山西平安煤矿隐蔽致灾地质因素分析

陈凤杰，刘润斌

（1.山西能源学院地质与测绘工程系，山西 晋中 030600；2.山西省煤炭工业厅 煤炭资源地质局，山西 太原 030045）

0 引言

我国能源消费结构中，煤炭一直占据主体地位，虽然伴随着能源改革，煤炭在能源结构中的占比逐渐下降，但其主体地位在短时间之内不会被动摇。我国煤矿大多为井工开采，复杂的地质条件使得煤矿在开采过程中易发各种安全事故，随着矿井安全领域的科研攻关，煤矿安全事故发生频率明显降低，但煤矿安全事故仍常有发生，隐蔽致灾因素是其主要诱因，近80%的矿井重大事故与采空区、断层等隐蔽致灾因素有关。

事故预防是确保煤矿安全生产的重要手段和基础，隐蔽致灾因素预先探查和辨识，可有效避免某些灾害事故的发生。以山西平安煤矿为例，对煤矿采空区、地下水体、断层、陷落柱、瓦斯及发火点等隐蔽致灾因素进行分析研究，以期为煤矿安全生产提供理论参考。

1 矿井概况

平安煤业位于寿阳县城西北部平舒乡平舒村-太安村一带，井田形状为一多边形，面积8.4245 km2，批采15 号煤层，生产规模90 万t/a。井田位于寿阳县城西北15 km 处，西南距太（原） —阳（泉） 307 国道2 km，向东可达寿阳、阳泉，向西可达省会太原，交通较为便利。井田西侧与阳煤集团开元煤矿相邻，东邻山西寿阳段王集团友众煤业有限公司，南部和北部无矿权设立。

井田内地表均被第四系松散层覆盖，井田内主要赋存地层有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、新近系上新统及第四系。

2 矿井隐蔽致灾因素评价分析

2.1 煤矿及周边采空区分析

井田内仅15 号煤层存在采空区，上覆3、6、8、9 上、9 号煤层暂未开采，井田范围内15 号煤层共有采空区23 处，其中9 处有积水，采空积水区总面积约为0.34 km2，总积水量达3.6×105m3。井田周边开元、友众煤矿矿井涌水量约为60～80 m3/h，暂未发现与平安煤矿有越界开采情况。同时，15 号煤层废弃密闭的采空区内积有废气，废气主要成分为氮气（N2）、二氧化碳（CO2） 及甲烷（CH4），长时间不通风造成浓度越来越大，在邻近开采工作面前应引起高度警惕。

2.2 废弃老窑和封闭不良钻孔分析

井田内关闭和废弃井筒有6 个，原古城井田的主、副斜井井筒在掘进过程中遇到流沙层，无法处理，故放弃。原山西省寿阳县平安煤炭有限责任公司主、副斜井和东坪上主斜井均开采15 号煤层，现均已关闭，井口封堵良好。井田内共施工23 个钻孔，其中5 个钻孔施工年代久远，封孔质量不详，应以封闭不良考虑；11 个钻孔封孔质量完好；7 个钻孔封孔质量合格。

2.3 断层、裂隙和褶曲评价分析

井田地层总体为走向EW、倾向S 的单斜构造，倾角4°～15°，在此基础上发育了次一级不同方向的褶曲和断层，如图1 所示。井田内共发育有褶曲6 条，轴向主要为北西-北东向和北西向，轴长约900 ～3200 m。井田内共揭露41 条断层，均为正断层，其中落差大于5 m 的断层有5 条，分别为F1、F2、F7、F8 和F28，其余断层断层落差均小于5 m，均为井巷揭露断层。井田内裂隙较发育，未发现有岩浆岩侵入，构造简单。

图1 井田构造纲要图Fig.1 Well field structure outline

2.4 陷落柱分析

井田内目前共揭露76 个陷落柱，陷落柱水平断面多呈近椭圆形，规模最大的190 m×90 m。井下揭露的陷落柱多为工作面回采揭露和巷探揭露，个别为钻探揭露，所有井下揭露的陷落柱目前无明显导水现象。

2.5 瓦斯富集区分析

根据平安煤业4 个15 号煤层瓦斯含量井下测值来看，15 号煤层瓦斯中的甲烷（CH4） 成分为10.01%～21.66%，二氧化碳（CO2） 成分为30.89%～53.27%，氮气（N2） 成分为36.72%～46.63%，4个瓦斯含量测试点均处于瓦斯风化带中。15 号煤层原煤瓦斯含量与埋藏深度呈正相关，瓦斯含量梯度约为1.39 m3/t/hm。井田发育的褶曲向斜轴部埋藏相对较深，可能形成瓦斯富集区。根据煤矿井下瓦斯监测数据，在工作面回风上隅角瓦斯含量通常较高，容易形成瓦斯富集区。根据平安煤矿2020年度矿井瓦斯等级鉴定，该矿为低瓦斯矿井。

2.6 导水裂隙带分析

井田内15 号煤层为缓倾斜煤层，顶板以砂质泥岩、砂岩、泥岩为主，为中硬岩层，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，对15 号煤层开采所形成的导水裂隙带高度和垮落带高度进行计算分析。

导水裂隙带高度计算公式如下：

式中：Hli为导水裂隙带高度，m；M 为煤层厚度，m。

垮落带高度计算公式如下：

式中：Hm为垮落带高度，m；M 为煤层厚度，m。

通过式（1）、式（2） 采用钻孔成果计算，井田内15 号煤层顶板导水裂隙带最大高度为60.59 m，井田内共有10 个钻孔可沟通K2、K2下、K3、K4、K5、K6、K7含水层和新生界孔隙含水层，如将上覆含水层水和新生界孔隙水导入15 号煤层采空区，会造成井下危害事故。通过式（3） 采用钻孔成果计算，井田内15 号煤层顶板垮落后垮落带高度最大为15.31 m，小于15 号煤层之上的基岩最小厚度20.10 m。

2.7 地下含水体分析

井田内含水层划主要有新生界孔隙含水层（Q+N）、二叠系下统山西组砂岩裂隙含水层、石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层。矿井充水水源主要有大气降水及地表水、山西组碎屑岩类砂岩裂隙水、太原组灰岩裂隙水、奥陶系岩溶水及采空区积水。矿井涌水量来源于地表水、大气降水、构造裂隙水、采空区积水、顶板碎屑岩裂隙含水层水，主要为顶板碎屑岩裂隙含水层水和采空区积水。矿井目前正常涌水量93.61 m3/h，最大涌水量120.00 m3/h，井下目前有涌水点13 个，其中15101 回风顺槽、一采区运输巷及150104 工作面涌水量相对较大，为17.6～33.8 m3/h，其余涌水点水量较小。

2.8 井下火区分析

根据井田15105 工作面15 号煤层煤样测试结果，15 号煤层火焰长度30 mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉量55%，有煤尘爆炸性；15 号煤层自燃倾向性等级为Ⅲ类，属不易自燃。井井下开采15 号煤层巷道和采空区内未发生过煤自燃现象，现井下无火区分布。

2.9 古河床冲刷带、天窗、滑坡等不良地质体分析

井田北部煤层浅埋区有河床冲刷带和风氧化带，在河床冲刷带和风氧化带附近，煤层开采后形成的垮落带及导水裂隙带容易沟通顶板基岩上覆流沙层涌入井下；井田内未发现天窗等不良地质体，未见有岩浆岩侵入现象，以往开采15 号煤层未发现冲击地压现象。

3 结语

对平安煤矿隐蔽致灾因素进行了分析，认为采空区、导水裂隙带、地下含水体、古河床冲刷带是井田主要的隐蔽致灾因素；废弃老窑、封闭不良钻孔、断层、褶曲、裂隙带、陷落柱、瓦斯富集区等因素是井田一般隐蔽致灾因素。