矿井地质灾害要素与地质灾源体辨识评价

夏玉成，王 锐，马 丽

(1.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054；2.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021)

我国煤矿发生的各类安全事故中，约有80%与隐蔽致灾因素有关，隐蔽致灾因素已经成为引发煤矿重特大灾害事故的主要原因[1]。自从范立民[2]出版《煤矿隐蔽致灾因素与探查》专著以来，煤矿隐蔽致灾因素日益引起学界关注。申宝宏[3]出版了《煤矿隐蔽致灾因素普查技术》，段建华等[4]提出了探测煤矿隐蔽致灾地质因素的地面物探技术，王四一[5]对煤矿隐蔽致灾地质因素井下探查用随钻测量系统进行了测试研究。上述学术成果，为矿井灾害防治发挥了积极作用。

一般将煤矿井下发生的与地质条件密切相关的水、火、瓦斯、煤尘、冒顶、冲击地压等重大事故称为矿井地质灾害。因为在矿井地质灾害发生之前，灾害源已经存在于矿井地质体之中，但处在隐蔽状态，往往被人们忽视，所以称其为矿井隐蔽致灾地质因素。从这个意义考虑，矿井隐蔽致灾地质因素实质是指矿井地质灾害的灾害源，即在煤矿采掘过程中具有发生矿井地质灾害潜在危险的地质体，包括煤层及其围岩以及存在其中的地下水与瓦斯等，可简称为地质灾源体。

本文从矿井地质灾害典型案例入手，通过分析矿井地质灾害成灾机理及其相关要素，阐述了对矿井地质灾源体及其主要特征的认识，并提出辨识矿井地质灾害的灾源体、评价灾源体致灾危险度的具体方法，以期进一步规范和细化矿井隐蔽致灾地质因素研究工作，对进一步提升我国矿井地质灾害防治工作水平有所裨益。

1 成灾机理及要素

1.1 典型案例

2015年4月19日，山西同煤集团姜家湾煤矿844 6采煤工作面自开切眼向前推进42 m后，因开采形成的导水裂隙带破坏了上覆隔水层，顶板水涌入采煤工作面，造成21人死亡[6]。

2013年3月29日，吉林通化市八宝煤业公司416 4工作面因为上区段采空区漏风，导致煤层自燃，并引发瓦斯爆炸，造成53人死亡[7]。

2009年11月21日，黑龙江龙煤集团新兴煤矿因井下许多探煤巷发生煤与瓦斯突出，遇火发生瓦斯爆炸，并波及全矿井，造成特别重大瓦斯爆炸事故[8]。

2005年11月27日，黑龙江龙煤集团东风煤矿因违规操作，导致煤仓内的煤炭突然倾出，带出大量煤尘并造成巷道内的积尘飞扬达到爆炸界限，放炮火焰引起煤尘爆炸，造成171人死亡[9]。

2016年4月3日，新疆莎车天利煤矿641 0放顶煤工作面因顶板稳定性差，而支护强度不够，导致直接顶局部断裂、失稳，工作面部分支架倒塌、顶煤垮落，造成10人死亡[10]。

2011年11月3日，义马煤业集团千秋煤矿发生重大冲击地压事故，造成10人死亡、64人受伤[11]。事故的影响因素是矿区地层局部直立或倒转，构造应力极大，处在强冲击地压危险区域；直接原因是煤层开采后，上覆砾岩层大面积垮落，导致冲击地压事故的发生。

1.2 成灾机理

深入分析研究矿井地质灾害的典型案例可以发现，矿井地质灾害的发生需要地质灾源体、触发因素、影响因素等3大要素。地质灾源体是矿井地质灾害的内因，触发因素是矿井地质灾害的外因。没有地质灾源体，不可能发生矿井地质灾害；虽有地质灾源体，没有人类工程活动触发，也不会发生矿井地质灾害。影响因素本身不能致灾，但在有触发因素导致灾害发生时，它们的存在起到调节器作用，可能加剧或者减轻矿井地质灾害的危险程度。

1.3 相关要素

1.3.1 地质灾源体

矿井地质灾源体是在煤矿采掘扰动条件下有可能导致矿井地质灾害的地质体，包括具有特定性质与力学结构的煤层及其围岩，以及存在其中且达到一定量值的地下水与瓦斯等。

1.3.2 触发因素

矿井地质灾害的触发因素主要来源于人类工程活动，即煤矿采掘工程。1)煤矿采掘造成隔水层或隔水岩体破坏，导致矿井水害发生。2)煤矿采掘造成有自燃倾向的煤暴露在氧含量大于12%的空气中，由于氧化放热和热量积聚导致温度逐渐升高，当达到煤的着火点(300～350℃)时，产生煤的自燃。3)煤矿采掘使采场瓦斯积聚浓度≥2%，体积≥0.5 m3，且存在650～750℃引爆火源，空气中氧浓度≥12%，引起瓦斯灾害。4)当具有爆炸性的煤尘浓度>45 g/m3，且存在610～1 050℃高温火源，空气中氧浓度≥18%时，发生煤尘灾害。5)采掘工作产生的震动使不稳定顶板岩石发生坠落，形成局部冒顶或大面积冒顶灾害；巷道周围已经暴露而未加支护的煤、岩层也可能发生片帮，造成人员伤亡。6)煤层覆岩中较厚且坚硬的岩层(老顶)，在开采过程中出现大面积悬空现象，当应力超过其强度极限后会折断垮落，导致煤矿井巷或工作面周围煤(岩)体中聚集的弹性变形能突然猛烈释放，伴有煤(岩)体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等突然、剧烈破坏等动力现象[12]。

1.3.3 影响因素

矿井地质灾害的影响因素有地质因素和人为因素。

地质因素包括褶皱、断层、节理、陷落柱、覆岩力学结构等。背斜部位往往是瓦斯聚积区，向斜部位常成为地下水聚积区，因而可能分别加大矿井瓦斯灾害和矿井水害的危险度。断层可能改变含、隔水层的空间关系，拉张性正断层可能成为地下水的运移通道，未充填胶结的断层破碎带也可能成为地下水的聚积部位，因而加大矿井水害的危险度；另一方面，拉张性正断层可能成为瓦斯的运移通道，有利于瓦斯的逸散，从而减轻矿井瓦斯灾害的危险程度。在采动条件下节理裂隙扩张，可能成为瓦斯或地下水的运移通道；节理裂隙密集发育区带，可能成为瓦斯或地下水的聚积部位。陷落柱可能成为地下水的聚积部位和导水通道，会使煤层上下各含水层发生水力联系，从而增大矿井水害的危险度。如果煤层覆岩中存在力学性质差异很大的岩层，在煤层开采过程中，顶板不同岩层发生不协调变形，往往在软硬岩层之间形成离层空腔，并积水形成顶板离层水，成为矿井水害的主要灾源体；在煤层埋深超过400 m，且煤层上方100 m范围内存在单层厚度超过10 m、单轴抗压强度大于60 MPa的坚硬岩层条件下，发生冲击地压灾害的危险度最大[12]。

人为因素主要包括：1)在地质勘查中有些钻孔封孔质量不合格或未封孔，使钻孔成为矿井突水通道，也会成为瓦斯等有害气体集中涌出的通道。当井工开采遇到封闭不良钻孔时，会增加矿井灾害的危险度。2)开采过程中聚积在煤层覆岩离层空腔内的离层水，以及聚积在采空区、老窑和已经报废井巷内的老空水，都会增加矿井水害的危险度。

2 地质灾源体的辨识

2.1 类别划分

根据常见的矿井地质灾害，将地质灾源体分为以下6大类。

1)水害灾源体。井田内受采掘破坏或者影响的含水层及水体，可进一步细分为地表水、顶板水、底板水等3种类型。地表水包括矿区及其周边对矿井开采有影响的江河、湖泊、沼泽、水库、池塘、沟渠、积水洼地等处的水；顶板水主要是指开采煤层上覆强含水层水；底板水是存在于开采煤层之下的具有水头压力的承压水。

2)火灾灾源体。指矿井内因火灾(自燃火灾)的灾源体，一般为具有低温氧化性，即有自燃倾向的煤层。根据我国煤炭自燃倾向性分类，容易自燃(Ⅰ类)或者自燃(Ⅱ类)煤层是主要的矿井内因火灾的灾源体。

3)瓦斯灾害灾源体。吸附在煤层及其围岩中以甲烷为主的煤系气(瓦斯)。

4)煤尘爆炸灾源体。煤尘有爆炸性的危险煤层。

5)顶板灾害灾源体。不稳定或中等稳定的煤层直接顶板。

6)冲击地压灾源体。具有冲击倾向性和冲击危险性的煤层或者其顶底板岩层。

2.2 主要特征

矿井地质灾源体具有地源性、隐蔽性、触发性、可控性等主要特征。

地源性是指灾源体的地质属性。自燃煤层、软弱顶板、地下水与瓦斯等地质灾源体，都是特定地质作用过程的产物，均属于某种地质体。

隐蔽性是指灾源体的潜伏属性。在煤矿采掘之前，地质灾源体是煤层及其围岩的组成部分，处于天然平衡稳定状态，不会导致灾害发生，因而其致灾属性具有隐蔽性。

触发性是指灾源体的触发致灾属性。只有在煤层采掘过程中，由于采动应力耦合作用打破了地质灾源体原有的自然平衡状态后，矿井地质灾害才会发生。

可控性是指灾源体的可辨识和可控制属性。采用地质研究和矿井地球物理勘探相结合的方法，可以辨识灾源体、评价其致灾危险度，并对其发育部位进行精准探测。在此基础上采取相应的技术措施，可以防止矿井地质灾害的发生，或减轻其危害。

2.3 辨识规则

不同的井田，或同一井田的各个区块，矿井地质灾源体可能存在明显差异。因而，首先要根据井田勘探和矿井探测资料，对研究区内是否存在地质灾源体进行辨识。辨识规则详见表1。

3 致灾危险度评价

在井田或其区块若存在地质灾源体，则应对其致灾危险度进行评价，具体方法详见表2。

4 结论与讨论

1)存在于煤层及其围岩中，在矿井采掘过程中有可能导致矿井地质灾害的地质灾源体，是矿井发生地质灾害的物质基础和前提条件，是灾害发生过程中物质与能量释放的主体，因其具有地源性、隐蔽性、触发性和可控性，应当成为矿井地质灾害防治工作的主要研究对象。

表2 地质灾源体的危险度评价

续表

注：脆弱性指数评价标准引自陕西韩城矿区研究实例。详见《韩城矿区地质构造解析与构造控矿研究报告》，陕西陕煤韩城矿业有限公司，西安科技大学. 2017。

2)矿井采掘活动造成隔水层或隔水岩体破坏、煤层长时间与空气接触而氧化生热、采场满足瓦斯灾害或煤尘灾害发生条件，对冒顶和片帮事故防范措施不到位，老顶大面积悬空等触发因素是矿井发生地质灾害的必要条件。褶皱、断层、节理、陷落柱以及覆岩力学结构等是矿井地质灾害的地质影响因素；钻孔封闭不良、开采形成离层水和老空水是矿井地质灾害的人为影响因素。影响因素可能增加或减轻矿井地质灾害的危险程度。

3)为了保障矿井安全开采，矿井地质工作者应着力提高对矿井地质灾源体的辩识能力，分析预测地质灾源体的空间分布规律；对可能存在的地质灾源体进行危险度评价；对危险度较高的灾源体进行精准定位与动态监测；并从遏制人的不安全行为和弥补管理缺陷等方面，采取行之有效的矿井地质灾害防控技术措施。