理不甚发育，但局部有裂隙渗水和涌出瓦斯现象，说明裂隙有轻微的导水性和透气性，不排除局部出现特殊情况，因此节理也是该煤矿的次要隐蔽致灾因素。

褶曲：井田基本构造形态为走向北东、倾向北西的平缓单斜构造，地层倾角1°～5°。在此背景上发育了一系列北东和北西向两向相互交织的褶曲构造，其分布位置、延展方向、形态特征、展布规律清楚，位于向斜轴部的采空区积有大量的老空水，直接威胁到其附近采掘面的安全生产，是主要的隐蔽致灾因素。

1.4 导水裂隙带

煤层顶板的导水裂隙带：根据《煤矿总工程师技术手册》的经验公式(1)及《矿区水文地质工程勘探规范》的经验公式(2)计算导水裂隙带的最大高度。

(1)

(2)

式中：Hli—导水裂隙带高度，m；∑M—累计采厚，m；n—煤分层层数。

以曹家峪沟3号风井附近的P35钻孔为例，计算导水裂隙带的发育最大高度。该孔煤厚3.08 m，上覆地层厚146.87 m，按采高3.08 m，采用上述公式计算其导水裂隙带的最大发育高度分别为62.65 m和79.6 m。在距3号风井300 m的下游地段，煤层开采后，导水裂隙带已发育到地表，岩移观测站Y17的地面高程为1 027.922 m，相对应的煤层底板高程为904 m，煤厚3.08 m，上覆岩层厚度为1 027.922-904-3.08=120.842 m。岩移观测站Y15地面高程1 025.659 m，煤层底板高程903 m，煤厚3.08 m，上覆岩层厚度1 025.659-903-3.08=119.579 m。显然，采动后形成的导水裂隙带高度远大于采用经验公式计算的高度，上述两经验公式不适合红石岩煤矿。覆岩的破坏与其岩性有密切的关系，不同的顶板，其破坏程度不同。如果采用《矿井地质及矿井水文地质》中根据覆岩的岩性及其赋存状态，从直接顶到老顶确定的类型为软弱-坚硬型，确定煤层开采后的导水裂带高度为采高的30～35倍比较接近。再以P35钻孔为例，Hli=3.08×35=107.8 m与实际比较接近。按35倍的采高计算导水裂隙带的高度，最大采高取3.5 m，导水裂隙带发育的最大高度都达不到洛河组地层，但大部分达到直罗组地层，因洛河组砂岩和直罗组砂岩及延安组中部砂岩均为富水性弱的含水层，所造成的矿井涌水量一般不大，不会给矿井生产和安全带来威胁。在采动后，某些导水裂隙带会发育到沟谷和一些山坡上，这些裂隙带就成为地表水和大气降水进入井下的主要通道。因此，煤层顶板裂隙带为矿井主要隐蔽致灾因素。

煤层底板的导水裂隙带：煤层底板以泥岩、砂质泥岩为主，为相对隔水层。煤层采动后，会对底板产生一定的破坏，但由于三叠系永坪组砂岩补给条件差，富水性弱，不会造成矿井突水和涌水事故。但对断层而言，就有可能成为充水通道。煤层底板受采动影响，原始结构被破坏，产生的裂隙就成为老空水的导水通道，因而，煤层底板的导水裂隙带是煤矿的主要隐蔽致灾因素。

1.5 地下含水体

红石岩煤矿地下含水体主要为赋存于含水层中的地下水，无其它含水体，可分为潜水和承压水。

潜水：潜水含水层以大气降水补给为主，在沟谷或下游河谷地带与地表水体呈互补互泄。径流方向主要受地形控制，由地势高的山梁向地势低的沟川地带排泄，在红石岩井田由南向北径流和排泄。①第四系黄土层为裂隙水—主要分布于山坡山顶，具垂直节理，地表水沿节理渗入地下，当沟谷切割含水层时，南川河西岸集贤村附近有泉水流出，流量较小，泉水涌出水量0.14 L/s，按天然泉水流量含水层富水性划分为弱富水性，对安全生产不构成威胁，不足以成为矿井隐蔽致灾因素;②第四系冲洪积层为孔隙潜水—主要分布于井田内较大支沟及石牛沟；据邻区资料，钻孔最大涌水量小于2 L/s。除河谷地带富水性较强外，一般该层的富水性较弱，不会对井下生产构成威胁，不能成为矿井隐蔽致灾因素；③下白垩系洛河砂岩层为裂隙潜水—出露于井田西、南部的沟谷中，出露最大厚度254.29 m，该层位于当地侵蚀基准面以上，受到沟谷切割，以泉的形式排出，流量为0.01～0.3 L/s，富水性弱，煤层采动后产生的最大导水裂隙带达不到洛河砂岩地层，对矿井不产生威胁，不构成矿井隐蔽致灾因素；④侏罗系中统直罗组下段砂岩层为裂隙潜水—据红石岩煤矿位于3号风井的CG1钻孔抽水试验，直罗组砂岩厚度81.86 m，水位深35.95 m，水位标高+1 010.61 m，单位涌水量平均为q=0.000 984 L/s·m，渗透系数K=0.002 725 m/d，富水性弱含水层，煤层开采后，最大导水裂隙带发育到直罗组含水层，含水层水会直接进入井下，成为矿井的直接充水水源，因水量少，不足以构成矿井隐蔽致灾因素。

承压水：承压含水层也是以大气降水补给为主，局部为地表水补给，径流方向与地层倾向一致，总体上向北西方向径流。本区沟谷地带露头区域与潜水呈互补互泄关系。深部基岩层间裂隙承压水，除基岩裸露区通过风化裂带得到大气降水渗入补给外，还接受上游地段潜水渗入补给。①侏罗系中统延安组中部砂岩裂隙含水层为裂隙承压水—据红石岩煤矿位于3#风井的CG2钻孔抽水试验，延安组砂岩厚24.06 m，水位深65.83 m，水位标高+980.55 m，单位涌水量平均为q=0.002 611 L/s·m，渗透系数K=0.000 026 7 m/d，富水性弱含水层，含水层水通过裂隙直接进入井下，因水量少，不构成矿井隐蔽致灾因素；②三叠系上统永坪组砂岩为裂隙承压水—河谷中，风化裂隙发育好，补给充分，富水性较好，含水量大；远离河谷，风化裂发育差，补给条件差，含水量小，不构成矿井隐蔽致灾因素。

1.6 其他因素

井下火区：2017年7月经中煤科工集团重庆研究院有限公司鉴定，红石岩煤矿2#煤层为Ⅱ类容易自燃煤层。该矿自建矿以来，从未发生过煤层自燃发火现象，但相邻的车村一号煤矿井下曾发生过煤层自燃事故，因此煤层自然发火为矿井的主要隐蔽致灾因素。

瓦斯富集区：2#煤层瓦斯含量为0.41～1.51 cm3/g，矿井瓦斯绝对涌出量为0.59～12.07 m3/min，相对涌出量为0.45～5.35 m3/t，回采工作面绝对瓦斯涌出量都在3.0 m3/min以下，掘进工作面绝对瓦斯涌出量0～1.35 m3/min，属低瓦斯矿井。建矿以来未发生过瓦斯喷出和瓦斯突出等特殊涌出现象。2019年西安科技大学做的红石岩煤矿瓦斯地质编图成果显示，井田范围内无瓦斯富集区。据《陕西省煤矿瓦斯地质图图集》，红石岩煤矿属低瓦斯，开采煤层为侏罗系煤层，煤系岩性组合及上覆下伏岩层透气性较好，不存在透气性极低的致密性岩层，不具备形成圈闭瓦斯的地质条件。虽然红石岩煤矿属低瓦斯矿井，但也不完全排除局部聚积的可能。目前矿井现有通风能力满足瓦斯治理需要，且已实施瓦斯抽采技术，因此，瓦斯不足以成为矿井的隐蔽致灾因素。

采空区悬顶：2#煤层直接顶厚为3.5～38.0 m，一般厚20 m左右，层位稳定，以粉砂岩、细砂岩为主，局部为泥岩或砂质泥岩。粉砂岩单轴饱和抗压强度为25～35 MPa，细砂岩单轴饱和抗压强度为25～55 MPa，泥岩单轴饱和抗压强度为14.7 MPa，直接顶稳定性属于中等稳定～稳定类，在生产过程中未发现有大面积悬顶现象，采空区无悬顶区，因此煤层顶板不构成矿井隐蔽致灾因素。

井田内未发现古河床冲刷带、天窗和陷落柱等不良地质体。

2 防治措施

在汛期、雨后，要经常检查主副井筒碹体，发现隐患，及时处理；在泄水严重的位置再安装可控泄水管控制性泄水，必要时，开启工业广场外主副井筒附近的大口径井中的潜水泵排水。12410工作面未采到罗家峪向斜轴部前，在12410回风顺槽接近罗家峪向斜轴部附近，开挖水沟，将水引至2#水仓，再由2#水仓将水排出。在采掘面接近钻孔时，无论封孔可靠与否，都要探查钻孔是否与含水体勾通，以便提前采取措施。对因开采产生的地表裂缝，特别是井田内3条沟里的裂缝，要尽快封堵；对底板产生的导水裂隙，要根据其出水情况，采取相应的措施进行治理。加强采空区管理，对抽采设备要定时保养，使设备始终处于良好的运行状态。应加强对断层的预报、探查，防止断层滞后出水和断层活化后出水。对节理面要常观测，出水量大、瓦斯涌出严重的，可采用加大煤柱和注浆等措施防止老空水和瓦斯从节理面涌出。