烏達(dá)煤田火區(qū)對井下工作面安全生產(chǎn)影響分析

張衛(wèi)亮

（煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院，遼寧省沈陽市，110016）

我國是地下煤層自燃災(zāi)害嚴(yán)重的國家之一，它不僅造成大量煤炭資源的損失和無法開采，影響煤礦的安全生產(chǎn)，同時破壞了生態(tài)環(huán)境，造成大氣污染。隨著下層煤的開采，加上煤田火災(zāi)的蔓延，地表大面積塌陷，需要不斷進(jìn)行火區(qū)調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測，且需多次修改滅火工程設(shè)計，為火區(qū)治理工作帶來難度。煤層開采以后，采空區(qū)上覆巖層由下向上依次形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。對于采場上覆巖層破壞變形在空間上形成 “三帶”，國內(nèi)已做了大量的研究工作，但主要集中在煤層開采、頂板管理、瓦斯抽放等方面。目前還沒有文獻(xiàn)針對煤田火區(qū)對下覆煤層開采作定量分析判斷方面的研究，因此判斷煤田火區(qū)對下層煤將要開采的工作面影響程度成為礦井生產(chǎn)過程中亟需解決的問題。

1 礦井和工作面概況

內(nèi)蒙古烏達(dá)煤田火區(qū)已經(jīng)燃燒了50多年，由于歷史上小煤窯亂采濫挖、地表塌陷、早期發(fā)現(xiàn)的火區(qū)沒有及時徹底治理等原因，烏達(dá)煤田地表仍存在大量火區(qū)。根據(jù)神華 （北京）遙感勘查有限責(zé)任公司2009年編制的火區(qū)調(diào)查報告，烏達(dá)煤田火區(qū)共有3 處大火，16 處子火區(qū) （分別為1＃、2＃、3＃、4＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃、12＃、15＃、16＃、17＃、18＃火 區(qū)，其 中，7＃、9＃、11＃火區(qū)仍處于燃燒狀態(tài)），總面積為401.5萬m2，主要燃燒1＃、2＃、4＃、6＃、7＃、9＃、10＃、11＃、12＃煤層。

烏達(dá)煤田共有3處生產(chǎn)礦井，分別為五虎山煤礦、黃白茨煤礦和蘇海圖煤礦。

五虎山煤礦位于烏達(dá)煤田的南部，其面積11.8km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1.5 Mt／a。地表11＃火區(qū)對應(yīng)的井下906工作面位于礦井南翼，開采9＃煤層，煤層厚度為3.43～3.77m，傾角為3°～8°。工作面走向長度1102m，傾斜長度243m，采高3.6m，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。

黃白茨煤礦位于烏達(dá)煤田東北部，核定生產(chǎn)能力為1.7Mt／a。7＃火區(qū)對應(yīng)的井下1016工作面位于礦井南側(cè)，開采10＃煤層，工作面走向長1230m，傾斜平均長度236m，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，最大采高2.6m。

蘇海圖煤礦位于烏達(dá)煤田西北部，南鄰五虎山煤礦，東接黃白茨煤礦。井田面積11km2，核定生產(chǎn)能力1.35Mt／a。1354工作面位于135下山南翼，走向長度840m，傾斜長240m，煤層傾角平均7°。1354工作面所采13＃煤層平均厚度1.52m，最大采高為1.78m。

2 煤巖層位置關(guān)系

圖1 11＃火區(qū)對應(yīng)各煤層間的位置關(guān)系示意圖

五虎山煤礦906工作面對應(yīng)地表11＃火區(qū)燃燒2＃和4＃煤層，最大燃燒深度56 m，9＃煤層與上部7＃煤層采空區(qū)間距約73 m，與火區(qū)間距約111m，11＃火區(qū)對應(yīng)各煤層間的位置關(guān)系見圖1。黃白茨煤礦1016工作面對應(yīng)地表7＃火區(qū)燃燒2＃、4＃、7＃煤層，10＃煤層與火區(qū)間距約85m，7＃火區(qū)對應(yīng)各煤層位置關(guān)系見圖2。蘇海圖煤礦1354工作面對應(yīng)9＃火區(qū)燃燒6＃、7＃、8＃煤層，8＃煤層與13＃煤層間距約136m，9＃火區(qū)對應(yīng)各煤層位置關(guān)系見圖3。

3 下層煤開采時上覆火區(qū)影響程度

906工作面、1016工作面和1354工作面均設(shè)計為綜合機(jī)械化開采，906 工作面開采9＃煤層，采高為3.6m；1016工作面開采10＃煤層，采高為2.6m （上覆9＃煤層，采高3m）；1354工作面開采13＃煤層，采高為1.78m。11＃火區(qū)燃燒的深部4＃煤層與9＃煤層間存在7＃煤層 （1.87 m）采空區(qū)；7＃火區(qū)燃燒的深部7＃煤層與10＃煤層間存在9＃煤層 （3.0m）采空區(qū)；9＃火區(qū)燃燒的深部8＃煤層與13＃煤層間存在9＃（2.69m）、10＃（2.22 m）、12＃（6.10m）和13上2＃（1.59m）煤層采空區(qū)。

3.1 冒落帶高度

一般情況下，工作面上覆巖層冒落帶高度為采高的3～4倍，以此計算，906工作面上覆冒落帶高度為10.8～14.4m；1016工作面上覆冒落帶高度為16.8～22.4m （10＃與9＃煤層間距只有1m，因此開采1016工作面時，冒落帶高度應(yīng)采用兩層煤的綜合開采厚度計算）；1354工作面上覆冒落帶高度為5.34～7.12m。

3.2 裂隙帶高度

與煤田火區(qū)有關(guān)的裂隙成因類型包括構(gòu)造裂隙、塌陷裂隙、燃燒裂隙以及復(fù)雜的復(fù)合型裂隙，能夠到達(dá)地表的裂隙有利于煤層自燃的供氧和排煙循環(huán)。在此處僅考慮工作面生產(chǎn)時其上覆巖層采動裂隙的最大高度。

根據(jù)煤礦地質(zhì)資料，五虎山煤礦906工作面對應(yīng)9＃、7＃煤層上覆巖層巖性以中硬為主，黃白茨煤礦1016工作面對應(yīng)的9＃煤層與7＃煤層間的巖層巖性以軟弱為主，蘇海圖煤礦1354工作面對應(yīng)9＃、10＃、12＃和13上2＃煤層上覆巖層巖性均屬中硬巖層，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式，計算各工作面開采時上覆巖層裂隙帶最大高度。

（1）五虎山906工作面 （上覆巖層屬中硬）：

式中：HL——裂隙帶高度，m；

∑M——累計采厚，m。

經(jīng)計算，H9＃=44.1m，H7＃=34.9m。

（2）黃白茨1016工作面 （上覆巖層屬軟弱）：

經(jīng)計算，H10＃ =29 m，H9＃ =25 m，H9＃10＃=28.7m。

（3）蘇海圖煤礦1354工作面 （上覆巖層屬中硬）：

經(jīng)計算，H1354=33.2 m，H13＃上2=31.5 m，H9＃10＃=54.3m，H12＃=59.4m。

各工作面上覆巖層裂隙帶高度與煤巖層對應(yīng)關(guān)系如圖1～圖3。從圖中可以看出，906 工作面上覆巖層最大裂隙高度44.1m 遠(yuǎn)小于工作面與火區(qū)間距離73m；1016工作面上覆巖層最大裂隙高度29m 遠(yuǎn)小于工作面與火區(qū)間距離85m；1354工作面上覆巖層裂隙相互連通，9＃、10＃煤層裂隙帶最大高度為54.3m，小于9＃煤層與9＃火區(qū)間距約6 m，但8＃煤層底板為平均厚度8.5m 的中硬砂巖，脆性較大，裂隙極易發(fā)育，因此判斷9＃、10＃煤層上部產(chǎn)生裂隙帶與8＃煤層能夠形成溝通裂隙。

3.3 冒落帶與裂隙帶分析

從冒落帶計算結(jié)果可以看出，五虎山煤礦906工作面、黃白茨煤礦1016 工作面、蘇海圖煤礦1354工作面開采時最大冒落帶高度遠(yuǎn)小于開采煤層與上覆煤層采空區(qū)和火區(qū)的距離，因此認(rèn)為上覆火區(qū)的明火均不會對工作面安全生產(chǎn)構(gòu)成影響。

從裂隙帶計算結(jié)果來看，五虎山煤礦906工作面和黃白茨煤礦1016工作面開采時產(chǎn)生的裂隙帶最大高度遠(yuǎn)小于工作面與火區(qū)間距離，因此認(rèn)為工作面開采時上覆11＃、7＃火區(qū)內(nèi)有害氣體不會通過裂隙侵入工作面；蘇海圖煤礦1354工作面開采時上覆煤巖層產(chǎn)生的裂隙帶能夠連通9＃火區(qū)，因此認(rèn)為工作面開采時9＃火區(qū)內(nèi)有害氣體能夠通過裂隙侵入1354工作面。

綜上所述，從冒落帶和裂隙帶高度可以看出，五虎山煤礦906工作面、黃白茨煤礦1016工作面、蘇海圖煤礦1354工作面開采時，均不受上覆火區(qū)明火的威脅；五虎山906工作面、黃白茨1016工作面開采時不受上覆火區(qū)有害氣體影響，蘇海圖煤礦1354工作面開采時受上覆9＃火區(qū)有害氣體的影響。

目前，上述工作面均已開采結(jié)束，工作面開采過程中，906、1016工作面均未受上覆火區(qū)影響，1354工作面開采時上覆火區(qū)CO 氣體涌入工作面，工作面采取了均壓措施，保證了工作面回采結(jié)束。

根據(jù)上述評估方法，還準(zhǔn)確地做出了其他礦井工作面受上覆火區(qū)影響的評估，見表1。

表1 火區(qū)對工作面安全生產(chǎn)影響評估表

4 結(jié)論

（1）煤田火區(qū)下層煤安全開采是很多煤礦面臨的一項技術(shù)難題，由于多數(shù)火區(qū)不能夠及時完全徹底治理，所以必須分析煤田火區(qū)對工作面開采影響程度，確保礦井安全生產(chǎn)。

（2）利用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中導(dǎo)水裂隙帶高度計算方法，分析煤田火區(qū)對工作面影響程度是可行的，為煤田火區(qū)下工作面安全開采提供了科學(xué)理論依據(jù)。

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