夏玉成，王 銳，馬 麗

(1.西安科技大學地質與環(huán)境學院，西安 710054；2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710021)

我國煤礦發(fā)生的各類安全事故中，約有80%與隱蔽致災因素有關，隱蔽致災因素已經(jīng)成為引發(fā)煤礦重特大災害事故的主要原因[1]。自從范立民[2]出版《煤礦隱蔽致災因素與探查》專著以來，煤礦隱蔽致災因素日益引起學界關注。申寶宏[3]出版了《煤礦隱蔽致災因素普查技術》，段建華等[4]提出了探測煤礦隱蔽致災地質因素的地面物探技術，王四一[5]對煤礦隱蔽致災地質因素井下探查用隨鉆測量系統(tǒng)進行了測試研究。上述學術成果，為礦井災害防治發(fā)揮了積極作用。

一般將煤礦井下發(fā)生的與地質條件密切相關的水、火、瓦斯、煤塵、冒頂、沖擊地壓等重大事故稱為礦井地質災害。因為在礦井地質災害發(fā)生之前，災害源已經(jīng)存在于礦井地質體之中，但處在隱蔽狀態(tài)，往往被人們忽視，所以稱其為礦井隱蔽致災地質因素。從這個意義考慮，礦井隱蔽致災地質因素實質是指礦井地質災害的災害源，即在煤礦采掘過程中具有發(fā)生礦井地質災害潛在危險的地質體，包括煤層及其圍巖以及存在其中的地下水與瓦斯等，可簡稱為地質災源體。

本文從礦井地質災害典型案例入手，通過分析礦井地質災害成災機理及其相關要素，闡述了對礦井地質災源體及其主要特征的認識，并提出辨識礦井地質災害的災源體、評價災源體致災危險度的具體方法，以期進一步規(guī)范和細化礦井隱蔽致災地質因素研究工作，對進一步提升我國礦井地質災害防治工作水平有所裨益。

1 成災機理及要素

1.1 典型案例

2015年4月19日，山西同煤集團姜家灣煤礦844 6采煤工作面自開切眼向前推進42 m后，因開采形成的導水裂隙帶破壞了上覆隔水層，頂板水涌入采煤工作面，造成21人死亡[6]。

2013年3月29日，吉林通化市八寶煤業(yè)公司416 4工作面因為上區(qū)段采空區(qū)漏風，導致煤層自燃，并引發(fā)瓦斯爆炸，造成53人死亡[7]。

2009年11月21日，黑龍江龍煤集團新興煤礦因井下許多探煤巷發(fā)生煤與瓦斯突出，遇火發(fā)生瓦斯爆炸，并波及全礦井，造成特別重大瓦斯爆炸事故[8]。

2005年11月27日，黑龍江龍煤集團東風煤礦因違規(guī)操作，導致煤倉內(nèi)的煤炭突然傾出，帶出大量煤塵并造成巷道內(nèi)的積塵飛揚達到爆炸界限，放炮火焰引起煤塵爆炸，造成171人死亡[9]。

2016年4月3日，新疆莎車天利煤礦641 0放頂煤工作面因頂板穩(wěn)定性差，而支護強度不夠，導致直接頂局部斷裂、失穩(wěn)，工作面部分支架倒塌、頂煤垮落，造成10人死亡[10]。

2011年11月3日，義馬煤業(yè)集團千秋煤礦發(fā)生重大沖擊地壓事故，造成10人死亡、64人受傷[11]。事故的影響因素是礦區(qū)地層局部直立或倒轉，構造應力極大，處在強沖擊地壓危險區(qū)域；直接原因是煤層開采后，上覆礫巖層大面積垮落，導致沖擊地壓事故的發(fā)生。

1.2 成災機理

深入分析研究礦井地質災害的典型案例可以發(fā)現(xiàn)，礦井地質災害的發(fā)生需要地質災源體、觸發(fā)因素、影響因素等3大要素。地質災源體是礦井地質災害的內(nèi)因，觸發(fā)因素是礦井地質災害的外因。沒有地質災源體，不可能發(fā)生礦井地質災害；雖有地質災源體，沒有人類工程活動觸發(fā)，也不會發(fā)生礦井地質災害。影響因素本身不能致災，但在有觸發(fā)因素導致災害發(fā)生時，它們的存在起到調節(jié)器作用，可能加劇或者減輕礦井地質災害的危險程度。

1.3 相關要素

1.3.1 地質災源體

礦井地質災源體是在煤礦采掘擾動條件下有可能導致礦井地質災害的地質體，包括具有特定性質與力學結構的煤層及其圍巖，以及存在其中且達到一定量值的地下水與瓦斯等。

1.3.2 觸發(fā)因素

礦井地質災害的觸發(fā)因素主要來源于人類工程活動，即煤礦采掘工程。1)煤礦采掘造成隔水層或隔水巖體破壞，導致礦井水害發(fā)生。2)煤礦采掘造成有自燃傾向的煤暴露在氧含量大于12%的空氣中，由于氧化放熱和熱量積聚導致溫度逐漸升高，當達到煤的著火點(300～350℃)時，產(chǎn)生煤的自燃。3)煤礦采掘使采場瓦斯積聚濃度≥2%，體積≥0.5 m3，且存在650～750℃引爆火源，空氣中氧濃度≥12%，引起瓦斯災害。4)當具有爆炸性的煤塵濃度>45 g/m3，且存在610～1 050℃高溫火源，空氣中氧濃度≥18%時，發(fā)生煤塵災害。5)采掘工作產(chǎn)生的震動使不穩(wěn)定頂板巖石發(fā)生墜落，形成局部冒頂或大面積冒頂災害；巷道周圍已經(jīng)暴露而未加支護的煤、巖層也可能發(fā)生片幫，造成人員傷亡。6)煤層覆巖中較厚且堅硬的巖層(老頂)，在開采過程中出現(xiàn)大面積懸空現(xiàn)象，當應力超過其強度極限后會折斷垮落，導致煤礦井巷或工作面周圍煤(巖)體中聚集的彈性變形能突然猛烈釋放，伴有煤(巖)體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等突然、劇烈破壞等動力現(xiàn)象[12]。

1.3.3 影響因素

礦井地質災害的影響因素有地質因素和人為因素。

地質因素包括褶皺、斷層、節(jié)理、陷落柱、覆巖力學結構等。背斜部位往往是瓦斯聚積區(qū)，向斜部位常成為地下水聚積區(qū)，因而可能分別加大礦井瓦斯災害和礦井水害的危險度。斷層可能改變含、隔水層的空間關系，拉張性正斷層可能成為地下水的運移通道，未充填膠結的斷層破碎帶也可能成為地下水的聚積部位，因而加大礦井水害的危險度；另一方面，拉張性正斷層可能成為瓦斯的運移通道，有利于瓦斯的逸散，從而減輕礦井瓦斯災害的危險程度。在采動條件下節(jié)理裂隙擴張，可能成為瓦斯或地下水的運移通道；節(jié)理裂隙密集發(fā)育區(qū)帶，可能成為瓦斯或地下水的聚積部位。陷落柱可能成為地下水的聚積部位和導水通道，會使煤層上下各含水層發(fā)生水力聯(lián)系，從而增大礦井水害的危險度。如果煤層覆巖中存在力學性質差異很大的巖層，在煤層開采過程中，頂板不同巖層發(fā)生不協(xié)調變形，往往在軟硬巖層之間形成離層空腔，并積水形成頂板離層水，成為礦井水害的主要災源體；在煤層埋深超過400 m，且煤層上方100 m范圍內(nèi)存在單層厚度超過10 m、單軸抗壓強度大于60 MPa的堅硬巖層條件下，發(fā)生沖擊地壓災害的危險度最大[12]。

人為因素主要包括：1)在地質勘查中有些鉆孔封孔質量不合格或未封孔，使鉆孔成為礦井突水通道，也會成為瓦斯等有害氣體集中涌出的通道。當井工開采遇到封閉不良鉆孔時，會增加礦井災害的危險度。2)開采過程中聚積在煤層覆巖離層空腔內(nèi)的離層水，以及聚積在采空區(qū)、老窯和已經(jīng)報廢井巷內(nèi)的老空水，都會增加礦井水害的危險度。

2 地質災源體的辨識

2.1 類別劃分

根據(jù)常見的礦井地質災害，將地質災源體分為以下6大類。

1)水害災源體。井田內(nèi)受采掘破壞或者影響的含水層及水體，可進一步細分為地表水、頂板水、底板水等3種類型。地表水包括礦區(qū)及其周邊對礦井開采有影響的江河、湖泊、沼澤、水庫、池塘、溝渠、積水洼地等處的水；頂板水主要是指開采煤層上覆強含水層水；底板水是存在于開采煤層之下的具有水頭壓力的承壓水。

2)火災災源體。指礦井內(nèi)因火災(自燃火災)的災源體，一般為具有低溫氧化性，即有自燃傾向的煤層。根據(jù)我國煤炭自燃傾向性分類，容易自燃(Ⅰ類)或者自燃(Ⅱ類)煤層是主要的礦井內(nèi)因火災的災源體。

3)瓦斯災害災源體。吸附在煤層及其圍巖中以甲烷為主的煤系氣(瓦斯)。

4)煤塵爆炸災源體。煤塵有爆炸性的危險煤層。

5)頂板災害災源體。不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層直接頂板。

6)沖擊地壓災源體。具有沖擊傾向性和沖擊危險性的煤層或者其頂?shù)装鍘r層。

2.2 主要特征

礦井地質災源體具有地源性、隱蔽性、觸發(fā)性、可控性等主要特征。

地源性是指災源體的地質屬性。自燃煤層、軟弱頂板、地下水與瓦斯等地質災源體，都是特定地質作用過程的產(chǎn)物，均屬于某種地質體。

隱蔽性是指災源體的潛伏屬性。在煤礦采掘之前，地質災源體是煤層及其圍巖的組成部分，處于天然平衡穩(wěn)定狀態(tài)，不會導致災害發(fā)生，因而其致災屬性具有隱蔽性。

觸發(fā)性是指災源體的觸發(fā)致災屬性。只有在煤層采掘過程中，由于采動應力耦合作用打破了地質災源體原有的自然平衡狀態(tài)后，礦井地質災害才會發(fā)生。

可控性是指災源體的可辨識和可控制屬性。采用地質研究和礦井地球物理勘探相結合的方法，可以辨識災源體、評價其致災危險度，并對其發(fā)育部位進行精準探測。在此基礎上采取相應的技術措施，可以防止礦井地質災害的發(fā)生，或減輕其危害。

2.3 辨識規(guī)則

不同的井田，或同一井田的各個區(qū)塊，礦井地質災源體可能存在明顯差異。因而，首先要根據(jù)井田勘探和礦井探測資料，對研究區(qū)內(nèi)是否存在地質災源體進行辨識。辨識規(guī)則詳見表1。

3 致災危險度評價

在井田或其區(qū)塊若存在地質災源體，則應對其致災危險度進行評價，具體方法詳見表2。

4 結論與討論

1)存在于煤層及其圍巖中，在礦井采掘過程中有可能導致礦井地質災害的地質災源體，是礦井發(fā)生地質災害的物質基礎和前提條件，是災害發(fā)生過程中物質與能量釋放的主體，因其具有地源性、隱蔽性、觸發(fā)性和可控性，應當成為礦井地質災害防治工作的主要研究對象。

表2 地質災源體的危險度評價

續(xù)表

注：脆弱性指數(shù)評價標準引自陜西韓城礦區(qū)研究實例。詳見《韓城礦區(qū)地質構造解析與構造控礦研究報告》，陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，西安科技大學. 2017。

2)礦井采掘活動造成隔水層或隔水巖體破壞、煤層長時間與空氣接觸而氧化生熱、采場滿足瓦斯災害或煤塵災害發(fā)生條件，對冒頂和片幫事故防范措施不到位，老頂大面積懸空等觸發(fā)因素是礦井發(fā)生地質災害的必要條件。褶皺、斷層、節(jié)理、陷落柱以及覆巖力學結構等是礦井地質災害的地質影響因素；鉆孔封閉不良、開采形成離層水和老空水是礦井地質災害的人為影響因素。影響因素可能增加或減輕礦井地質災害的危險程度。

3)為了保障礦井安全開采，礦井地質工作者應著力提高對礦井地質災源體的辯識能力，分析預測地質災源體的空間分布規(guī)律；對可能存在的地質災源體進行危險度評價；對危險度較高的災源體進行精準定位與動態(tài)監(jiān)測；并從遏制人的不安全行為和彌補管理缺陷等方面，采取行之有效的礦井地質災害防控技術措施。