劉海濤,張 帆

(1.霍州煤電集團(tuán) 云廈建筑工程有限公司防治水工程技術(shù)分公司,山西 霍州 031499;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

煤礦隱蔽致災(zāi)因素具有隱蔽性、時變性、突發(fā)性的特點(diǎn),探測和預(yù)防難度大。不同的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素有其不同的存在狀態(tài)或發(fā)育特征,在生產(chǎn)過程中,如不能預(yù)先辨識,將給采掘活動造成影響,甚至發(fā)生事故。據(jù)不完全統(tǒng)計,在我國的煤礦重大事故中,與地質(zhì)條件有關(guān)的各類事故約占80%[1-3]。2013年,我國《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》中專門將“煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素普查”列為一章,對隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素調(diào)查做了具體的規(guī)定。特別是近年來,多數(shù)煤礦逐漸轉(zhuǎn)入深部煤炭資源開采,深部開采面臨高沖擊地壓、高地溫、高瓦斯等地質(zhì)條件[4-5],隱蔽致災(zāi)因素的類型增多,而且災(zāi)害程度加重,煤礦生產(chǎn)的難度加大。因此,加強(qiáng)煤礦隱蔽地質(zhì)因素的調(diào)查與研究,已成為煤礦安全、高效、可持續(xù)開采的重要保障。

1 工程概況

晉北井田位于山西省靜樂縣境內(nèi),隸屬山西霍州煤電集團(tuán),行政區(qū)劃屬山西省靜樂縣娘子神鄉(xiāng)管轄。井田南北長約3.744 km,東西寬約2.719 km,面積為8.567 2 km2。批采開采2號—6號煤層,開采標(biāo)高1 379.99～649.99 m;開采方式為斜井開采,采用走向長壁采煤法,生產(chǎn)規(guī)模為12 萬t/a。截止2019年底,礦井保有儲量為3 436.83 萬噸,可采儲量為1 096.96 萬噸。

井田位于靜樂盆地東南部邊緣處,地處晉西北黃土高原,植被稀少,地形較為復(fù)雜,切割劇烈。井田內(nèi)地形總體東南高,西北低,最高點(diǎn)位于井田東南部,標(biāo)高為+1 574.0 m；最低點(diǎn)位于井田西部牛泥溝,標(biāo)高為+1 345.6 m；最大相對高差228.4 m,山勢起伏不平,呈V字形溝谷,屬低中山地貌。井田總體為一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造,西北部較陡,東南部較緩,傾角為3°～25°,一般為22°左右,在此基礎(chǔ)上發(fā)育一組次一級的背、向斜。井田內(nèi)斷層發(fā)育,鉆孔及巷道揭露的斷層有150余條,均為正斷層。井田附近出露地層從老到新依次為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭二疊系(本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組與石千峰組)、三疊系(劉家溝組、和尚溝組、二馬營組、銅川組與延長組)、侏羅系(永定莊組、大同組、云崗組與天池河組地層)、第三系地層。礦區(qū)附近地質(zhì)圖,如圖1所示。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)圖

2 隱蔽致災(zāi)因素

針對晉北礦區(qū)地質(zhì)條件與開采現(xiàn)狀,開展了礦區(qū)隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的綜合調(diào)查研究,主要包括采空區(qū)、封閉不良鉆孔與廢棄老窯(井筒)、斷層與褶曲、瓦斯富集區(qū)、導(dǎo)水裂隙帶、地下含水體等不良地質(zhì)體[6]。各類隱蔽致災(zāi)因素勘查與分析結(jié)果如下。

2.1 采空區(qū)

2.1.1礦井自身采空區(qū)

晉北煤業(yè)自兼并重組后長時間處于基建階段,于2017年1月開始聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)至今,主采5上號煤層,目前僅形成了5-100、5-101、5-103以及5-404工作面采空區(qū)?？辈榻Y(jié)果顯示,由于礦井自身采空區(qū)形成時間短,各工作面采空區(qū)內(nèi)暫不存在積水情況,但采空區(qū)積水是一個動態(tài)變化的過程,隨著時間的推移,不排除在各采空區(qū)低洼處逐漸匯集積水的可能。

2.1.2井田內(nèi)老空、采空區(qū)

基于晉北礦區(qū)實(shí)際采掘情況及地球物理勘探資料,井田內(nèi)采空區(qū)主要分布于井田東南部的原山浪煤礦采掘范圍內(nèi),均為物探解釋采空積水區(qū)。自2014年晉北煤業(yè)兼并重組后,加強(qiáng)了礦區(qū)采空積水區(qū)的探測疏放工作。根據(jù)近年來原牛泥煤礦5上號煤層西部采空區(qū)積水疏放成果、一采區(qū)軌道巷與皮帶巷鉆孔出水量監(jiān)測資料以及最新5上號煤層礦井充水性圖,同時結(jié)合一采區(qū)軌道巷與皮帶巷探水鉆孔位置及煤層底板等高線綜合分析推斷:原物探探測區(qū)東部和西部原牛泥煤礦5上號煤層2005年-2006年采空區(qū)和2006年-2008年采空區(qū)內(nèi)的積水均已基本疏放完畢;目前僅在探測區(qū)中部原牛泥煤礦老巷附近存在1處采空積水區(qū),積水標(biāo)高+1 343 m,積水面積約23 371 m2,估算積水量約3 505 m3。

此外,部分較老采空區(qū)因長期封閉,其殘留煤柱中的瓦斯氣體逸散后積聚在采空區(qū)內(nèi),形成一定數(shù)量的積氣。井田周邊邊界外為空白資源,周邊無其他礦井,未發(fā)現(xiàn)小煤窯開采情況。

2.2 封閉不良鉆孔和廢棄老窯(井筒)

鉆孔有可能作為充水通道串聯(lián)多個含水層,所以一旦發(fā)生導(dǎo)水通道的突水事故,不僅突水初期量大,而且有比較穩(wěn)定的補(bǔ)給,是影響礦井安全生產(chǎn)的重要隱蔽致災(zāi)因素之一。

晉北井田內(nèi)存在多處鉆孔,包括1993年勘探時的施工鉆孔19個,2010年補(bǔ)勘時施工鉆孔9個,2015年補(bǔ)勘時施工鉆孔7個,共累計施工鉆孔35個。經(jīng)查明,1993年勘探時的19個施工鉆孔都進(jìn)行了封閉,整個區(qū)域內(nèi)封孔質(zhì)量較好,達(dá)到了封孔的要求;2012年補(bǔ)勘時的9個鉆孔除了8號孔作為長觀孔以外,其余都進(jìn)行了封閉,封閉質(zhì)量全部合格;2015年補(bǔ)勘時的7個鉆孔全部用水泥漿全孔封閉的方法進(jìn)行處理,封閉質(zhì)量合格,均達(dá)到了甲級標(biāo)準(zhǔn)。因此上述鉆孔的隱患可以排除。

礦井對于未來5年的采掘規(guī)劃中共涉及到6個鉆孔,具體信息見表1。其中5-408工作面經(jīng)過補(bǔ)13號鉆孔,5-301工作面經(jīng)過ZK001、ZK205、ZK404鉆孔,5-303工作面經(jīng)過ZK002、ZK206鉆孔。

表1 未來5年開采工作面范圍內(nèi)及周邊鉆孔情況匯總表

2.3 斷層與褶曲

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,尤其是井田內(nèi)的斷層與褶曲及其在構(gòu)造演化過程中形成的裂隙,對井田內(nèi)瓦斯賦存、地下水賦存、導(dǎo)水通道分布等具有重要影響。晉北井田總體為一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造,并在此基礎(chǔ)上發(fā)育了一組次一級的背、向斜(圖2)。其中背斜(S1)位于井田中部,中軸在井田內(nèi)延伸約3 300 m,軸向由北向南自北東向轉(zhuǎn)為北北東向,兩翼地層傾角大小基本一致,傾角約為4°。向斜(S2)位于S1背斜東部,向斜軸在井田內(nèi)延伸約1 900 m,軸向由北向南自北東向轉(zhuǎn)為北北東向,兩翼地層傾角大小基本一致,地層傾角約5°。

井田內(nèi)斷層發(fā)育,鉆孔及巷道揭露的斷層多達(dá)150余個。其中,兩盤垂直落差大于10 m的斷層有9條,落差為5～9 m的斷層有32條,其余均為落差小于5 m的斷層。綜合勘查結(jié)果認(rèn)為,礦井未來5年采掘區(qū)域主要受F6、F32正斷層影響(圖2)。F6正斷層位于井田西北處,補(bǔ)3號鉆孔揭露,走向北東,傾向北西,傾角75°,落差100 m,井田內(nèi)延伸長度約800 m;F7正斷層位于井田南部,補(bǔ)11號鉆孔揭露,近東西走向,傾向正南,傾角75°,落差30～60 m,井田內(nèi)延伸長度約1 600 m。此外,在斷層周邊會產(chǎn)生多條裂隙帶,一方面在斷裂面處奧灰含水層可能通過斷層裂隙帶涌入礦井,對礦井生產(chǎn)造成威脅;另一方面,上述裂隙多為開放性裂隙,并伴有煤層風(fēng)氧化現(xiàn)象,不利于煤層瓦斯的積聚。

圖2 5上號煤層井田地形地質(zhì)構(gòu)造圖

2.4 瓦斯富集區(qū)

2.4.1礦井富集區(qū)瓦斯勘測

井田內(nèi)的瓦斯富集區(qū)是礦井瓦斯災(zāi)害的重點(diǎn)防治區(qū)域。根據(jù)勘查結(jié)果可知,霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)有限公司5上號煤層礦井的瓦斯絕對涌出量為1.08～1.60 m3/min,二氧化碳絕對涌出量為1.77～4.25 m3/min,掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.07 m3/min。通過井田內(nèi)鉆孔瓦斯含量測試結(jié)果可知,5上、5下號煤層井下測點(diǎn)及勘探取樣測試點(diǎn)瓦斯分帶均為氮?dú)鈳?、氮?dú)?甲烷帶,6號煤層瓦斯分帶均為氮?dú)?甲烷帶、氮?dú)?二氧化碳帶。5上號煤層瓦斯含量0.96～1.19 m3/t,井下現(xiàn)場實(shí)測瓦斯含量最大值為0.21 m3/t,甲烷體積分?jǐn)?shù)為5.32%。

2.4.2礦井瓦斯涌出量預(yù)測

準(zhǔn)確預(yù)測瓦斯涌出量是防治礦井瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一,并能為工作面布置、井下瓦斯抽放設(shè)計、通風(fēng)管理等提供基本依據(jù)。根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系,利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件,通過對回采工作面和掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的計算,來達(dá)到預(yù)測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。

分源預(yù)測法的計算公式如下:

(1)

式中:q1為開采煤層瓦斯相對涌出量,m3/t;K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù),對于全部陷落法頂板管理的回采面該值取1.3;K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù),其值為工作面回采率的倒數(shù),5上號煤層平均煤厚為4.62 m,采煤方法為長壁綜采放頂煤采煤法,回采率為93%,K2取1.08;K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù),采用長壁后退式回采時,系數(shù)K3按下式確定:

(2)

式中:L為工作面長度,其值為180 m;b為掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度,無實(shí)測值,5上號煤為1/3焦煤,取15.4 m;d為煤層厚度,取4.62 m;h為工作面采(放)高,取4.62 m;W0為煤層原始瓦斯含量,m3/t,根據(jù)預(yù)測工作面位置在瓦斯含量分布預(yù)測圖上查取;Wc為煤的殘存瓦斯含量,取0.13 m3/t。礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

根據(jù)礦井富集區(qū)瓦斯勘測與預(yù)測結(jié)果,綜合分析認(rèn)為晉北礦井屬于簡單型瓦斯礦井[7-8]。在今后開采過程中應(yīng)掌握礦井瓦斯的變化情況,尤其是在構(gòu)造復(fù)雜部位、應(yīng)力集中部位等地方要做好監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報工作,保證礦井安全生產(chǎn)。

2.5 導(dǎo)水裂隙帶

煤礦開采時,垮落帶(hk)、導(dǎo)水裂隙帶(hd)的高度通常用以下公式計算:

垮落帶:

(3)

導(dǎo)水裂隙帶:

(4)

式中:d為采煤厚度,m[9],取自礦區(qū)掘進(jìn)與綜合鉆孔數(shù)據(jù)。其中,共有25個鉆孔取得了5下號煤層的層厚,數(shù)值落在了1.05～14.82 m之間;共有22個鉆孔取得了6號煤層的層厚,數(shù)值落在了0.60～10.82 m之間;共有31個鉆孔取得了5上號煤層的層厚,數(shù)值落在了2.60～13.36 m之間。

基于上述公式計算可得,5下號煤層垮落帶高度在6.07～17.61 m之間,5上號煤層垮落帶高度在10.53～18.53 m之間,6號煤層垮落帶高度在3.25～13.09 m之間。同時,鉆孔數(shù)據(jù)顯示5下號煤層距5上號煤層1.20～15.02 m,6號煤層距5下號煤層2.40～19.18 m,表明5下號煤層開采產(chǎn)生的垮落帶范圍與5上號煤層部分重疊,6號煤層垮落帶范圍與5下號煤層部分重疊。

2.6 地下含水體

2.6.1地下充水水源

礦區(qū)水文地質(zhì)鉆孔資料顯示,5上、5下、6號煤層與主要含水層的空間位置關(guān)系如圖3所示,表明其地下充水水源主要為石炭系太原組L1灰?guī)r及上部的砂巖含水層和奧陶系馬家溝組灰?guī)r含水層。

圖3 煤層與主要含水地層空間位置示意圖

煤層頂板的直接充水水源主要來自于石炭系太原組L1灰?guī)r及上部的砂巖含水層,主要巖性為砂巖和灰?guī)r。根據(jù)勘探資料可知,頂板太原組含水層單位涌水量為0.001 5～0.840 0 L/(s·m),富水性為弱-中等。由5上號煤導(dǎo)水裂隙帶的計算可以看出,采煤擾動產(chǎn)生的裂縫最大可發(fā)育近83.10 m,導(dǎo)致本礦5上號煤開采時,導(dǎo)水裂隙帶將穿過直接頂板太原組L1灰?guī)r含水層,可造成采掘過程中頂板淋水較大,且持續(xù)時間長,特別是斷層附近,涌水量較其它地方偏大,對礦井開采存在一定影響。

煤層底板充水水源主要來自奧陶系上馬家溝組灰?guī)r含水層,巖性主要為各種灰?guī)r,該含水巖組巖溶裂隙較為發(fā)育,賦存承壓水。據(jù)水文孔抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示,單位涌水量在1.049～2.596 L/(s·m),含水層富水性強(qiáng),水質(zhì)類型以HCO3SO4-CaMg為主。推斷井田內(nèi)奧灰水水位標(biāo)高1 259～1 267 m,5上、5下、6號煤層最低—最高底板標(biāo)高分別為760～1 370 m、750～1 360 m、740～1 350 m,井田西部、西南部各煤層底板低于奧灰水位標(biāo)高,屬于局部帶壓開采。5上號煤層奧灰水帶壓區(qū)分布,見圖4。

圖4 5上號煤層奧灰水帶壓區(qū)分布圖

2.6.2帶壓區(qū)突水系數(shù)

煤層帶壓區(qū)突水系數(shù)是判斷帶壓煤層開采時突水可能性的重要參數(shù)。依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》計算得到的5上、5下、6號煤層帶壓區(qū)突水系數(shù)分別為0.010～0.058 MPa/m、0.012～0.069 MPa/m、0.014～0.079 MPa/m。5上號煤層帶壓開采突水系數(shù)均小于底板受構(gòu)造破壞塊段的臨界突水系數(shù)(0.06 MPa/m),屬帶壓開采相對安全區(qū),正常情況下發(fā)生突水的可能性小,遇導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造時存在突水的可能。5下號煤層井田西北部標(biāo)高+825 m以下地段和6號煤層井田西北部標(biāo)高+975 m以下地段突水系數(shù)大于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)(0.06 MPa/m),小于正常塊段臨界突水系數(shù)0.1 MPa/m,屬于帶壓開采過渡區(qū),在無斷裂構(gòu)造發(fā)育的情況下,一般不會發(fā)生底板突水事故,但在遇導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造時容易發(fā)生突水。井田西部、西南部標(biāo)高+825 m以上地段小于底板受構(gòu)造破壞塊段臨界突水系數(shù)(0.06 MPa/m),均屬帶壓開采相對安全區(qū),正常情況下發(fā)生突水的可能性小,遇導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造時存在突水的可能。同時在F6、F7、F32斷層兩側(cè),斷裂構(gòu)造破壞了隔水底板的完整性,降低了隔水層厚度和抗、隔水性能,成為底板突水的潛在通道,是最容易發(fā)生突水的區(qū)段。

綜合礦井開采、地球物理勘探及現(xiàn)場勘查結(jié)果,綜合分析認(rèn)為晉北礦區(qū)當(dāng)前隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素主要為導(dǎo)水裂隙帶、斷層、局部帶壓奧灰水和瓦斯,應(yīng)加強(qiáng)防范與治理。

3 防治措施

針對晉北煤業(yè)上述主要的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素,并結(jié)合井田自身開采情況,提出以下具體防范與治理措施。

3.1 導(dǎo)水裂隙帶致災(zāi)防治措施

晉北礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶既是地表水涌入礦井的可能通道,也是主采煤層間垮落帶與煤層重疊、裂隙貫通部分。為避免地表水涌入發(fā)生危險,應(yīng)加強(qiáng)地表水和河床的綜合治理,每天對地表水進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)異常及時通報;同時,應(yīng)加強(qiáng)裂隙導(dǎo)水與礦井排水試驗(yàn),提高礦井排水能力,保證雨季或涌水時排水系統(tǒng)正常運(yùn)行;若涌入水量過大則應(yīng)該提前進(jìn)行注漿,漿液容易被壓注到巖體裂隙中,膠結(jié)巖體,提高圍巖整體強(qiáng)度,減少突水幾率。

3.2 斷層致災(zāi)防治措施

井田范圍內(nèi)斷層發(fā)育,在采掘過程中斷層可能會導(dǎo)致冒頂事故和突水事故。為預(yù)防冒頂事故,可根據(jù)不同冒頂類型采用正對性支架,加強(qiáng)支架支撐。對于斷層可能引起的突水事故,一般可采取探放水措施;當(dāng)水量過大時,應(yīng)采取注漿堵水措施,先堵截水源通道,再進(jìn)行排水,并在斷層附近留設(shè)防水煤(巖)柱來處理[10].

3.3 局部帶壓奧灰水致災(zāi)防治措施

針對晉北煤層帶壓區(qū)奧灰水可能引發(fā)的突水事故,建議首先加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測網(wǎng)建設(shè),查清底板奧灰水的水物理性質(zhì)、賦存導(dǎo)水情況、補(bǔ)給來源、補(bǔ)給量及補(bǔ)給通道等;根據(jù)奧灰水的物理性質(zhì)選擇合適的方式來縮短工作斜長面,進(jìn)而減少礦山壓力對底板的破壞作用;此外,也可通過地面注漿站集中造漿、注漿,井下施工注漿孔向介于煤層和奧灰強(qiáng)含水層之間的薄層灰?guī)r注漿。

3.4 瓦斯致災(zāi)防治措施

晉北煤業(yè)屬于瓦斯礦井,通風(fēng)是當(dāng)前防治瓦斯事故最行之有效的方法。礦井應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)能力建設(shè),定期開展主要和備用通風(fēng)裝置應(yīng)急測試,定期開展通風(fēng)設(shè)施的檢查維修,確保礦井涌出瓦斯及時有效排出;此外,加強(qiáng)上下隅角懸頂管理,嚴(yán)格控制上下隅角懸頂面積,消除瓦斯積存空間;同時,井下、通風(fēng)口等敏感處嚴(yán)禁煙火,防止瓦斯引燃。

4 結(jié)論

本文通過對晉北礦區(qū)隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素的詳細(xì)勘查與綜合分析評價,認(rèn)為本礦區(qū)當(dāng)前最主要隱蔽致災(zāi)因素為導(dǎo)水裂隙帶、斷層、局部帶壓奧灰水和瓦斯。根據(jù)上述隱蔽致災(zāi)因素和礦區(qū)自身開采情況,提出了給斷層預(yù)留防水煤(巖)柱、開展導(dǎo)水裂隙與封閉鉆孔進(jìn)行導(dǎo)水試驗(yàn)、提升礦井排水能力、注漿膠結(jié)巖體、對井下進(jìn)行通風(fēng)等具體針對性防范治理措施,且要求在日常生產(chǎn)管理工作中,加強(qiáng)科學(xué)監(jiān)測與預(yù)測預(yù)報,做到不安全不生產(chǎn)。