地理因素對煤礦開采的影響探究

趙鐵軍

(中國平煤神馬集團梨園礦，河南 平頂山 467099)

煤炭是在壓力、溫度、微生物等多種因素長期作用下形成的一種不可再生能源。在漫長的地質構造運動過程中，形成了各種各樣的地理因素，包括地質因素和水文因素［1］。地質構造形成的裂隙、斷層、褶曲對于煤層的壓力、瓦斯賦存等都有直接的影響。同時煤層開采過程中的含水層、老窯水等水文因素是導致煤礦水害發(fā)生的直接原因。對煤層的開采來說，地理因素嚴重著煤礦的安全生產［2］。加強對煤礦開采過程中地理因素的研究，充分認識到地理因素對煤層的影響規(guī)律，才能制定相關的安全防御措施，保證煤礦的安全生產和井下工人的生命健康。

1.影響煤礦開采的地理因素

1.1 地質因素對煤礦開采的影響

地質構造主要是地層在運動過程中發(fā)生碰撞擠壓而形成的地質現(xiàn)象，主要包括節(jié)理、斷層和褶皺［3］。地質構造破壞了煤層的完整性，造成了煤層的破碎、擠壓、位移等，構造地質帶往往是頂板脫落、瓦斯聚集以及透水事故的高發(fā)地帶。

(一)地質構造對煤層瓦斯的影響

地質構造在形成過程中為瓦斯的儲存提供了便利條件，大量的瓦斯積聚容易造成煤層開采過程中煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，主要包括斷層以及褶皺地質構造。

斷層構造可以分為正斷層和逆斷層，煤層的正斷層以及逆斷層都是巖 (煤)層在形成過程中受到張扭應力或者張應力的作用而形成［4］。

煤層中正斷層的存在會導致煤層中瓦斯的活動空間的增大，當煤層開采到正斷層時，斷層處的瓦斯會逐漸釋放，導致煤礦瓦斯涌出量的增加，但是一般情況下正斷層中的瓦斯壓力以及瓦斯含量還不足以引發(fā)煤與瓦斯突出是發(fā)的發(fā)生。相對來說逆斷層的形成會對周圍煤體、巖體形成擠壓，造成周圍煤層中的裂隙增大，裂隙在長時間的壓應力的作用下會釋放大量的游離態(tài)瓦斯。當煤層開采遇到逆斷層時，逆斷層處形成的平衡就會被破壞，裂隙中形成的游離態(tài)瓦斯在巨大的瓦斯壓力作用下向外釋放，很有可能引發(fā)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

褶皺構造可以分為向斜和背斜構造。向斜軸部在形成過程中受到較大的壓性和壓扭性節(jié)理作用，增強了巖層封閉瓦斯的能力，軟分層的厚度和分布范圍增加，在煤層的開采過程中極有可能導致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生［5］。背斜的傾伏端不同地層交錯嚴重，部分地方還可能伴隨著逆斷層的出現(xiàn)，從而造成煤層中軟分層的厚度增加，容易引發(fā)煤與瓦斯突出事故。

背斜的軸部以及向斜的傾伏端封存瓦斯的能力相對較差，軟分層的厚度以及分布范圍相對較小，在這些地方發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率相對較小。

(二)地質構造對頂板的影響

地質構造會影響頂板的完整性以及頂板的受力狀態(tài)。一般來說大斷層的形成層都會導致中小斷層以及裂隙的存在，這會導致煤層在開采過程中頂板的初次來壓、來壓周期步距以及初次放頂?shù)臏p小，頂板巖層中的弱面產生對于煤礦開采過程中的頂板管理非常不利。褶曲構造的存在會改變頂板的受力情況，小褶曲構造可能會導致頂板的破碎，出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象。

(三)地質構造對煤層自燃傾向性的影響

煤層的自燃傾向性大小直接決定著煤礦發(fā)生火災的可能性的大小。煤層的自然傾向性和煤的發(fā)育變質程度有關，和煤粒子的內部孔隙、裂隙發(fā)育程度有關，而這些因素的發(fā)育程度都是煤層在不同地質構造，不同煤層壓力、溫度等因素綜合作用下的結果。

褶皺構造的可以影響煤層中熱量的移動和聚集。褶皺的向斜段可以導致煤層中的熱量向上擴散，降低熱量的聚集。而不同的是在煤層的背斜段會阻止煤層熱量的擴散，使煤層的熱量向煤層的核部擴散，導致核部的溫度不斷增加，從而增大了煤層發(fā)生自然的可能性［6］。斷層構造的存在對煤層自燃傾向性的影響也是兩面的，正斷層會阻止煤層自燃的發(fā)展，逆斷層的存在在一定程度上會助長煤層自燃的發(fā)展。

同時煤層內部的裂隙、孔隙的發(fā)育程度是影響煤層自燃傾向性的核心因素。在煤層地質構造和煤層運動的共同作用下，煤層中會出現(xiàn)裂隙現(xiàn)象，這會大大增加煤層和氧氣的接觸面積，隨著時間的進行，煤層會被慢慢低溫氧化。同時隨著煤層的煤化程度的增加，煤層內部會出現(xiàn)孔隙現(xiàn)象，這也會大大增加煤與氧氣的接觸面積，從而造成煤層的慢慢氧化。但是煤層內部的孔隙發(fā)育會隨著煤層變質程度的增加而逐漸減小。

(四)地質構造對煤礦開采過程中的采坑塌陷影響

不同煤礦的煤層地質條件不相同，其地質巖性、巖層都有較大的差異。在煤層的開采過程中，施工者沒有根據(jù)地質勘探結果進行區(qū)別對待，從而導致采坑塌陷災害的不斷發(fā)生。針對不同的地質構造，我們應該進行實地勘探，并根據(jù)勘探結果制定不同的開采方案，避開容易發(fā)生沉降的區(qū)域，防止采坑塌陷災害的發(fā)生。

1.2 水文因素對煤礦開采的影響

煤層在開采過程中會遇到含水層、老窯水、地面水等因素的影響，這些水文因素和地質因素一樣，如果不科學對待的話，也會造成煤礦傷亡事故的發(fā)生，對煤礦的開采工作帶來極大的困擾。

(一)水文因素對煤炭質量和儲量的影響

煤層在進行開采之前需要進行煤層儲量的勘探，煤礦的儲量直接會影響煤層中的巷道布置，通風系統(tǒng)選擇，通風設備的配置以及割煤采煤設備的裝備。煤礦的水文因素在一定程度上會對煤層儲量勘探工作產生一定的影響，從而對煤礦的設計、裝備工作產生間接的影響［7］。同時在煤礦進行開采之前還需要對煤礦的水文條件進行調查，首先需要搜集調查煤層上下存在的含水層、煤礦范圍內廢棄的老窯以及地面水，并根據(jù)周圍的水文條件、煤礦的開采范圍、開采年限等因素進行煤礦的布置以及預防工作。

(二)水文因素對煤礦安全生產的影響

煤層的形成主要在海洋和陸地交匯地點，在一定條件下形成的煤層會直接覆蓋在灰?guī)r上，水進入煤層的裂隙或者縫隙中，隨著時間的累積，地質的運動形成含水層。含水層形成后在地質運動以及沉積作用下，含水層下面的裂隙和縫隙會逐漸被壓實而閉合，達到一個平衡狀態(tài)。在煤層掘進開采過程中，形成的擾動會逐漸導致含水層下部被壓實的裂隙和孔隙再次變大，甚至形成更大的或者新的裂隙通道，這也就逐漸發(fā)展成為了含水層和開采煤層之間的透水通道。在煤層開采到一定程度，在壓力、透水通道等因素的綜合作用下就可能導致透水事故的發(fā)生。

除了含水層的威脅外，采礦區(qū)周圍存在的廢棄礦井存水、老窯水以及地面水都會對煤礦的安全生產產生較大的威脅。我國煤礦開采的歷史悠久，尤其是建國初期小煤礦私建亂建情況嚴重，從而形成了大量的老舊廢棄礦井。這些老舊礦井積水后便形成了老采空區(qū)水、老窯水等，對煤礦的安全生產產生很大的威脅。老窯水的積水情況以及賦存情況復雜，具有分散、孤立以及隱蔽的特點，很難進行準確的判斷和預測。在煤層的開采過程中，如果疏通了開采煤層和老窯水之間的通水通道，就會導致透水事故的發(fā)生。其中典型的事故就是發(fā)生在2010年3月的王家?guī)X煤礦透水事故。

同時地面水體比如江河，湖泊，水庫等，在出現(xiàn)強降雨時往往會造成其水位暴漲，當超過井口標高或者水體流經煤層的導水裂隙，塌陷區(qū)時都可能造成地面水的倒灌從而引發(fā)礦井的水害事故。

2.減少地理因素對煤礦開采影響的建議

2.1 地質因素方面的建議

地質構造嚴重威脅著煤礦的安全生產和井下作業(yè)人員的生命健康，因此需要加強煤礦井下地質構造的預測和分析工作，掌握煤層周圍各種地質構造的分布規(guī)律，從而規(guī)避煤礦由地質構造引發(fā)的災害的發(fā)生。對于開采煤層廣泛收集地質資料，在已有的地質資料基礎上運用多種鉆探、物探、地質手段廣泛獲取第一手數(shù)據(jù)，運用科學的手段，借助先進的計算機模擬軟件對煤層周圍的地質影響因素進行模擬分析，盡最大限度保證煤礦開采過程中的安全性。

2.2 水文因素方面的建議

對于煤礦水害的防治，首先應該加快煤礦水文地質探測技術的研究。傳統(tǒng)的水文地質勘探技術已經不能滿足現(xiàn)在的勘探要求，近年來也出現(xiàn)了一些水文勘探的新技術，比如鉆孔透視儀技術、流量測井技術等。在勘探技術進步的同時，也應該加強井下作業(yè)人員對水文地質知識的了解，加強礦井領導在面對突發(fā)水文地質事故時的決策能力，這樣就能更好的避免事故的發(fā)生，把事故的影響降到最低。

3.結論

煤礦井下開采是一個非常復雜的過程，受到多種地質因素、水文因素的影響。加強煤礦地質、水文因素的研究，可以有效的規(guī)避煤礦井下地質事故的發(fā)生，降低人員傷亡，保障生產安全。

［1］王軍.影響煤礦開采的因素［J］.煤炭技術，2009(2).

［2］黃顯輝.影響礦井安全的主要地質因素及對策［J］.能源與環(huán)境，2007(3).

［3］劉海明.煤礦開采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略［J］.中國煤炭，2010(S1).

［4］倪仲軍.地質因素對煤礦采掘的影響及應對［J］.河南科技，2011(12).

［5］李大為.淺談煤田水文地質勘探的技術方法［J］.科技信息，2012，3(32):31－32.

［6］虎維岳.礦山水害防治理論與方法 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005:2－5.

［7］虎維岳，何滿潮.深部煤炭資源及開發(fā)地質條件 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008:6－7.