神北矿区前梁煤矿隐蔽致灾因素分析*

刘建平

(神木市能源局，陕西 神木 719300)

0 引言

前梁煤矿位于陕北神木—府谷侏罗纪煤田神北矿区东北部，属于陕北侏罗纪煤田，延安组为含煤岩系，形成于三角洲平原沉积环境[1]，未来主采煤层5-1煤层顶底板按照沉积旋回性、顶板厚度以及岩石力学特征等，采用文献[2-5]中的方法评价为中等-较稳顶，属于中等-难冒落顶板。此外，临近的生产矿井如神东煤炭集团榆家梁煤矿在开采该煤层时曾发生多次坚硬顶板大面积悬顶而诱发的压架、切顶等强矿压显现现象。

矿井存在采空区积水、附近矿井采空区积水不明、烧变岩含水层等问题；矿井地质构造简单，不发育大型断裂构造，未发现岩浆侵入；各煤层瓦斯含量低，属于低瓦斯矿井。煤矿经过多年的开采上部煤层已经开采殆尽，转入下部5-1煤层开采，因此，上部的2-2、3-1、4-2等煤层均为采空区，其中2-2、3-1煤层均采用房柱式开采，4-2煤层部分房柱式部分综采。在矿井建设之初曾经对5-1煤层进行了局部房柱式开采，形成了一定的房柱式采空区。在矿井向下部5-1煤层延伸开采时需要对煤矿目前存在的隐蔽致灾因素进行全面调查，确定各类隐蔽致灾因素的种类，空间分布特征及其致灾危险性，并针对主要的隐蔽致灾因素提出相应的综合探查防治措施。

1 煤矿隐蔽致灾因素排查技术

前梁煤矿以往未发生过因为隐蔽致灾而诱发的矿井灾害事故，但是周边的矿井如小蒜沟、普泉煤矿煤层自然发火存在矿井火灾威胁。南梁煤矿曾发生采空区、底部采空区积水突水；榆家梁煤矿曾发生过坚硬顶板、过沟开采、过集中煤柱等顶板/动载强矿压显现而引发的切顶、压架等事故；崔家沟煤矿曾发生因为房柱式采空区大面积悬顶局部突然垮落而诱发采空区大面积垮落引发的矿震，百吉煤矿曾发生掘进不明采空区而诱发的煤尘爆炸事故等。上述周边矿井灾害事故说明神北矿区同样存在水害、火灾、顶板、煤尘等矿井灾害，煤矿企业负责人应该始终保持清醒的头脑，做好煤矿隐蔽致灾因素的排查、普查以及预防与工程治理工作。

为了实现煤矿各类隐蔽致灾因素的快速排查，指出煤矿存在的各类隐蔽致灾因素、确定其分布范围并初步评价其危险性[6-9]。首先，采用低空无人机遥感可见光、热红外快速扫面，圈定异常区；其次，针对异常区采用现场调查、测量等手段确定具体分布范围，然后进行井下调查，分析井下与地面致灾因素的联系；最后，综合井下、地面各类因素，采用理论分析、数值模拟、工程类比等方法分析各类致灾因素的危险性。

2 煤矿隐蔽致灾因素分析

2.1 水害隐蔽致灾因素分析

排查发现煤矿水害隐蔽致灾因素主要为3-1、4-2煤层采空区积水和北部小蒜沟煤矿露天采空区积水。如图1所示，上述水害隐蔽致灾因素中采空区积水基本查明，而小蒜沟露采坑积水未查明，需要煤矿在采掘工程涉及该区域时，提前进行探查。

图1 采空区物探积水分布Fig.1 Distribution of goaf water by geophysical prospecting

2.1.1 老空水

本区2-2煤层主要分布于煤矿东北部突出部分，由原小蒜沟煤矿炮采房柱式开采，整合前已经基本采空，采空区面积约0.61 km2。后因采空区内自然发火，煤矿正在进行露天剥采综合治理，采空区积水转化为露天采坑积水，如图1(a)所示，下部工作面开采到该区域时容易透水造成矿井突水水害[10]。

2.1.2 露采坑积水

煤矿东北部原小蒜沟煤矿范围内的2-2煤和3-1煤曾发生自然发火，小蒜沟煤矿采用露天剥离的方式进行火区综合治理，本次排查时该综合治理项目正在进行，综治区面积249 963 m2，露天开采范围如图1(b)所示。该露天开采区还未完成回填，由于与羊洞渠距离较近，在地表水和原采空区积水的补给下在低洼处形成积水21 375 m2，雨季洪水期该积水区面积有扩大的趋势，如图2所示。

图2 水害隐蔽致灾因素特征Fig.2 Characteristics of hidden disaster-causing factors of water disaster

2.2 火灾隐蔽致灾因素分析

煤矿北部的小蒜沟露采综治项目在调查期间正在露天剥采2-2煤层、3-1煤层，发现采坑内的煤层已经发火，现场测量发现露采坑2-2煤层和3-1煤层采矿坑边缘的煤体存在明火，如图3所示。现场裂缝内测量温度为78～386 ℃，露采坑煤柱自然发火破坏煤柱完整性、火势蔓延3-1煤层房柱式采空区可能引发煤层自然发火。因此，小蒜沟露采坑煤层自然发火是矿井火灾隐蔽致灾因素。

图3 煤矿火灾隐蔽致灾因素特征Fig.3 Characteristics of hidden disaster-causing factors of mine fire

2.3 顶板/矿压隐蔽致灾因素分析

2.3.1 坚硬顶板

根据以往地质钻孔揭露信息，结合井下排查结果和周边矿井资料，煤矿5-1煤层顶板以细粒砂岩为主，粉砂岩次之。砂岩顶板厚度7.5～23.58 m，覆盖矿井大部分区域。该段砂岩厚度大，岩性均一，节理不发育，完整性好，力学强度高，形成5-1煤层坚硬顶板。工作面开采之后坚硬顶板不容易自然垮落，容易形成采空区大面积悬顶，造成工作面超前应力集中，引发立柱快速下沉量、煤壁片帮、支架压死等强矿压显现。随着工作面的开采，悬顶面积达到一定程度，坚硬顶板受力超出强度极限时发生大面积垮落，积聚于顶板及煤层内的能量快速释放，大幅增大来压强度，使采场中的工作面和两巷的支护结构大面积折损破坏，引发工作面压架、巷道切顶等矿压灾害，尤其是在巨厚层顶板发育区域，通过短钻水力压裂无法实现切眼的初次放顶。东南部的榆家梁煤矿同样存在5-1煤层坚硬顶板问题，该矿采用定向长钻孔分段水力压裂超前弱化治理技术进行坚硬顶板治理，效果显著。

2.3.2 房柱式采空区大面积悬顶

煤矿3-1煤层采用房柱式开采，房柱式采空区形成时间较早，未保留详细的采掘资料，煤柱留设情况不详，推测采空区面积2.17 km2。结合无人机地面巡查、煤矿4-2煤层1402综采工作面开采情况以及地面塌陷区，圈定了煤矿大面积悬顶区，推测悬顶区面积2.15 km2。矿井大面积悬顶区由3-1煤层和4-3煤层组成，如图4(a)所示，房柱式采空区顶板未完全垮落，处于大面积悬顶状态，但是对3-1煤层的悬顶区域及其面积仅是大概清楚，具体房柱式采空区内煤柱的分布、巷道展布等不明，由于5-1煤层尚无综采，因此煤矿尚无矿压监测数据、工作经验等分析或说明在综采工作面开采诱导条件下3-1、4-3煤层煤柱及采空区垮塌对开采的安全影响，尤其是随着开采面积的增大而诱发房柱式采空区大面积垮塌形成的链式反应对下部开采的影响，如矿压、水、有毒有害气体以及其对密闭墙的安全性影响等重大问题，需要进一步探查、论证。

2.3.3 过沟开采

煤矿接续工作面1501、1502、1503、1505工作面位于前石岩沟及其支沟下方，工作面回采将从沟谷底部穿过，工作面与前石岩沟支沟垂直相交，如图4(b)所示，沟谷高程落差43～62 m，坡角16°～22°。工作面在过沟谷过程中，在沟谷下坡段，由于工作面向沟谷方向推进，关键层回转下沉受到后方破断块体的侧向限制，从而不易发生动载现象。

3 隐蔽致灾因素探查防治措施

3.1 水害隐蔽致灾因素探查防治措施

3.1.1 老空积水探查防治措施

以最近一次的物探成果为指导开展井下3-1煤和4-3煤老空水疏放，对物探成果进行验证。老空水疏放应按经过审批的设计组织施实，疏放过程中应详细记录放水量、水压动态变化，放水结束后应对比放水量和预计水量。回采前确保上方老空积水疏干放净，老空水害威胁得到解除。此外，应与周边煤矿建立图纸信息交换机制，及时掌握煤矿边界以外200 m范围内周边矿井采空区分布、采掘动态变化及老空积水探查情况，完善本煤矿充水性图。当未来采掘接近周边矿井积水区时，做好水害预测预报工作，在井下布置超前探放水工程，对周边老空水进行探放，解除其造成的水害威胁。

3.1.2 露天采坑积水探查防治措施

露天采坑积水和回填区松散含水层可能对未来下部5-1煤开采造成直接或间接水害威胁。当前露天开采活动尚未结束，煤矿应建立露天剥采区观测台账并及时更新，观测并记录露天采区范围变化、积水情况、汇水情况及回填区域、回填材料等。应将露天采坑积水作为煤矿地表水动态观测的内容之一，定期对积水面积、积水深度、标高、水温和水质进行观测，若露天坑内产生新的积水时应一并观测。此外，未来5-1煤掘进接近积水区前应协调综合治理施工方对地表积水进行抽排，防止地表积水威胁井下采掘安全。同时应采用物探手段进行回填区富水性探查，若回填区存在富水异常，应在井下做好验证和探放。

3.2 火灾隐蔽致灾因素探查防治措施

应加强对相邻矿井露采坑煤层自然发火情况的调查，建立定期地面、井下调查、检测制度。建立矿井之间的联合防控机制，定期进行图纸交换以及回采情况交流通报工作，严禁越界开采破坏边界保护煤柱；对相邻采空区的密闭墙进行重点监测和采空区煤柱稳定性评价以及制定合理的防治方案。在露采坑采用注水、注浆、覆土掩盖等综合技术进行防灭火，同时在边界区域采用测氡、航磁等物探方法及钻孔测温、气体抽取、采样测试等综合查明对采空区的影响及有毒有害气体情况。

图4 煤矿采空区及其过沟开采区示意Fig.4 Coal mine goaf and cross-ditch mining area

3.3 顶板/矿压隐蔽致灾因素探查防治措施

3.3.1 坚硬顶板探查防治措施

首先，应制定处理坚硬顶板的安全技术措施，并组织贯彻学习。确保综采工作面的支护系统(液压支架、压力表、立柱、泵站压力、液压支架初撑力等)以及超前支护系统(单体液压支柱的质量以及超前支护效果等)的可靠性，利用地质勘查钻孔、井筒、石门揭露、井下顶板探放水钻孔、两顺槽锚杆、掘进等揭露的顶板岩性资料，结合回采顶板垮落岩性综合分析煤层直接顶板、老顶岩性分布特征，逐级细化圈定工作面煤层坚硬顶板分布，适时开展地质预测预报。此外，应密切注意工作面顶板来压情况，及时检查工作面范围内顶板、煤壁、支架压力等情况，发现问题及时采取措施。若综采工作面液压支架压力过大，应采取措施强制放顶，可采用定向短钻水力压裂法处理悬顶问题，也可在工作面推采之前施工定向长钻孔进行水力压裂，对煤层顶板进行有效超前弱化，减弱坚硬顶板的整体强度使其易于垮落，减小坚硬顶板悬顶长度进而降低来压强度，减小来压步距，最终达到处理坚硬顶板带来的强矿压问题的目的。

3.3.2 房柱式采空区大面积悬顶探查防治措施

针对3-1煤层采空区范围、以往巷道位置及遗留煤柱破坏程度不清，应首先查明采空区及煤柱位置、分布范围，在此基础上开展悬顶治理工作。搜集近10年卫星遥感影像，对图像进行处理分析，查明近年来地面裂缝发育情况；分析采空区沉降特征，并通过地表岩移观测，分析房柱式采空区上方地表变形规律，分析工作面开采时地表变形超前距，做好地表变形预警。首先，采用高密度电法、ETM对采空区方位进行快速扫面；其次，在地面施工采空区探查钻孔，修正物探成果并辅之以钻孔窥视和激光雷达探测等手段，查明采空区分布范围，钻探取芯分析顶板结构、煤柱采样测试分析房柱式采空区煤柱的稳定性，查明采空区积水、积气情况；然后，井下采用地质雷达进行采空区密闭墙体探测厚度、完整性以及采用坑透或面波探测隔离煤柱的宽度，重新验算密闭墙的抗冲击能力；之后，重新计算在综采诱导条件下3-1煤采空区发生链式失稳对工作面支架的影响、评估巷道、4-3、5-1采空区密闭墙的安全性以及液压支架选型的合理性等；最后，根据评估结果编制相应如预警、隔离、诱导或填充、超前弱化等矿压、水、火、有毒有害气体隐蔽致灾因素综合治理方案。此外，建立采空区悬顶预警机制，安装传感器对采空区悬顶进行全面监测，发现异常及时上报，发现灾害征兆立即停产撤人。同时，应立即开展悬顶危险区域治理工作，对悬顶区域进行强制放顶。

3.3.3 过沟开采防治措施

综采工作面过地表沟谷时，工作面推采受地表地形影响容易出现强矿压问题，煤矿应查明煤层顶板“关键层”发育范围，制定相应技术措施。应加强矿压监测，总结矿压规律，保证工作面在过沟期间避开直接顶板周期来压，尤其是基本顶周期来压，若无法避开应在安全位置等待老顶来压后，快速完成过沟。在进入过沟前应提前进行工作面调斜，保证工作面在过沟过程中由机头向机尾依次过沟，避免工作面大面积一次过沟。在过沟前后20 m范围内进行支架、临时超前支护、乳化液体泵等工作面设备的一次大修，保证工作面过沟期间设备的完好、液压支架初撑力足、支架推拉顺畅避免机械故障。加快推采速度，实现甩压快速过沟。

4 结论

(1)通过低空无人机可见光、热红外，地面地质调查、井下全面调查、采样测试、资料查阅、矿压、监测监控等历史资料等综合分析，查明了煤矿目前存在水害、火灾、顶板、瓦斯及有毒有害气体、煤尘等隐蔽致灾因素。

(2)煤矿存在的水害隐蔽致灾因素主要为老空积水、露采坑积水，火灾隐蔽致灾因素主要为露采坑煤层自然发火，顶板矿压隐蔽致灾因素为坚硬顶板、房柱式采空区大面积悬顶和过沟开采等。

(3)针对上述隐蔽致灾因素，圈定了分布范围、空间展布特征及其对矿井安全开采的威胁，并对未来工作进行了隐蔽致灾因素评价，提出了相应的探查防治措施。

(4)针对煤矿发育的各类隐蔽致灾因素，提出类综合探查、精准质量的理念，并建议煤矿应当严格按照煤矿安全生产相关的各项规程、规范要求，结合生产动态变化不断改进完善地质灾害防治的技术措施和组织管理工作，建立隐蔽致灾地质因素排查、普查、治理长效机制，不断提升煤矿防灾、抗灾能力，提升本质安全水平。