神北矿区庙梁煤矿隐蔽致灾因素探查与分析

吴敏杰，王相业，张金贵，吴 艳，刘建平，王海军，马 良，孙保平

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西省西安市，710054；2.神木市能源局，陕西省榆林市，719300)

煤矿隐蔽致灾因素是诱发煤矿事故的主要原因之一[1]。中央、地方政府煤矿管理机构纷纷出台文件，将隐蔽致灾地质因素排查作为煤炭企业安全生产治本之策的重点。陕西省神木市煤炭开采历史悠久，开采方法多样，形成采空区范围大，隐蔽致灾因素复杂多样且尚未逐一查清，致灾因素隐蔽，潜在威胁大，严重制约了当地煤矿安全、高效开采[2]。

辖区内的庙梁煤矿曾因整改前的原三卜树、原杨昌湾煤矿1-2号煤层全部采用房柱式开采，形成了大面积的房柱式采空区，由于年代久远，开采情况无据可查，存在房采区内煤柱留设及塌陷情况不清、采空区内留有大量遗煤等问题，矿井曾因此发生采空区自然发火事故。为了快速查明庙梁煤矿存在的主要隐蔽致灾因素类型、时空分布特征及对生产的潜在威胁，采用无人机快速扫面圈定异常靶区、地面地质调查、井下地质调查、采样测试、监测监控数据分析、资料整理分析等综合技术手段，从煤矿主要的致灾因素水害、火灾、顶板/矿压等方面对庙梁煤矿进行了全面快速排查。

1 矿井地质及生产概况

庙梁煤矿位于陕北侏罗纪煤田神府矿区，地层产状近水平，构造简单，矿区内未发现大型断裂及褶曲，无岩浆岩侵入。矿区含煤地层为侏罗纪中统延安组，属于典型三角洲平原沉积环境[3-4]。井田内可采煤层共7层，其中1-2号煤层由于受不同程度历史火烧及整合前开采，已结束开采，目前煤矿剩余有效可采煤层为1-2号煤层下部的2-2上、2-2、3-1、4-3、5-1、5-2号煤层，目前正在开采2-2上号煤层，煤厚2.28～3.00 m，不含夹矸，属于全矿井可采的稳定煤层。煤层顶板以粉砂岩为主，属稳定型顶板。矿井含水层均为弱含水层，补给条件一般，矿井涌水量简单，防治水工作易于进行，水文地质类型中等。煤层自燃-易自燃。

煤矿采用斜井开拓，煤矿整合前1-2上号煤层的房柱式炮采区已封闭，但开采范围、边界位置、内部条件均为推测，开采推测情况如图1所示。整合后庙梁煤矿从东南煤矿边界开始回采2-2上号煤层12101工作面。

图1 庙梁煤矿整合前1-2上号煤层开采推测

2 隐蔽致灾因素快速排查技术

2.1 资料查阅

在隐蔽致灾因素排查工作之前依据国家法律法规及政策条例和技术标准，设计编制了一套煤矿隐蔽致灾地质因素排查调查表格，包括证照资质、地质报告类、生产资料及地质台账类、地质灾害预防治理方案类、图件类、规章制度类共六大类93小类需调查的资料。煤矿隐蔽致灾因素排查技术路线如图2所示。

图2 煤矿隐蔽致灾因素排查技术路线

2.2 现场排查、探查

按照排查位置分为低空无人机排查[5]、地面排查、井下实地调查和周边煤矿调研。首先开展地面排查，采用低空无人机遥感双光对全矿井进行了全覆盖扫描并全程录像，扫描过程中自动捕捉并辅助圈定地表裂缝、隐伏的异常高温区、矸石山及高温点、废弃井筒、地表河流、沟流、水库、池塘等异常区，针对异常区采用现场调查、测量等手段，进行逐项逐点排查、确定异常区域准确分布范围；然后进行井下实地调查，采用现场观查拍照、测量、采样测试、调查监测监控数据等手段，确定采空区密闭情况及有毒有害气体、防排水系统及涌水量观测、通风系统检查、防隔水煤柱、房柱式采空区自然发火及高温异常区、漏风通道及封堵情况、应力集中区煤岩变形观测等因素，并通过井下-地面空间位置对照，初步分析致灾因素与致灾威胁性之间的联系；最后对周边煤矿逐一走访，进行资料调研，完成煤矿隐蔽致灾因素全面排查分析。

2.3 综合分析研究

结合矿井地质及采掘情况，综合地面、井下、周边煤矿各类致灾因素，采用理论分析、数值模拟、工程类比等方法，进行详细分析和计算模拟，最后梳理总结煤矿各类致灾因素的类型、时空分布特征及对生产的潜在威胁。

3 水害隐蔽致灾因素分析

3.1 地表河流

煤矿地表以梁峁沟壑地貌为主，在沟流两侧多有煤系基岩出露，地势南高北低，最高+1 235 m，最低在庙沟河床+1 130 m。煤矿内对煤层开采造成影响的地表水主要为庙沟，现场排查流量14～33 m3/h。回采接近地表水时，如遇雨季煤矿应密切观测过水、汇水情况，必要时应提前采取防渗措施[6]。

3.2 老空水

煤矿整合前形成的房柱式采空区面积约1.391 km2，由于年代久远，采掘资料缺失，1-2号煤层房柱式开采仅保留了部分巷道资料，采空区内部煤柱留设不清，边界范围不可靠。依据煤矿地面物探资料，圈定1-2号煤层老空积水区11处，积水面积66 902 m2，累计积水量45 995 m2。1-2号煤层物探解释积水区平面分布如图3所示。1-2号与2-2上号煤层间距为2.79～35.03 m，平均23.52 m，2-2上号煤层开采导水裂缝带计算高度为40.73～65.35 m，因此2-2上号煤层开采形成的导水裂缝带可沟通1-2号煤层老空积水区。矿方应及时开展物探先行钻探验证，针对富水异常区的老空水进行钻探疏放工作[7]。

图3 1-2号煤层物探解释积水区平面分布

3.3 烧变岩区

煤矿以往1-2号煤层沿露头发生自燃，面积约0.424 8 km2。自燃边界由以往1-2号煤层巷道和地质勘查钻孔控制，边界范围基本可靠。烧变岩含水层底板位于2-2号煤层导水裂缝带范围内，由于烧变岩附近有河流补给，可能存在烧变岩富区[8]。1-2号煤层烧变岩平面分布如图4所示。由图4可以看出，后续12103、12105、12107、12109工作面局部区域会形成顶板水害威胁。建议矿方开展烧变岩区域抽水试验工作，查明烧变岩厚度、水位标高、单位涌水量、水质和富水性；在巷道掘进接近烧变岩区时，及时施工超前探放水孔，保证采掘区域附近的烧变岩水彻底疏放。

图4 1-2号煤层烧变岩平面分布

3.4 封闭不良钻孔

封闭质量不良钻孔或未封闭可能会成为导水通道，煤矿范围内以往勘探阶段施工钻孔19个，均未保留封孔资料。后发现6个未封闭钻孔，为煤矿2019年地面注浆防灭火时遗留的废弃钻孔。未封闭的防灭火注浆孔实景如图5所示。排查后已及时给矿方提供钻孔坐标，并建议矿方对封闭质量不良钻孔或未封闭钻孔进行全面清查，按《煤炭钻探规程》要求全孔进行水泥浆封闭。

图5 未封闭的防灭火注浆孔实景

4 火灾隐蔽因素分析

4.1 房柱式采空区遗煤

地面排查时发现矿井南部和西南部1-2号煤层房柱式采空区上方地表大面积垮塌，12101、12103工作面上方的1-2号煤层顶板、煤柱随下部煤层开采发生二次失稳垮落，房柱式采空区煤柱在采动、地应力、地下水等综合作用下容易片帮及失稳垮落而形成大量的浮煤堆积于采空区内[9]，在地面塌陷、裂缝等漏风供氧、浮煤氧化聚热条件下极易发生自燃[10]。

4.2 隐伏高温区

2019年开始到排查期间，庙梁煤矿持续进行1-2号煤层房柱式采空区防灭火治理工程，施工了多个探查孔、注浆孔，依据现场孔口红外影像，显示孔内温度异常。防灭火探查孔及孔口红外影像如图6所示。

图6 防灭火探查孔及孔口红外影像

根据防灭火监测孔气体检测数据分析，X11钻孔孔底1-2号煤层采空区巷道内气体温度长期保持在34～35 ℃，存在老空区隐伏温度异常区；且近3个月内A19、X14钻孔的孔内气体CO含量有增高的趋势，其中A19钻孔中CO含量近期由0.003 0 %升高至0.014 5 %，X14钻孔中CO含量由0升高至0.078 0 %，且气体中持续出现C2H6和C2H4发火标志性气体，火区监测钻孔及其发火标志性气体变化曲线如图7所示。由图7可推断出该处存在火区复然引起的隐伏高温区，说明防灭火治理并不彻底，矿方应及时调整防灭火方案，启动防灭火已经预案，开展采空区防灭火工程工作，避免采空区火势蔓延而造成的危害[11-12]。

图7 火区监测钻孔及其发火标志性气体变化曲线

4.3 地面塌陷裂缝

通过无人机航拍、地表勘测的方式，对庙梁煤矿地面开采塌陷、裂缝进行了全面的排查。结果表明，1-2号煤层房柱式采空区顶板局部垮落，在地表形成了地裂缝或塌陷坑，裂缝延展方法不规则，长度5～40 m不等，局部形成了台阶式沉降，局部可见形状不规则的塌陷坑，无人机航拍地表塌陷裂缝影像如图8所示。

图8 无人机航拍地表塌陷裂缝影像

综采工作面顶板垮落完全，在地表形成大量的地表裂缝。开采裂缝为上覆房柱式空区遗煤提供的漏风通道，可造成采空区遗煤自然发火灾害，因此，煤矿开采后及时采用地面裂缝封堵与巷道注浆等方法进行封堵。

5 顶板/矿压隐蔽致灾因素分析

5.1 房柱式采空区悬顶

目前开采的12101工作面以及接续工作面12103、12105工作面上方为1-2号煤层房柱式采空区，采空区房柱宽度不明。2-2上号煤层工作面与地面塌陷裂缝叠置关系如图9所示。从地表塌陷情况分析，矿井南部和西南部1-2号煤层房柱式采空区上方地表大面积垮塌，12101、12103工作面上方的1-2号煤层顶板、煤柱随下部煤层开采会发生二次失稳垮落，采空区可能处于大面积悬顶状态，受长期地下水淋滤和氧化，煤柱处于不稳定状态[13-14]，对煤矿安全生产产生的灾害有：

图9 2-2上号煤层工作面与地面塌陷裂缝叠置关系

(1)严重的地表形变，威胁地表房屋、输电线路等建筑物安全；

(2)房采区煤柱如突然失稳垮落，会形成矿震或飓风冲击，严重威胁2-2上号煤层开采工作面中的人员设备安全；

(3)在地形起伏较大区域形成动载荷叠加，可能导致工作面突然来压，引发工作面切顶、压架、巷道冒顶等顶板事故[15]。

因此，矿方应加强井下工作面矿压规律的分析，并在地表进行岩移监测，分析房采区上方地表变形规律和变形超前距，做好地表变形预警[16]。

5.2 工作面过沟开采

庙梁煤矿排查期间开采的12101工作面距离回撤通道560～500 m处，12103工作面距离回撤通道880～740 m、690～570 m处，12105工作面距离回撤通道740～545 m、170～30 m处为地表本头墕沟及其支沟沟谷交汇处。沟底地面标高+1 183～+1 194 m，工作面标高+1 119～+1 122 m，工作面至地表沟谷底部高差64～72 m。

工作面过沟动载矿压开采示意如图10所示。在工作面推采过地表沟谷时，可能会由于工作面液压支架受力不均导致立柱下缩量瞬间增大、爆缸甚至是支架压死等矿压灾害[17-18]，而当前推采的12101工作面在推采至58～114 m时，则因地表过沟出现工作面液压支架压力过大现象[19]，具有同样危险性的区域主要分布在图10中的A区域和B区域，涉及12101和12103工作面。

5.3 碎软顶板

根据煤矿勘探成果，12101工作面附近钻孔显示2-2上号煤层顶板均属稳定发育一层泥岩、炭质泥岩顶板，厚度1.50～10.11 m。顶板泥岩含有较高的粘土矿物和有机质，具有发育较多的水平层理、砂岩泥岩互层层理、节理裂隙和滑面以及植物化石等软弱结构面的特点。1-2号煤层与2-2上号煤层平均间距23.52 m，1-2号煤层采空区积水长期浸泡较容易导致2-2上号煤层顶板岩层松软，岩石强度降低，稳定性较差，使得2-2上号煤层顶板强度降低，工作面推采过程中可能出现顶板离层、漏顶甚至冒顶问题[20]。现场排查期间，在12101运输巷470 m位置和12101回风巷350 m位置已经出现顶板破碎，局部冒顶、离层、泥化等现象，严重威胁工作面安全推采，矿方应及时进行临时补强支护，必要时应立即停止作业，进行碎软顶板的超前注浆加固改造。12101工作面碎软顶板冒顶实景如图11所示。

图11 12101工作面碎软顶板冒顶实景

6 结论

(1)采用现场质询、资料查阅、地面排查、井下实地调查、周边煤矿调研、综合分析研究等方法，并借助无人机、红外热像仪、测温仪等扫描和探测仪器，快速、高效地排查了庙梁煤矿水害、火灾、顶板/矿压等方面的主要隐蔽致灾地质因素。

(2)排查出庙梁煤矿的水害因素主要有地表水、烧变岩含水不清区、老空水、导水裂缝带；火灾因素主要为房柱式采空区遗煤复燃、地面塌陷裂缝；顶板/矿压因素主要有房柱式采空区悬顶、工作面过沟开采和碎软顶板。

(3)针对上述灾害，及时向矿方提出相关预防和治理措施建议，将庙梁煤矿目前隐蔽的地质灾害进行有效地干预和治理，助力煤矿安全高效生产。