煤矿地质灾害特征分析及预测措施研究

2024-01-29王志锋

西部探矿工程 2024年1期

王志锋

（山西地宝能源有限公司，山西太原 030045）

随着煤矿事业的高速发展，越来越先进的开采技术运用于生产，煤矿开采深度也在不断增加，在为煤矿企业带来更多经济效益的同时，也需要应对来自于地质条件的考验。高瓦斯、高地压、高地温等潜在的风险，如果没有及时实施预测措施，对地压的冲击、巷道围岩的破坏都是煤矿企业无法承受的。为此，需要针对煤矿地质灾害的特征，实施有针对性的预测措施。

1 地质灾害的产生原因

1.1 断层

煤矿整体的结构会受到断层的影响，断层也会导致煤矿回采量降低。如果断层的落差小于矿层厚度，无法彻底切断矿层；但一旦断层落差大于矿层厚度，矿层就会被完全切断[1]。在断层的干扰与影响下，保护煤柱的重要性也在不断提升。在煤矿回采环节，如果作用在断层位置，会严重影响煤矿回采的效率，也容易引发相应的地质灾害。

1.2 泥石流问题

由于煤矿施工环节的特殊性，发生泥石流等灾害的概率相对较高，而矿井施工的安全性也会受到影响。煤矿开采人员在作业中的生命安全得不到有效保障。如果泥石流规模相对较大，不仅会影响煤矿开采施工，也会对周边居民的生活产生影响，甚至会破坏自然环境。由于各个区域地质结构的差异性，并不是所有的地质结构都能够支撑煤矿施工作业，如果没有第一时间排出施工产生的废弃物，也在无形中为煤矿施工作业带来风险与隐患，这也是出现泥石流事故的主要原因。为此，需要相关领导者与政府部门加强重视，用完善的规划确保煤矿施工整体的安全性[2]。

1.3 导水断层

断层突水往往伴随着导水断层出现，煤矿开采整体的安全性也受到威胁与挑战。不同于其他断层形式，地下水会通过导水断层流动，在煤矿施工时引发突水事故，威胁施工人员的生命安全，降低煤矿开采作业的整体效率。

2 煤矿地质灾害特征

2.1 冲击地压

在煤矿开采作业阶段，脆性煤岩体出现变形，进而导致煤矿围岩强烈振动，该现象被称为冲击地压。煤矿开采作业到达一定深度时，在垂直位置上也会产生更大的应力，这些应力集中在煤矿巷道及相应作业面上，导致巷道围岩逐渐变形，甚至出现裂纹，巷道整体稳定性大幅降低。相较于其他地质灾害形式，冲击地压以其较强的破坏性、突发性为主要特征，是一种积攒的高能量瞬间释放的地质灾害形式[3]。

2.2 瓦斯突出

瓦斯作为煤矿开采离不开的气体，瓦斯突出与煤矿开采人员的健康安全息息相关，在煤层缝隙中存在大量的瓦斯气体，这些瓦斯气体伴随着煤矿开采，逐渐从煤层间隙中游离出来，进而威胁开采人员的健康安全。在当前阶段，虽然我们尝试运用各种措施控制瓦斯突出风险，但仍然会出现一系列瓦斯泄漏导致人员伤亡的事故，这是由于人为因素、自然因素等对瓦斯泄漏的影响较大。需要采取具体的地质灾害防治手段，提前做好预防工作，才能保障煤矿开采的安全性，避免出现瓦斯突出事故。

2.3 矿井突水

矿井突水也是煤矿开采环节频繁出现的地质灾害类型，矿井突水导致煤矿开采生产断断续续。矿井突水的规模较小，煤矿开采作业不得不推迟开展，煤矿企业整体的经济效益降低；大规模的矿井突水则对整体矿井的运作都会产生影响，严重时无法开展作业。涌水量过高是矿井突水的主要特征，并且矿井突水往往伴随着其他地质灾害。如，山西太原1996 年的矿井突水事故，过高的涌水量带来了泥石流，导致大批采煤工人受困。

2.4 顶板灾害

随着煤矿回采作业的推进，煤矿内部的三向应力失衡，自身重应力作用于顶板岩层，到达一定程度后容易出现裂纹、离层等一系列问题。如果顶板岩层承受的应力超出最大限度，就一定会出现顶板灾害。因此，必须做好顶板岩层的支撑保护，用锚杆、锚网及金属网进行顶板支护。

2.5 闭坑后地质灾害

闭坑后地质灾害一般是一些闭坑后出现的难以预见的地质灾害类型。地质灾害采取常规防治手段，具有一定的隐蔽性，且时效性较差，所以矿井闭坑后可能会存在一些风险、短板。常见的闭坑后地质灾害包括两个类型，一种是山体崩塌，该类型的灾害主要发生在露天煤矿开采之后，在山体周边、区域内形成的崩塌类型灾害。另外一种是由于闭坑后下部应力集中而出现的山体开裂、崩塌等类型的地质灾害，该类型的地质灾害受到地面影响，逐步扩展到山体的外部，进而影响更大范围的生态环境。由于闭坑后的地质灾害普遍具有滞后性的特征，所以如果不在开采过程中做好管理，往往会形成严重的后期风险隐患，也会对本地的生态环境产生不可逆的影响[3]。

3 煤矿地质灾害预测方法

3.1 冲击地压预测

一般情况下，预测冲击地压的主要方式是分析制定煤层发生冲击地压的概率，采取的预测方法主要有钻屑法及地球物理监测法两种。钻屑法通过煤层钻孔的形式，根据排出的煤粉量判断冲击地压出现的概率；而地球物理监测法借助地音监测及微震监测技术，收集检测设备返回的信号，进而判断冲击地压的危险性。如表1所示，借助钻屑法的辅助，结合获取到的检测数据，对工作面出现冲击地压的指标做出了分析[4]。

表1 钻屑法预测冲击地压指标

3.2 瓦斯突出预测

矿山统计法与分源预测法是解决瓦斯突出问题的主要方式。矿山统计法借助数理统计基础开展分析，该方式较为传统，实际运用也存在较多的限制，对煤矿矿井的地质情况也有所要求；而分源预测法通过研究煤层瓦斯含量的具体参数，预测发生事故的概率，运用更为灵活方便，也是当前阶段主要的瓦斯突出预测方法，对工作面瓦斯涌出量的预测更加合理，具体的预测原理参照图1。

图1 矿井瓦斯涌出关系

结合图1 所示内容不难看出，生产采取掘进、采空区及回采工作面，是矿井瓦斯最主要的来源。因此，通过高位钻孔抽放、尾巷抽采解决生产采取的瓦斯问题；用埋管方法治理采空区瓦斯。

3.3 矿井突水预测

结合今年来的矿井突水治理实际案例，我们会发现物探技术和地质雷达探测技术，对富水异常区的探测效果更加明显，利用钻孔技术加以验证，也能有效保障检测的精准度。钻孔技术在实施环节，需要根据煤矿异常区的位置、对应的巷道掘进方向等因素，确定钻孔的具体数量。一般情况下，钻孔数量在2个以上，钻孔之间的距离大于30cm，倾角范围在-10°～20°之间。而确定钻孔超探距离，则需要依照公式（1）进行计算。

式中：l——巷道的具体宽度；

k——矿井的安全系数；

p——巷道底板承受的水压；

Kp——煤的抗拉强度[5]。

钻孔注浆加固技术固然对区域超前防治水有明显的效果及作用，但最核心的仍然是巷道地板钻孔，在疏水降压的同时开展注浆加固作业。针对煤矿巷道断层等问题，通过注浆加固的形式处理导水裂隙带出水问题，防止煤矿工作面出现涌水。

3.4 顶板灾害预测

煤矿顶板的冒顶、切顶都严重危害着采煤人员的安全。在实践工作中发现，增设支架荷载检测、顶底板移近量检测等措施，对顶板灾害的预防有明显作用。合理的监测在第一时间找出不利因素，用有效的预防措施，将安全隐患扼杀在摇篮里，确保煤矿开采的整体安全性。

4 煤矿地质灾害防治措施

4.1 制订科学防治计划

在煤矿开采施工之前，必须规划好整体的地质灾害防治措施，才能确保煤矿开采的有序推进，取得更理想的开采效果。对煤矿企业而言，科学完善的防治计划，能够有效降低煤矿出现地质灾害的可能性，即使在发生地质灾害的情况下，也能降低造成的破坏与损失。由于成本、经济等因素的影响，部分煤矿企业会选择传统的开采技术，虽然成本相对较低，但也在无形中提高了发生地质灾害的概率。虽然传统的开采技术对工作人员的要求较低，但也产生了安全方面的问题与风险。为此，需要设计好完善的防治计划，在兼顾煤矿企业生产效率与经济效益的同时，针对各种地质灾害采取针对性的防治措施，满足煤矿企业生产与发展的基本需求。

4.2 选择合适的瓦斯浓度管理模式

瓦斯浓度超标是煤矿开采发生最频繁的问题之一，一旦瓦斯浓度超出标准，就容易发生安全事故，为此需要选择合适的瓦斯浓度管理模式。需要做好瓦斯浓度的预警工作[6]。在实际工作中瓦斯抽取采样的成本不高，只需要做好相应管理与规划，就能及时避免安全事故的发生，对煤矿企业而言也有助于长远发展。此外，通过先进的技术和管理手段，及时检测煤矿的瓦斯浓度，在瓦斯浓度到达一定指标时，第一时间发出报警命令，必要时需要停止开采作业，防止由于瓦斯浓度超标导致出现中毒、爆炸等安全事故。

4.3 营造良好的通风环境

防治煤矿地质灾害的重要途径，是改善矿井的通风条件，管理好矿井内部的气体，确保煤矿有良好的通风环境。合理的通风系统，让矿井内部的氧气浓度维持在合适的标准，也能有效控制好矿井内部的瓦斯浓度。由于开采人员的身体健康也会受到矿井气体的影响，因此需要根据国家相关的技术与行业标准，关注通风系统的检修工作，提高通风系统的建设质量。定期管理与维修矿井的通风设施，根据煤矿开采地点，优化改善井下通风程度，才能有效防治煤矿地质灾害。

4.4 做好地质调研与应急预案管理

进一步做好地质调研与应急预案管理也是煤矿地质灾害防治的可靠途径。一般来说，煤矿地质灾害的出现都与本地的矿井生产环境、结构特征密切相关。大部分的煤矿地质灾害在发生之前都可以结合上述特征进行合理的预测。通过构建应急管理机制，一方面可以为管理者提供安全方面的意识培训，提升安全管理风险意识，另外一方面有助于实施科学防范，即使发生煤矿地质灾害，也可以第一时间启动应急预案，确保生产的可持续。