紅石巖煤礦隱蔽致災因素分析

高 午

(陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

紅石巖煤礦位于陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)集賢村，始建于1968年，之后經過兩次改擴建，現生產能力為120萬t/a，采用斜井-平硐聯合開拓，礦井采用走向長壁采煤方法，綜合機械化一次采全高采煤工藝和全部垮落法管理頂板，主采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組2#煤層，礦井通風方式為分區(qū)式，通風方法為抽出式。近年來，各地煤礦事故頻發(fā)，其導火索主要是煤礦隱蔽致災因素，因此有必要對紅石巖煤礦的隱蔽致災因素再進行認真分析，提出合理化的預防和治理措施。

1 隱蔽致災因素

煤礦隱蔽致災因素是指隱伏在煤層及其圍巖內，在開采過程中可能誘發(fā)災害的地質構造和不良地質體及其在采動應力耦合作用下形成的災變地質體。

1.1 采空區(qū)

紅石巖煤礦周邊曾經小煤窯密布，經過兩次劃分井田邊界后，目前除井田邊界外的雙龍鄉(xiāng)第二煤礦和車村二號煤礦未和紅石巖煤礦打通外，其余6個煤礦或多或少都有與其相通之處，雖然相繼關停，卻留有大面積的采空區(qū)，積有大量的老空水及有害氣體。紅石巖煤礦礦權范圍及其煤礦四鄰關系如圖1所示。

圖1 紅石巖煤礦礦權范圍及礦四鄰關系圖

主副井筒周邊老窯采空區(qū)水：紅石巖煤礦主副井筒周圍為老空區(qū)。2004年，由西安科技大學設計并實施了對其主副井筒滲漏水治理工程，在兩個井筒老巷密閉墻上裝了可控泄水管，老空區(qū)水通過泄水管進入主副井筒之間的中部水倉。2016、2017、2018年排出水量分別為1 633 077 m3、1 647 448 m3和1 478 053 m3，占礦井總排水量59.4%、54.7%和44.7%，汛期由于降水量增大，主副井筒周邊采空區(qū)距地表近，降水滯留時間短，采空區(qū)水位上升快，水大時因泄水管徑小，泄水慢，部分水從井筒碹體上噴出，該隱患如不及時治理，水壓很有可能導致井筒某處壓垮，采空區(qū)水就會從壓垮處洶涌而出，釀成淹井事故。因此，主副井筒周邊采空區(qū)水是該礦井的主要隱蔽致災因素。

二采區(qū)采空區(qū)水及老窯水：二采區(qū)采空區(qū)2016、2017、2018年排出水量分別為683 284 m3、773 568 m3和842 384 m3，占礦井總排水量的24.8%、25.7%和25.5%。該采區(qū)煤層厚4 m左右，當時紅石巖煤礦采用高檔普采，采高2.3 m，導水裂隙帶發(fā)育到直羅含水層，而與之相鄰的已關閉的秋林子村辦煤礦和康崖底煤礦等采高在4 m左右，導水裂隙帶在某些地方已發(fā)育到地表，與地表水勾通，大氣降水和地表水在此處成為礦井充水的直接水源。在二采區(qū)12205回風順槽的聯絡斜巷密閉墻上裝有可控泄水管，但管徑小，不足以快速將采空區(qū)水排出，在汛期水位從密閉墻上看，高于煤層底板1.5 m，很不安全。為此，于2019年2月對該密閉墻進行了加固，并安裝3趟可控制泄水管，并在煤墻上向該聯絡斜巷打了3個孔，均裝了泄水管，能有效控制性放水，該采空區(qū)水不會對礦井構成威脅。

四采區(qū)采空區(qū)水及老窯水：四采區(qū)位于曹家峪溝、秋林子溝和北石牛溝之間的山體山溝下，在井田的南東邊界內，由北東向南西，依次有已關閉的康崖底煤礦，車村一號煤礦和曹家峪石牛溝煤礦，在井田邊界的南西側還有已停產的車村二號煤礦，其采空區(qū)都與紅石巖煤礦四采區(qū)存在水力聯系，是礦井的直接充水源。2016、2017、2018年排出水量分別為288 285 m3、314 746 m3和416 142 m3，占礦井總排水量10.5%、10.5%和12.6%。在2018年汛期，12409運輸順槽從南翼軌巷向里550 m處是羅家峪向斜的軸部，最低處的12408采空區(qū)水位達2 m之高，后向采空區(qū)打眼加可控制泄水管放水，將水位降低。目前，雖然在12409回風順槽靠近南翼軌附近建起的2#水倉已啟用，但由于從12409采空區(qū)引到2#水倉的水溝過淺，對降低羅家峪向斜軸部的水位作用不明顯。因此，12409采空區(qū)羅家峪向斜軸部處的采空區(qū)水將會對正在回采的12410工作面生產構成極大的威脅，是主要隱蔽致災因素。

1.2 鉆孔

《紅石巖煤礦精查地質報告》中：H3鉆孔因無煤未封孔，其位于井田北部邊界內，煤厚0.02 m，開采波及不到，不會對生產構成威脅；通過H5鉆孔在12906工作面，H11鉆孔在12210工作面，H14、A5鉆孔在12403工作面，A17鉆孔在12405工作面及A11鉆孔在12408工作面回采時，未發(fā)現異常涌水，說明鉆孔封孔質量可靠，受采動影響不大。對位于正在回采的12410工作面羅家峪向斜軸部的P35鉆孔，在該工作面回采前，已通過物探探查，未發(fā)現異常。以上鉆孔雖然沒有發(fā)生透水，但并不能說明其它鉆孔就封孔可靠，受采動影響，其它鉆孔也有可能成為導水通道，因此，鉆孔是煤礦次要的隱蔽致災因素。

1.3 構造

斷層：①F1斷層—2016年6月16日，在距12409回風順槽掘進頭60 m處的煤層底板F1斷層破碎帶發(fā)生異常涌水，開始水頭高于煤層底板20 cm，之后逐漸降低，共涌出水量約600 m3，經物控、槽探和水質化驗，并請專家現場查看，認為是斷層水；②F2斷層—已揭露兩年多，未發(fā)現出水跡象，但不排除局部斷層涌水和帶出有害氣體。因此，斷層也是該煤礦的次要致災因素。

節(jié)理：節(jié)理是巖石中的裂隙，其兩側巖石沒有明顯位移的斷裂，與斷層一樣，節(jié)理在采動條件下會沿著節(jié)理面裂隙擴展，成為瓦斯涌出、礦井突水的通道，可形成煤礦災害。紅石巖煤在開采過程中，煤層及其頂板結構完整，節(jié)理不甚發(fā)育，但局部有裂隙滲水和涌出瓦斯現象，說明裂隙有輕微的導水性和透氣性，不排除局部出現特殊情況，因此節(jié)理也是該煤礦的次要隱蔽致災因素。

褶曲：井田基本構造形態(tài)為走向北東、傾向北西的平緩單斜構造，地層傾角1°～5°。在此背景上發(fā)育了一系列北東和北西向兩向相互交織的褶曲構造，其分布位置、延展方向、形態(tài)特征、展布規(guī)律清楚，位于向斜軸部的采空區(qū)積有大量的老空水，直接威脅到其附近采掘面的安全生產，是主要的隱蔽致災因素。

1.4 導水裂隙帶

煤層頂板的導水裂隙帶：根據《煤礦總工程師技術手冊》的經驗公式(1)及《礦區(qū)水文地質工程勘探規(guī)范》的經驗公式(2)計算導水裂隙帶的最大高度。

(1)

(2)

式中：Hli—導水裂隙帶高度，m；∑M—累計采厚，m；n—煤分層層數。

以曹家峪溝3號風井附近的P35鉆孔為例，計算導水裂隙帶的發(fā)育最大高度。該孔煤厚3.08 m，上覆地層厚146.87 m，按采高3.08 m，采用上述公式計算其導水裂隙帶的最大發(fā)育高度分別為62.65 m和79.6 m。在距3號風井300 m的下游地段，煤層開采后，導水裂隙帶已發(fā)育到地表，巖移觀測站Y17的地面高程為1 027.922 m，相對應的煤層底板高程為904 m，煤厚3.08 m，上覆巖層厚度為1 027.922-904-3.08=120.842 m。巖移觀測站Y15地面高程1 025.659 m，煤層底板高程903 m，煤厚3.08 m，上覆巖層厚度1 025.659-903-3.08=119.579 m。顯然，采動后形成的導水裂隙帶高度遠大于采用經驗公式計算的高度，上述兩經驗公式不適合紅石巖煤礦。覆巖的破壞與其巖性有密切的關系，不同的頂板，其破壞程度不同。如果采用《礦井地質及礦井水文地質》中根據覆巖的巖性及其賦存狀態(tài)，從直接頂到老頂確定的類型為軟弱-堅硬型，確定煤層開采后的導水裂帶高度為采高的30～35倍比較接近。再以P35鉆孔為例，Hli=3.08×35=107.8 m與實際比較接近。按35倍的采高計算導水裂隙帶的高度，最大采高取3.5 m，導水裂隙帶發(fā)育的最大高度都達不到洛河組地層，但大部分達到直羅組地層，因洛河組砂巖和直羅組砂巖及延安組中部砂巖均為富水性弱的含水層，所造成的礦井涌水量一般不大，不會給礦井生產和安全帶來威脅。在采動后，某些導水裂隙帶會發(fā)育到溝谷和一些山坡上，這些裂隙帶就成為地表水和大氣降水進入井下的主要通道。因此，煤層頂板裂隙帶為礦井主要隱蔽致災因素。

煤層底板的導水裂隙帶：煤層底板以泥巖、砂質泥巖為主，為相對隔水層。煤層采動后，會對底板產生一定的破壞，但由于三疊系永坪組砂巖補給條件差，富水性弱，不會造成礦井突水和涌水事故。但對斷層而言，就有可能成為充水通道。煤層底板受采動影響，原始結構被破壞，產生的裂隙就成為老空水的導水通道，因而，煤層底板的導水裂隙帶是煤礦的主要隱蔽致災因素。

1.5 地下含水體

紅石巖煤礦地下含水體主要為賦存于含水層中的地下水，無其它含水體，可分為潛水和承壓水。

潛水：潛水含水層以大氣降水補給為主，在溝谷或下游河谷地帶與地表水體呈互補互泄。徑流方向主要受地形控制，由地勢高的山梁向地勢低的溝川地帶排泄，在紅石巖井田由南向北徑流和排泄。①第四系黃土層為裂隙水—主要分布于山坡山頂，具垂直節(jié)理，地表水沿節(jié)理滲入地下，當溝谷切割含水層時，南川河西岸集賢村附近有泉水流出，流量較小，泉水涌出水量0.14 L/s，按天然泉水流量含水層富水性劃分為弱富水性，對安全生產不構成威脅，不足以成為礦井隱蔽致災因素;②第四系沖洪積層為孔隙潛水—主要分布于井田內較大支溝及石牛溝；據鄰區(qū)資料，鉆孔最大涌水量小于2 L/s。除河谷地帶富水性較強外，一般該層的富水性較弱，不會對井下生產構成威脅，不能成為礦井隱蔽致災因素；③下白堊系洛河砂巖層為裂隙潛水—出露于井田西、南部的溝谷中，出露最大厚度254.29 m，該層位于當地侵蝕基準面以上，受到溝谷切割，以泉的形式排出，流量為0.01～0.3 L/s，富水性弱，煤層采動后產生的最大導水裂隙帶達不到洛河砂巖地層，對礦井不產生威脅，不構成礦井隱蔽致災因素；④侏羅系中統(tǒng)直羅組下段砂巖層為裂隙潛水—據紅石巖煤礦位于3號風井的CG1鉆孔抽水試驗，直羅組砂巖厚度81.86 m，水位深35.95 m，水位標高+1 010.61 m，單位涌水量平均為q=0.000 984 L/s·m，滲透系數K=0.002 725 m/d，富水性弱含水層，煤層開采后，最大導水裂隙帶發(fā)育到直羅組含水層，含水層水會直接進入井下，成為礦井的直接充水水源，因水量少，不足以構成礦井隱蔽致災因素。

承壓水：承壓含水層也是以大氣降水補給為主，局部為地表水補給，徑流方向與地層傾向一致，總體上向北西方向徑流。本區(qū)溝谷地帶露頭區(qū)域與潛水呈互補互泄關系。深部基巖層間裂隙承壓水，除基巖裸露區(qū)通過風化裂帶得到大氣降水滲入補給外，還接受上游地段潛水滲入補給。①侏羅系中統(tǒng)延安組中部砂巖裂隙含水層為裂隙承壓水—據紅石巖煤礦位于3#風井的CG2鉆孔抽水試驗，延安組砂巖厚24.06 m，水位深65.83 m，水位標高+980.55 m，單位涌水量平均為q=0.002 611 L/s·m，滲透系數K=0.000 026 7 m/d，富水性弱含水層，含水層水通過裂隙直接進入井下，因水量少，不構成礦井隱蔽致災因素；②三疊系上統(tǒng)永坪組砂巖為裂隙承壓水—河谷中，風化裂隙發(fā)育好，補給充分，富水性較好，含水量大；遠離河谷，風化裂發(fā)育差，補給條件差，含水量小，不構成礦井隱蔽致災因素。

1.6 其他因素

井下火區(qū)：2017年7月經中煤科工集團重慶研究院有限公司鑒定，紅石巖煤礦2#煤層為Ⅱ類容易自燃煤層。該礦自建礦以來，從未發(fā)生過煤層自燃發(fā)火現象，但相鄰的車村一號煤礦井下曾發(fā)生過煤層自燃事故，因此煤層自然發(fā)火為礦井的主要隱蔽致災因素。

瓦斯富集區(qū)：2#煤層瓦斯含量為0.41～1.51 cm3/g，礦井瓦斯絕對涌出量為0.59～12.07 m3/min，相對涌出量為0.45～5.35 m3/t，回采工作面絕對瓦斯涌出量都在3.0 m3/min以下，掘進工作面絕對瓦斯涌出量0～1.35 m3/min，屬低瓦斯礦井。建礦以來未發(fā)生過瓦斯噴出和瓦斯突出等特殊涌出現象。2019年西安科技大學做的紅石巖煤礦瓦斯地質編圖成果顯示，井田范圍內無瓦斯富集區(qū)。據《陜西省煤礦瓦斯地質圖圖集》，紅石巖煤礦屬低瓦斯，開采煤層為侏羅系煤層，煤系巖性組合及上覆下伏巖層透氣性較好，不存在透氣性極低的致密性巖層，不具備形成圈閉瓦斯的地質條件。雖然紅石巖煤礦屬低瓦斯礦井，但也不完全排除局部聚積的可能。目前礦井現有通風能力滿足瓦斯治理需要，且已實施瓦斯抽采技術，因此，瓦斯不足以成為礦井的隱蔽致災因素。

采空區(qū)懸頂：2#煤層直接頂厚為3.5～38.0 m，一般厚20 m左右，層位穩(wěn)定，以粉砂巖、細砂巖為主，局部為泥巖或砂質泥巖。粉砂巖單軸飽和抗壓強度為25～35 MPa，細砂巖單軸飽和抗壓強度為25～55 MPa，泥巖單軸飽和抗壓強度為14.7 MPa，直接頂穩(wěn)定性屬于中等穩(wěn)定～穩(wěn)定類，在生產過程中未發(fā)現有大面積懸頂現象，采空區(qū)無懸頂區(qū)，因此煤層頂板不構成礦井隱蔽致災因素。

井田內未發(fā)現古河床沖刷帶、天窗和陷落柱等不良地質體。

2 防治措施

在汛期、雨后，要經常檢查主副井筒碹體，發(fā)現隱患，及時處理；在泄水嚴重的位置再安裝可控泄水管控制性泄水，必要時，開啟工業(yè)廣場外主副井筒附近的大口徑井中的潛水泵排水。12410工作面未采到羅家峪向斜軸部前，在12410回風順槽接近羅家峪向斜軸部附近，開挖水溝，將水引至2#水倉，再由2#水倉將水排出。在采掘面接近鉆孔時，無論封孔可靠與否，都要探查鉆孔是否與含水體勾通，以便提前采取措施。對因開采產生的地表裂縫，特別是井田內3條溝里的裂縫，要盡快封堵；對底板產生的導水裂隙，要根據其出水情況，采取相應的措施進行治理。加強采空區(qū)管理，對抽采設備要定時保養(yǎng)，使設備始終處于良好的運行狀態(tài)。應加強對斷層的預報、探查，防止斷層滯后出水和斷層活化后出水。對節(jié)理面要常觀測，出水量大、瓦斯涌出嚴重的，可采用加大煤柱和注漿等措施防止老空水和瓦斯從節(jié)理面涌出。

3 結論

(1)主副井筒周邊采空區(qū)水、向斜的軸部特別是位于羅家峪向斜軸部的12409采空區(qū)水、因采動影響產生的頂底板導水裂隙帶、采空區(qū)煤的自燃是紅石巖煤礦的主要隱蔽致災因素。

(2)斷層的活化和滯后出水及帶出的有害氣體，節(jié)理面裂隙擴展涌出的水和瓦斯，是紅石巖煤礦的次要隱蔽致災因素。

(3)鉆孔有可能因采動影響與含水體勾通，成為礦井充水通道，也是煤礦的次要隱蔽致災因素。