煤矿主要致灾因素分析与应对策略

武章军

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西晋城048000）

煤矿生产过程中会受到水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害的影响[1-5]，特别是煤层群开采或浅部存在小窑老空区的矿井，致灾因素更加复杂，对矿井安全高效生产造成严重危胁[6]。为保证矿井安全生产，必须对这些致灾因素进行详细的调查和分析，并在回采前采取有效的措施，杜绝矿井灾害的发生。本次针对常村煤矿主要致灾因素进行深入的调查和分析，并探讨主要灾害的应对策略，可以为矿井灾害防治提供依据，指导矿井安全生产。

1 矿井概况

常村煤矿由乌泥沟煤业有限公司、迎春煤业有限公司、山煤业有限公司、罗沟明兴煤业有限公司、南山煤矿整合而成，北邻前湾煤业有限公司，东临山西煤炭运销集团金山煤业有限公司，南邻山西煤炭运销集团同富新煤业有限公司。该矿批准开采1#~10#煤层，设计开采10#煤层，生产能力90×104t/a，井田面积为11.3364km2。矿井划分为六个采区，分别为一采区、二采区、三采区、四采区、五采区和六采区，其中一采区和二采区为可采区，其余采区为缓采区。目前，主要的采掘工程集中在一采区和二采区。井下中央水泵房位于一采区南部，共安装MD155~30×5型水泵三台，功率为：110kW，额定电压为：660V/1140V，电动机转速为1480r/min，排水管路选用194×6无缝钢管进行排水，根据2020年矿井排水系统联合试运转报告，最大排水能力为5800.3m3/h，能够满足矿井排水需要。

2 矿井面临灾害情况

（1）老空水威胁。常村煤矿是由5个矿井整合而来，在矿井整合之前，井田范围内已经对2#煤层和10#煤层进行部分回采（包括浅部小窑），存在大量的采空区，煤层回采后顶板垮落，导水裂隙带沟通含水层（地表水），使采空区含有大量积水。

（2）采空区积气威胁。煤层回采结束后，采空区内会留有一定底煤，加之顶底板的含炭岩层，会释放出大量CH4；采空区内物质经过物理化学变化还会造成CO、CO2、H2S等有害气体聚集，被封闭在采空区中。

（3）煤层自燃威胁。根据矿井生产地质报告，2#煤层和10#煤层具有自燃倾向性，采空区漏风有可能使采空区内遗留煤炭及采空区边界煤体氧化甚至出现明显火区。

3 矿井主要致灾因素调查与分析

3.1 井田内老空水害调查与分析

（1）采空区积水情况。通过对以往矿井生产资料进行分析，绘制矿井采空积水区分布图。根据井田内积水情况，现采用经验公式对井田内1#、2#、10#煤层采空区积水量估算如下：

式中：Q积——采空积水总量，m3；

M——采空区平均采高线或煤厚，m；

F——采空积水区的水平投影面积，m2；

α——煤层倾角，（°），取6°；

k——采空区充水系数，取0.30。

据调查本井田2#煤层采空区积水区20处，积水量541538m3，10#煤层采空区积水区2处，积水量3383m3， 积水量估算值如表1所示。

表1 井田内采（古）空区积水量估算

（2）采空区充水通道及充水水源。井田1#、2#、10#煤层倾角一般在3°~5°之间，下部煤层开采后形成的冒落带和导水裂隙带会沟通上部煤层采空区积水，可根据《煤矿防治水细则释义》煤层开采时导水裂隙带高度计算公式覆岩岩性中硬、坚硬，选用以下公式进行计算：

1#、2#煤层采用：

10#煤层采用：

导水裂隙带高度（Hf）计算公式：

1#、2#煤层采用：

10#煤层采用：

式中：M——累计开采厚度，m。

1#、2#煤层最大厚度分别为1.30m、3.67m，1#、2#煤层最大厚度累计为4.97m，经计算，1#、2#煤层开采后垮落带高度为9.53~13.93m，导水裂隙带高度为Hf=37.42~48.62m，或Hf=54.59m。1#、2#煤层在乌泥沟河谷有露头，埋深在0~200m之间，基岩风化带深度50m左右，黄土厚度0~10m。根据分析，大气降水及地表各沟谷水对1#、2#号煤层有充水影响。

10#煤层最大厚度为3.05m，经计算，10#煤层开采后垮落带高度为11.11~16.11m，导水裂隙带高度为Hf=44.99~62.79m，或Hf=62.39m。10#煤层在乌泥沟河谷有露头，埋深在0~260m间，基岩风化带深度50m左右，黄土厚度0~10m。根据分析，大气降水及地表各沟谷水对10#煤层有充水影响。

10#煤层至2#煤层间距51.85~69.95m，扣除开采2#煤层底板扰动破坏深度16m，说明1#、2#煤层形成的采空区积水对10#煤层开采有充水影响。

（3）老空水危害分析。由以上采空区积水，可以得知，井田内由于开采范围较大，积水较为严重，因此在开采10#煤层时一定要引起高度重视，采取防范措施，防止突水事故的发生。

3.2 井田周边老空水害调查与分析

（1）井田周边采空区积水情况。常村煤矿经调查井田南、北部界外相邻区域共计有2#煤层10处采空积水区，总积水量301525m3。详见周边矿井采空区积水量估算表（表2）。具体情况如下。

表2 井田内采（古）空区积水量估算

（2）井田周边老空水影响分析。

①台头前湾煤业有限公司：台头前湾煤业有限公司位于本井田北部，与本矿边界未发现超层越界开采现象。与本矿边界有采空区分布，2#煤层采空区有2处积水区,积水位置位于本井田北部边界，积水面积为0.127km2，积水量为8.5670×104m3。对本井田开采有充水影响。

②金山煤业有限公司：金山煤业有限公司位于本井田东部，与本矿边界未发现超层越界开采现象。与本矿边界有采空区分布，2#煤层采空区有4处积水区；积水区位置位于本井田东部，积水面积为0.199 km2，积水量为11.7171×104m3。对本井田开采有充水影响。

③同富新煤业有限公司：同富新煤业有限公司位于本井田南部，与本矿边界未发现超层越界开采现象。与本矿边界有采空区分布，2#煤层采空区有积水；积水位置位于本井田南部，积水面积为0.196km2，积水量为9.8684×104m3。对本井田开采无充水影响。

依据矿方调查提供的资料，相邻的前湾煤业有限公司、金山煤业有限公司均位于本井田上山位置，采空区积水对矿井安全生产影响较大，因此开采本井田内靠近采空区积水区时，应留设煤柱，并严格坚持“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的防治水原则，以免发生水害事故。

3.3 采空区有害气体调查分析

矿井在工作面煤层采空后，垮落的黑色泥岩、炭质泥岩顶板会解析出CH4，残余的煤炭中也会继续释放瓦斯气体，采空区内物质经过物理、化学变化还会形成CO、CO2、H2S等有害气体，这些都会在采（古）空区中聚集，形成积气区。根据对采空区的调查，采空区内存在瓦斯积存。另邻界矿的采（古）空区内的瓦斯也会通过裂隙连通井田内采空区，可能会形成较大的积气量，在煤矿开采时需要严格防范。

3.4 煤层自燃情况调查与分析

矿井分别对井田内2#、10#煤层进行开采，据煤矿采样测试资料，2#、10#煤层自燃倾向性为自燃。经本次调查和参考以往矿井地质报告资料，各煤矿开采生产以来均未发生过煤层自燃现象，现各煤矿井下均无火区分布。但在今后的生产过程中，应采取有效地防范措施，保证煤矿顺利开采。

4 矿井灾害应对策略

4.1 老空水应对策略

本次对井田范围内和井田周边的老空水进行详细的统计，并对其危害进行分析。在生产过程中可根据分析结果采取不同的应对措施。当老空水没有在井田范围内或位于保护煤柱内且不对生产造成影响的，可不采取措施，但需要定期对其进行调查和监测；若生产过程中采掘巷道接近或穿过老空水的，必须准确划分警戒线、探水线和积水线，并对老空水采取探放措施，并对探放效果进行验证和评价，确保解除老空水威胁。

4.2 采空区有害气体应对策略

采空区有害气体异常涌出有可能会造成重大人员伤亡，甚至诱发瓦斯爆炸等事故。因此在探放水或采掘工程接近采空区时一定要做好有害气体的检测工作，必要时施工抽采钻孔对有害气体进行抽放。

4.3 煤层自燃应对策略

根据矿井以往生产经验，在开采2#和10#煤层过程中未出现煤层自燃现象。但随着回采向纵深发展，地质条件出现变化，仍有可能造成局部煤层或老空区遗留煤炭自燃，形成火区。因此在生产过程中应严格按照规定设计生产系统和通风系统等，并对煤层和采空区进行有害气体监测，发现问题及时解决。

4.4 存在问题

由于采（古）空区积水、积气为一动态变化过程，本次调查的采（古）空区积水、积气情况只反映矿井目前积水、积气情况，随着时间的推移，本矿和邻近矿开采范围的扩大，采空区积水、积气范围会不断扩大，积水、积气量也会不断增加；采空区造成的地面塌陷形成的地裂缝，可能会使地面水流进入采空区内，对井田的生产造成影响；同时下部煤层采空区也可能会通过裂隙带导通上部煤层采空区，使上部煤层采空区积水进入下部煤层，对本井田下部煤层的开采造成影响；随着回采向纵深发展，地质条件出现变化，仍有可能造成局部煤层或老空区遗留煤炭自燃，形成火区。因此建议该矿在今后生产过程中定期对采空区积水、积气、火区进行调查，并采取有效的防范措施。

5 结论

（1）井田内2#煤层采空区积水区20处，积水量541538m3，10#煤层采空区积水区2处，积水量3383m3；井田周边相邻区域共计有2#煤层10处采空积水区，总积水量301525m3。这些老空积水对矿井正常生产产生较大影响，在生产过程中要加强监测，并采取相应措施。

（2）采空积气区会对矿井正常生产产生一定影响，在探放水和采掘工程接近采空区时要进行有害气体检测和通风管理工作，必要时对采空区积气进行抽采。