煤田火區(qū)下采煤工作面安全開采影響程度分析

崔 杰，王 偉

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

我國是煤田火區(qū)比較嚴(yán)重的國家之一，煤田火直接威脅到煤田火區(qū)下采煤工作面的安全開采[1]，煤田火還會(huì)產(chǎn)生大量CO、CO2、SO2等有毒有害氣體和顆粒物，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極其嚴(yán)重的破壞[2-5]。煤田火的存在嚴(yán)重影響我國煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展，積壓煤炭無法安全采出，因此煤田火區(qū)下工作面安全開采影響分析研究顯得尤為重要。

1 工作面概況

黃白茨煤礦021205 工作面位于1212 采區(qū)南翼區(qū)域，北為1212 軌道上山，南為五虎山井田邊界，西為021203 運(yùn)輸巷，東為021207 回風(fēng)巷，上部對(duì)應(yīng)為021005 工作面、020905 采空區(qū)、020907 采空區(qū)，上覆7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)。工作面標(biāo)高為+998～+1 021 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 215～+1 266 m。

021205 工作面所采煤層厚度3.59～4.64 m，平均厚度3.9 m，煤層傾角5°～6°，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤層中含5 層厚度大于0.05 m 的夾矸，其中煤層上矸厚度0.4～1.3 m，中矸厚度0.2 m，三矸厚度0.30～0.50 m，其余夾矸厚度為0.05～0.15 m，煤層厚度變化較大。021205 工作面所采煤層為12#煤層，屬自燃煤層，自然發(fā)火期為4～6 個(gè)月。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，爆炸指數(shù)為33.8%。

2 煤田火區(qū)概況

根據(jù)調(diào)研及礦井提供的相關(guān)資料顯示，021205工作面上覆7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)位于井田東部，面積約17.3 萬m2。主要燃燒煤層為2#、4#、7#煤層。7-1（Ⅲ）火區(qū)下部有021005 工作面、021205 工作面。

2011 年年底，曾對(duì)7-1（Ⅲ）火區(qū)進(jìn)行了治理，治理方式為地面鉆孔注液氮，共施工鉆孔35 個(gè)，注入液氮1 789.98 t。2013 年4 月底，對(duì)7-1（Ⅲ）火區(qū)地表進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，火區(qū)對(duì)應(yīng)地表存在較多裂隙，部分裂隙內(nèi)存在冒煙現(xiàn)象，且冒煙位置多。2013 年5月黃白茨煤礦對(duì)7-1（Ⅲ）火區(qū)地表施工4 個(gè)鉆孔，并對(duì)4 個(gè)鉆孔注黃沙和水泥漿封孔。2014 年5 月初地表觀測沒有冒煙現(xiàn)象，但裂隙較多。

針對(duì)現(xiàn)場實(shí)際，黃白茨煤礦對(duì)7-1（Ⅲ）火區(qū)對(duì)應(yīng)地表裂隙進(jìn)行沙土覆蓋，封堵漏風(fēng)通道，并對(duì)煤田火區(qū)進(jìn)行了探測。對(duì)7-1（Ⅲ）火區(qū)采用以同位素測氡法為主，以紅外線測溫法為輔，結(jié)合電磁法進(jìn)行驗(yàn)證的綜合探測方法。根據(jù)多種方法綜合研究分析，研究區(qū)內(nèi)共劃分5 個(gè)火區(qū)，火區(qū)面積共計(jì)0.19 km2。根據(jù)紅外線測溫法解釋的異常區(qū)范圍，研究區(qū)內(nèi)高溫異常區(qū)主要集中在3 個(gè)大區(qū)域，分別位于研究區(qū)的中部，西北部和東部。7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)對(duì)下部021205 工作面的安全開采構(gòu)成威脅。

3 火區(qū)對(duì)021205 工作面安全開采影響

3.1 工作面與火區(qū)位置關(guān)系

021205 工作面與7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)的位置關(guān)系示意圖如圖1。021205 工作面上部存在020905 采空區(qū)、020907 采空區(qū)和021005 工作面。

021205 工作面附近地質(zhì)鉆孔編號(hào)為94-1 號(hào)鉆孔，根據(jù)94-1 號(hào)煤田鉆孔柱狀圖，7#煤層厚度為2.05 m，距離地表約106 m，7#煤層距9#煤層（厚度為3.25 m）78 m，距10#煤層（厚度為2.25 m）82 m，距12#煤層（厚度為3.94 m）115 m。9#、10#煤層傾角均為5°，屬近距離煤層群開采煤層，9#煤層與10#煤層間距在南翼為0～2 m，北翼為2～24 m；12#煤層傾角為6°，10#層與12#層間距為35～40 m。

3.2 工作面上覆巖層垮落帶及斷裂帶

圖1 021205 工作面與7-1（Ⅲ）火區(qū)的位置關(guān)系示意圖Fig.1 Sketch map of position relationship between working face 021205 and 7-1 (Ⅲ) fire area

工作面上覆巖層的垮落帶與斷裂帶高度與巖層的巖性、工作面采高、煤層傾角、采煤工藝等因素密切相關(guān)[6]。021205 工作面回風(fēng)巷道基本頂為粉砂巖，厚度為10.58～15.85 m，以石英為主，少量長石，夾有黃鐵礦薄膜植物化石，致密堅(jiān)硬性脆，進(jìn)風(fēng)巷道基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為2.55～4.55 m，以泥質(zhì)為主次為砂質(zhì)，含云母及完整的植物葉化石。工作面的直接頂和直接底均為泥巖，以黏土為主，少量粉砂，夾有黃鐵礦薄膜植物化石，質(zhì)堅(jiān)硬性脆。

3.2.1 垮落帶高度

垮落帶是指工作面回采后引起的煤層上覆巖體完全垮落的那部分巖層。該層巖石具有不規(guī)則性、碎脹性和密實(shí)度差的特征，是影響頂板再生和垮落巖塊不能隔水的重要原因[7]。021205 工作面頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，根據(jù)垮落帶最大高度經(jīng)驗(yàn)公式，工作面上覆巖層垮落帶的高度取采高的3～4 倍[8-9]。

021205 工作面采高3.9 m，則垮落帶高度為11.7～15.6 m。020905 工作面和020907 工作面采高2.6 m，則垮落帶高度為7.8～10.4 m。

3.2.2 斷裂帶高度

在頂板巖石自由垮落后，垮落帶上方的巖層繼續(xù)下沉彎曲，當(dāng)期彎曲超過本身強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生裂隙，以致斷裂。這一過程逐層向上發(fā)展，直到上覆巖層整體下沉彎曲為止，這部分稱為斷裂帶[10]。斷裂帶和垮落帶之間沒有明顯的分界線，均屬于破壞性影響區(qū)[11]。

斷裂帶高度計(jì)算公式[9]見表1。

9#煤層與12#煤層頂板覆巖的巖性均以軟弱巖為主，9#煤層采空區(qū)斷裂帶最大高度和12#煤層采空區(qū)斷裂帶最大高度分別為24、31 m。9#、12#煤層采空區(qū)斷裂帶最大高度示意圖如圖2。

表1 斷裂帶高度計(jì)算公式Table 1 Calculation formula of fracture zone height

圖2 9#、12#煤層采空區(qū)斷裂帶最大高度示意圖Fig.2 Sketch map of the maximum height of the fracture zone in the goaf of 9# and 12# coal seams

3.2.3 垮落帶和斷裂帶與上覆煤田火區(qū)關(guān)系

1）從垮落帶高度計(jì)算結(jié)果可知，021205 工作面回采時(shí)，上覆巖層垮落最大高度15.6 m，小于12#煤層與10#煤層間的距離（29.9 m）；9#煤層上覆巖層垮落最大高度10.4m，遠(yuǎn)小于9#煤層與7-1（Ⅲ）火區(qū)間的距離（82 m），表明7-1（Ⅲ）火區(qū)明火不會(huì)竄入021205 工作面。

2）從斷裂帶高度計(jì)算結(jié)果可知：根據(jù)94-1 號(hào)煤田鉆孔資料，021205 工作面回采時(shí)，上覆巖層斷裂帶高度最大為31 m，大于12#煤層與10#煤層間距（29.9 m），由于021005 工作面未開采，因此021205工作面開采時(shí)不會(huì)與10#煤層有裂隙溝通，開采9#煤層時(shí)上覆巖層斷裂帶高度最大為24 m，小于9#煤層與7-1（Ⅲ）火區(qū)間距（82 m），斷裂帶頂部距離7#煤層底板約58 m，且根據(jù)94-1 鉆孔的地質(zhì)資料，7#煤層與9#煤層之間存在較厚的泥質(zhì)頁巖，會(huì)抑制煤層采動(dòng)后上部覆巖裂隙的發(fā)育高度，因此當(dāng)021205 工作面回采時(shí)，7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)有毒有害氣不會(huì)侵入到021205 工作面。

3.3 021205 工作面鄰近采空區(qū)氣體

021205 工作面鄰近采空區(qū)為021203 采空區(qū)，上部021005 工作面尚未回采。根據(jù)黃白茨煤礦束管監(jiān)測數(shù)據(jù)，在021203 工作面開采過程中未發(fā)現(xiàn)CO氣體，采空區(qū)內(nèi)也未檢測到CO 氣體，因此，當(dāng)021205 工作面開采時(shí)，不會(huì)受到上部7-1（Ⅲ）火區(qū)的有毒有害氣體的影響。

4 結(jié) 語

1）021205 工作面回采不會(huì)受到7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)明火的威脅。021205 工作面回采時(shí)，7-1（Ⅲ）火區(qū)有毒有害氣體不會(huì)侵入到021205 工作面。

2）受工作面的重復(fù)采動(dòng)、煤田火區(qū)燃燒層位的變化以及地震等自然因素的影響，裂隙會(huì)進(jìn)一步發(fā)育，與正在回采工作面溝通，造成有毒有害氣體入侵工作面的可能性，因此021205 工作面回采時(shí)，仍需對(duì)021205 工作面采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并制定相應(yīng)的技術(shù)措施。

3）為確保021205 工作面的安全回采，仍需要對(duì)周邊的020905 采空區(qū)、020907 采空區(qū)和021203 采空區(qū)的進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)密閉進(jìn)行監(jiān)測，以便對(duì)有害氣體入侵工作面及時(shí)預(yù)警。

4）由于7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)不僅影響021205 工作面的安全回采，還可能影響備采021005 工作面的回采，因此需要對(duì)7-1（Ⅲ）煤田火區(qū)進(jìn)行治理，控制煤田火區(qū)的蔓延。