山西平安煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素分析

陳鳳杰，劉潤斌

（1.山西能源學(xué)院地質(zhì)與測繪工程系，山西 晉中 030600；2.山西省煤炭工業(yè)廳 煤炭資源地質(zhì)局，山西 太原 030045）

0 引言

我國能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭一直占據(jù)主體地位，雖然伴隨著能源改革，煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的占比逐漸下降，但其主體地位在短時間之內(nèi)不會被動搖。我國煤礦大多為井工開采，復(fù)雜的地質(zhì)條件使得煤礦在開采過程中易發(fā)各種安全事故，隨著礦井安全領(lǐng)域的科研攻關(guān)，煤礦安全事故發(fā)生頻率明顯降低，但煤礦安全事故仍常有發(fā)生，隱蔽致災(zāi)因素是其主要誘因，近80%的礦井重大事故與采空區(qū)、斷層等隱蔽致災(zāi)因素有關(guān)。

事故預(yù)防是確保煤礦安全生產(chǎn)的重要手段和基礎(chǔ)，隱蔽致災(zāi)因素預(yù)先探查和辨識，可有效避免某些災(zāi)害事故的發(fā)生。以山西平安煤礦為例，對煤礦采空區(qū)、地下水體、斷層、陷落柱、瓦斯及發(fā)火點等隱蔽致災(zāi)因素進行分析研究，以期為煤礦安全生產(chǎn)提供理論參考。

1 礦井概況

平安煤業(yè)位于壽陽縣城西北部平舒鄉(xiāng)平舒村-太安村一帶，井田形狀為一多邊形，面積8.4245 km2，批采15 號煤層，生產(chǎn)規(guī)模90 萬t/a。井田位于壽陽縣城西北15 km 處，西南距太（原） —陽（泉） 307 國道2 km，向東可達壽陽、陽泉，向西可達省會太原，交通較為便利。井田西側(cè)與陽煤集團開元煤礦相鄰，東鄰山西壽陽段王集團友眾煤業(yè)有限公司，南部和北部無礦權(quán)設(shè)立。

井田內(nèi)地表均被第四系松散層覆蓋，井田內(nèi)主要賦存地層有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、新近系上新統(tǒng)及第四系。

2 礦井隱蔽致災(zāi)因素評價分析

2.1 煤礦及周邊采空區(qū)分析

井田內(nèi)僅15 號煤層存在采空區(qū)，上覆3、6、8、9 上、9 號煤層暫未開采，井田范圍內(nèi)15 號煤層共有采空區(qū)23 處，其中9 處有積水，采空積水區(qū)總面積約為0.34 km2，總積水量達3.6×105m3。井田周邊開元、友眾煤礦礦井涌水量約為60～80 m3/h，暫未發(fā)現(xiàn)與平安煤礦有越界開采情況。同時，15 號煤層廢棄密閉的采空區(qū)內(nèi)積有廢氣，廢氣主要成分為氮氣（N2）、二氧化碳（CO2） 及甲烷（CH4），長時間不通風(fēng)造成濃度越來越大，在鄰近開采工作面前應(yīng)引起高度警惕。

2.2 廢棄老窯和封閉不良鉆孔分析

井田內(nèi)關(guān)閉和廢棄井筒有6 個，原古城井田的主、副斜井井筒在掘進過程中遇到流沙層，無法處理，故放棄。原山西省壽陽縣平安煤炭有限責(zé)任公司主、副斜井和東坪上主斜井均開采15 號煤層，現(xiàn)均已關(guān)閉，井口封堵良好。井田內(nèi)共施工23 個鉆孔，其中5 個鉆孔施工年代久遠，封孔質(zhì)量不詳，應(yīng)以封閉不良考慮；11 個鉆孔封孔質(zhì)量完好；7 個鉆孔封孔質(zhì)量合格。

2.3 斷層、裂隙和褶曲評價分析

井田地層總體為走向EW、傾向S 的單斜構(gòu)造，傾角4°～15°，在此基礎(chǔ)上發(fā)育了次一級不同方向的褶曲和斷層，如圖1 所示。井田內(nèi)共發(fā)育有褶曲6 條，軸向主要為北西-北東向和北西向，軸長約900 ～3200 m。井田內(nèi)共揭露41 條斷層，均為正斷層，其中落差大于5 m 的斷層有5 條，分別為F1、F2、F7、F8 和F28，其余斷層斷層落差均小于5 m，均為井巷揭露斷層。井田內(nèi)裂隙較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)有巖漿巖侵入，構(gòu)造簡單。

圖1 井田構(gòu)造綱要圖Fig.1 Well field structure outline

2.4 陷落柱分析

井田內(nèi)目前共揭露76 個陷落柱，陷落柱水平斷面多呈近橢圓形，規(guī)模最大的190 m×90 m。井下揭露的陷落柱多為工作面回采揭露和巷探揭露，個別為鉆探揭露，所有井下揭露的陷落柱目前無明顯導(dǎo)水現(xiàn)象。

2.5 瓦斯富集區(qū)分析

根據(jù)平安煤業(yè)4 個15 號煤層瓦斯含量井下測值來看，15 號煤層瓦斯中的甲烷（CH4） 成分為10.01%～21.66%，二氧化碳（CO2） 成分為30.89%～53.27%，氮氣（N2） 成分為36.72%～46.63%，4個瓦斯含量測試點均處于瓦斯風(fēng)化帶中。15 號煤層原煤瓦斯含量與埋藏深度呈正相關(guān)，瓦斯含量梯度約為1.39 m3/t/hm。井田發(fā)育的褶曲向斜軸部埋藏相對較深，可能形成瓦斯富集區(qū)。根據(jù)煤礦井下瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，在工作面回風(fēng)上隅角瓦斯含量通常較高，容易形成瓦斯富集區(qū)。根據(jù)平安煤礦2020年度礦井瓦斯等級鑒定，該礦為低瓦斯礦井。

2.6 導(dǎo)水裂隙帶分析

井田內(nèi)15 號煤層為緩傾斜煤層，頂板以砂質(zhì)泥巖、砂巖、泥巖為主，為中硬巖層，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，對15 號煤層開采所形成的導(dǎo)水裂隙帶高度和垮落帶高度進行計算分析。

導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式如下：

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

垮落帶高度計算公式如下：

式中：Hm為垮落帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

通過式（1）、式（2） 采用鉆孔成果計算，井田內(nèi)15 號煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶最大高度為60.59 m，井田內(nèi)共有10 個鉆孔可溝通K2、K2下、K3、K4、K5、K6、K7含水層和新生界孔隙含水層，如將上覆含水層水和新生界孔隙水導(dǎo)入15 號煤層采空區(qū)，會造成井下危害事故。通過式（3） 采用鉆孔成果計算，井田內(nèi)15 號煤層頂板垮落后垮落帶高度最大為15.31 m，小于15 號煤層之上的基巖最小厚度20.10 m。

2.7 地下含水體分析

井田內(nèi)含水層劃主要有新生界孔隙含水層（Q+N）、二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層、石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。礦井充水水源主要有大氣降水及地表水、山西組碎屑巖類砂巖裂隙水、太原組灰?guī)r裂隙水、奧陶系巖溶水及采空區(qū)積水。礦井涌水量來源于地表水、大氣降水、構(gòu)造裂隙水、采空區(qū)積水、頂板碎屑巖裂隙含水層水，主要為頂板碎屑巖裂隙含水層水和采空區(qū)積水。礦井目前正常涌水量93.61 m3/h，最大涌水量120.00 m3/h，井下目前有涌水點13 個，其中15101 回風(fēng)順槽、一采區(qū)運輸巷及150104 工作面涌水量相對較大，為17.6～33.8 m3/h，其余涌水點水量較小。

2.8 井下火區(qū)分析

根據(jù)井田15105 工作面15 號煤層煤樣測試結(jié)果，15 號煤層火焰長度30 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量55%，有煤塵爆炸性；15 號煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃。井井下開采15 號煤層巷道和采空區(qū)內(nèi)未發(fā)生過煤自燃現(xiàn)象，現(xiàn)井下無火區(qū)分布。

2.9 古河床沖刷帶、天窗、滑坡等不良地質(zhì)體分析

井田北部煤層淺埋區(qū)有河床沖刷帶和風(fēng)氧化帶，在河床沖刷帶和風(fēng)氧化帶附近，煤層開采后形成的垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶容易溝通頂板基巖上覆流沙層涌入井下；井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)天窗等不良地質(zhì)體，未見有巖漿巖侵入現(xiàn)象，以往開采15 號煤層未發(fā)現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象。

3 結(jié)語

對平安煤礦隱蔽致災(zāi)因素進行了分析，認(rèn)為采空區(qū)、導(dǎo)水裂隙帶、地下含水體、古河床沖刷帶是井田主要的隱蔽致災(zāi)因素；廢棄老窯、封閉不良鉆孔、斷層、褶曲、裂隙帶、陷落柱、瓦斯富集區(qū)等因素是井田一般隱蔽致災(zāi)因素。