礦井地質(zhì)災(zāi)害要素與地質(zhì)災(zāi)源體辨識(shí)評(píng)價(jià)

王子珩

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039）

礦井地質(zhì)災(zāi)害是一種常見(jiàn)的煤礦安全事故類型，其中大多是和隱蔽致災(zāi)因素相關(guān)，是煤礦災(zāi)害事故發(fā)生主要原因，礦井地質(zhì)災(zāi)害通常是煤礦井下和地質(zhì)條件有關(guān)聯(lián)的重大事故，如瓦斯爆炸、煤塵、沖擊低壓、冒頂?shù)鹊龋诎l(fā)生礦井地質(zhì)災(zāi)害前災(zāi)害源就已經(jīng)存在，不過(guò)存在比較隱蔽，沒(méi)有被人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在煤礦開(kāi)采中因各方面因素導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，對(duì)人們的生命安全及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅[1]。為此本文就根據(jù)典型的礦井地質(zhì)災(zāi)害案例，對(duì)災(zāi)害要素及成災(zāi)原理進(jìn)行分析，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)源體的辨識(shí)評(píng)價(jià)方法展開(kāi)敘述和探討，規(guī)范地質(zhì)災(zāi)害因素研究，減少礦井地質(zhì)災(zāi)害事件的發(fā)生。

1 礦井地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)案例和機(jī)理

圖1 工作人員對(duì)地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行排查

根據(jù)近幾年的資料查找發(fā)現(xiàn)，礦井地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生較多，例如在2016 年新疆莎車天利煤礦因頂煤工作面的頂板穩(wěn)定性不夠，缺乏足夠支護(hù)，導(dǎo)致頂部發(fā)生失穩(wěn)或局部鍛煉導(dǎo)致頂煤垮落；2015 年山西同煤集團(tuán)因?qū)严稁茐纳细哺羲畬?，頂板水涌入工作面造成?zāi)害；2013 年吉林八寶煤業(yè)因上區(qū)段采空區(qū)漏風(fēng)，煤層發(fā)生自燃引發(fā)瓦斯爆炸；還有在2011 年義馬煤業(yè)發(fā)生沖擊地壓事故，在煤層開(kāi)采后，礦區(qū)地層局部倒轉(zhuǎn)，產(chǎn)生構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)地壓危險(xiǎn)區(qū)域帶來(lái)較強(qiáng)的沖擊力。通過(guò)對(duì)以上這些典型的礦井地質(zhì)災(zāi)害案例分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生礦井地質(zhì)災(zāi)害時(shí)主要包括了災(zāi)源體，觸發(fā)因素和其他外在影響因素等，導(dǎo)致礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，其中其他外在影響因素是災(zāi)害在發(fā)生時(shí)對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度起到調(diào)節(jié)作用，如加劇或減輕。

2 礦井地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)要素

（1）災(zāi)源體。災(zāi)源體是在煤礦采掘工作中受到采掘作業(yè)影響對(duì)地質(zhì)體產(chǎn)生擾動(dòng)，而這些地質(zhì)體可能會(huì)引發(fā)礦井地質(zhì)災(zāi)害，例如具有力學(xué)結(jié)構(gòu)或特定性質(zhì)的圍巖、煤層，或者是地下水和瓦斯在達(dá)到一定量值后也會(huì)成為災(zāi)源體。

（2）觸發(fā)因素。觸發(fā)因素較多，主要是在煤礦開(kāi)采作業(yè)中人類的采礦活動(dòng)觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，主要包括：在煤礦采掘過(guò)程中破壞了隔水層和巖體，發(fā)生水害；在煤礦采掘時(shí)空氣中氧氣含量超過(guò)12%，隨著熱量積聚和氧化放熱，達(dá)到煤的著火點(diǎn)，引發(fā)自燃事故；在煤礦采掘時(shí)，瓦斯?jié)舛瘸^(guò)2%，且空氣中氧氣濃度含量超過(guò)12%，發(fā)生瓦斯爆炸；當(dāng)煤礦采掘中氧氣濃度超過(guò)18%，煤塵的濃度超過(guò)40g/m3，靠近高溫火源的情況下會(huì)發(fā)生煤塵爆炸。另外，在煤礦采掘中，人們的開(kāi)采作業(yè)會(huì)導(dǎo)致煤層發(fā)生震動(dòng)，頂板巖石不穩(wěn)定導(dǎo)致墜落，進(jìn)而發(fā)生冒頂災(zāi)害；在巷道周圍的煤和巖層缺乏支護(hù)作用，發(fā)生片幫，引發(fā)災(zāi)害。在煤層開(kāi)采時(shí)會(huì)出現(xiàn)大面積懸空，而煤層的覆巖層比較堅(jiān)硬，也比較后，在發(fā)生大面積懸空后應(yīng)力超過(guò)支護(hù)強(qiáng)度，會(huì)發(fā)生折斷垮落，煤礦工作面周圍巖體會(huì)發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致媒體突然發(fā)生位移或拋出等現(xiàn)象，引發(fā)劇烈破壞。

（3）其他外在影響因素。其他外在的影響因素包括人為和地質(zhì)兩個(gè)方面的因素。人為因素主要是和開(kāi)采人員有關(guān)，在煤礦開(kāi)采中，離層水聚集在煤層的覆巖離層空腔，老空水聚集在老窯和采空區(qū)，引發(fā)礦井水害?；蛟诘刭|(zhì)勘察中因鉆孔的封孔質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致瓦斯或其他有害氣體，通過(guò)鉆孔涌出通道，如果在礦井開(kāi)采中鉆孔封閉不良，又或者是沒(méi)有進(jìn)行封孔，都會(huì)導(dǎo)致礦井地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，并增加災(zāi)害危險(xiǎn)程度。地質(zhì)因素相對(duì)比較復(fù)雜，一般包括地質(zhì)斷層、褶皺、覆巖力學(xué)結(jié)構(gòu)等方面的原因，一般來(lái)說(shuō)礦井的背斜區(qū)瓦斯聚集較多，向斜區(qū)則有地下水積聚，在地質(zhì)開(kāi)采時(shí)開(kāi)采到背斜區(qū)或向斜區(qū)都會(huì)增加瓦斯災(zāi)害或水害。斷層也會(huì)讓隔水層空間發(fā)生改變，當(dāng)斷層拉張后會(huì)讓地下水運(yùn)移，在斷層的破裂帶如果沒(méi)有填充膠結(jié)的情況下會(huì)導(dǎo)致地下水聚集，增加礦井水害危險(xiǎn)。而且在拉張性正斷層還會(huì)讓瓦斯及其他有害氣體運(yùn)輸，導(dǎo)致瓦斯及有害氣體飄散，增加了災(zāi)害發(fā)生可能性。在煤礦開(kāi)采作業(yè)中使節(jié)理間隙發(fā)生擴(kuò)張，為地下水或瓦斯提供提供了通道，在節(jié)理間隙部位存在發(fā)育帶，也會(huì)導(dǎo)致地下水和瓦斯聚集。在煤層覆巖中如果巖層存在較大的力學(xué)性質(zhì)差異，煤礦開(kāi)采作業(yè)會(huì)導(dǎo)致頂板發(fā)生變形，不同的巖層會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則或者不協(xié)調(diào)的位移，在軟巖層和應(yīng)巖層之間會(huì)產(chǎn)生空腔，形成離層水，引發(fā)水害。

3 礦井地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)源體的辨識(shí)和評(píng)價(jià)方法

（1）危險(xiǎn)源辨識(shí)。在對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害源辨識(shí)工作中，要求工作人員細(xì)致、謹(jǐn)慎的進(jìn)行辨識(shí)，這也是災(zāi)害治理工作基礎(chǔ)要求。在礦井地質(zhì)災(zāi)害體辨識(shí)中要求施工人員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)全面把控，分析礦井地質(zhì)開(kāi)采中存在的危險(xiǎn)因素以及災(zāi)害體的構(gòu)成要素，對(duì)其進(jìn)行正確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。一般常見(jiàn)礦井地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)害源一共有6 類，第一類，水害。由于礦井受到采掘作業(yè)的破壞，對(duì)地質(zhì)水體或含水層遭受破壞，水害的災(zāi)源體可以分為地表水，頂板水和底板水，其中地表水包括江河湖泊，積水洼地、水庫(kù)池塘等，主要分布與礦區(qū)和周邊地區(qū)；頂板水是在煤層上覆強(qiáng)含水層；底板水是煤層下的承壓水。第二類，火災(zāi)，火災(zāi)的災(zāi)源體主要是具有自燃傾向的煤層，這類煤層通常具備低溫氧化的特性，根據(jù)自燃傾向分類可以分為Ⅰ類和Ⅱ類。第三類，瓦斯災(zāi)害，災(zāi)源體是煤層或圍巖上吸附的煤系氣。第四類，煤塵。第五類，頂板。第六類，沖擊地壓。在礦井地質(zhì)災(zāi)害中，這些災(zāi)源體的特性都具有隱蔽性和地源性等特征，地源性是礦井地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)源體的一種本質(zhì)屬性，即地質(zhì)屬性，都屬于地質(zhì)體。隱蔽性是指潛伏在礦井地質(zhì)中，是煤層或圍巖的組成部分，在礦井開(kāi)采前保持平衡和穩(wěn)定狀態(tài)，一般不會(huì)發(fā)生災(zāi)害，當(dāng)?shù)V井開(kāi)采工作擾動(dòng)巖層的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

圖2 礦井地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)源體

（2）災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定。在礦井地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定工作中，評(píng)定工作人員首先進(jìn)行災(zāi)害體的辨識(shí)工作，通過(guò)查閱資料或現(xiàn)場(chǎng)觀察識(shí)別危險(xiǎn)源后，由管理人員對(duì)這些危險(xiǎn)源進(jìn)行評(píng)判，并查看企業(yè)以前所發(fā)生的事故記錄或者職業(yè)病等其他記錄，分析記錄中隱藏的危險(xiǎn)源。在現(xiàn)場(chǎng)查看時(shí)需要對(duì)礦井地質(zhì)開(kāi)采的施工現(xiàn)場(chǎng)以及周圍環(huán)境進(jìn)行觀察與判斷，發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)源。另外，還要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員進(jìn)行詢問(wèn)，和有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的施工員進(jìn)行交流，了解施工現(xiàn)場(chǎng)潛在的危險(xiǎn)源。

根據(jù)我國(guó)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，包括定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩種，這兩種評(píng)價(jià)方式都有一定的局限性和適用范圍，在對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，需要根據(jù)災(zāi)害特點(diǎn)進(jìn)行危險(xiǎn)系評(píng)價(jià)法，這種評(píng)價(jià)方式具有較強(qiáng)的可操作性和適用性，可以判斷出災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度，為后續(xù)的治理工作提供決策依據(jù)。在了解以后對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害源危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)依據(jù)包括災(zāi)源體指標(biāo)，制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)等級(jí)，再對(duì)災(zāi)源體的危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如在地表水危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)水量較小時(shí)，開(kāi)采煤層覆巖厚度大的情況下，危險(xiǎn)度較低；如水量較大，開(kāi)采煤層覆巖的厚度較小時(shí)，危險(xiǎn)度為中度；而水量大，開(kāi)采煤層覆巖厚度小，導(dǎo)水裂隙帶和地表水體可能發(fā)生運(yùn)移時(shí)，發(fā)生水害的危險(xiǎn)度較高。在煤層自然傾向評(píng)價(jià)時(shí)，主要分為容易自燃類（Ⅰ類）、自燃類（Ⅱ類）、不易自燃類（Ⅲ類）這三類，當(dāng)Vd ＞0.70 的情況下，發(fā)生自燃災(zāi)害的危險(xiǎn)度較高；當(dāng)0.40 ＜Vd ≤0.70，發(fā)生自燃災(zāi)害的危險(xiǎn)度中等；當(dāng)Vd≤0.40時(shí)，發(fā)生自燃災(zāi)害的危險(xiǎn)度較低（其中Vd為煤樣干燥無(wú)灰基揮發(fā)分Vdaf＞18%時(shí)煤的吸氧量）。

（3）危害源控制。為了加強(qiáng)對(duì)礦井地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源控制，就需要加強(qiáng)礦井開(kāi)采中的施工管理，利用相應(yīng)的技術(shù)手段減少施工中的人為失誤因素，控制危險(xiǎn)源，保障礦井地質(zhì)開(kāi)采中的施工安全問(wèn)題。根據(jù)礦井地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)要素分析和災(zāi)源體辨識(shí)，同時(shí)根據(jù)礦井工程所處環(huán)境和地理位置，施工條件等因素，分析礦井地質(zhì)中隱藏的災(zāi)源體，對(duì)災(zāi)源體的危險(xiǎn)程度進(jìn)行預(yù)判，并建立相應(yīng)的應(yīng)急救援體系。在礦井地質(zhì)災(zāi)害工程治理中，針對(duì)成災(zāi)要素中的人為因素，需要加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理和施工人員管理，從源頭上控制危險(xiǎn)的發(fā)生，在企業(yè)內(nèi)部建立安全生產(chǎn)責(zé)任制，并加強(qiáng)對(duì)施工人員的安全教育培訓(xùn)，幫助施工人員和作業(yè)人員的安全意識(shí)，減少安全隱患。另外，在礦井地質(zhì)開(kāi)采中需要對(duì)危險(xiǎn)源不安全狀態(tài)進(jìn)行控制，例如通過(guò)距離防護(hù)或者時(shí)間防護(hù)，控制災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度。在礦井開(kāi)采中需要做好防護(hù)和預(yù)防措施，屏蔽潛在危險(xiǎn)源，減少危險(xiǎn)源存在，而且施工作業(yè)人員或施工管理人員應(yīng)先對(duì)地質(zhì)災(zāi)害特征有全面的了解，在施工現(xiàn)場(chǎng)建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)礦井地下地質(zhì)情況及開(kāi)采作業(yè)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)及變化情況，及時(shí)建立預(yù)警監(jiān)測(cè)機(jī)制，做好礦井地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，礦井地質(zhì)災(zāi)害不僅嚴(yán)重制約了煤礦行業(yè)的發(fā)展，還會(huì)對(duì)施工作業(yè)人員的生命安全及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，為了保障煤礦作業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，保障煤礦作業(yè)人員的生命安全，做好礦井地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)要素和災(zāi)源體的辨識(shí)評(píng)價(jià)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。礦井地質(zhì)工作者應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)源體空間分布規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)地質(zhì)災(zāi)源體的危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并采取科學(xué)的防控技術(shù)和防控措施，遏制人的不安全行為，做好對(duì)災(zāi)源體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和定位，做好預(yù)警工作，減少礦井地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。