地理因素對煤礦開采的影響探究

趙鐵軍

(中國平煤神馬集團(tuán)梨園礦，河南 平頂山 467099)

煤炭是在壓力、溫度、微生物等多種因素長期作用下形成的一種不可再生能源。在漫長的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動過程中，形成了各種各樣的地理因素，包括地質(zhì)因素和水文因素［1］。地質(zhì)構(gòu)造形成的裂隙、斷層、褶曲對于煤層的壓力、瓦斯賦存等都有直接的影響。同時(shí)煤層開采過程中的含水層、老窯水等水文因素是導(dǎo)致煤礦水害發(fā)生的直接原因。對煤層的開采來說，地理因素嚴(yán)重著煤礦的安全生產(chǎn)［2］。加強(qiáng)對煤礦開采過程中地理因素的研究，充分認(rèn)識到地理因素對煤層的影響規(guī)律，才能制定相關(guān)的安全防御措施，保證煤礦的安全生產(chǎn)和井下工人的生命健康。

1.影響煤礦開采的地理因素

1.1 地質(zhì)因素對煤礦開采的影響

地質(zhì)構(gòu)造主要是地層在運(yùn)動過程中發(fā)生碰撞擠壓而形成的地質(zhì)現(xiàn)象，主要包括節(jié)理、斷層和褶皺［3］。地質(zhì)構(gòu)造破壞了煤層的完整性，造成了煤層的破碎、擠壓、位移等，構(gòu)造地質(zhì)帶往往是頂板脫落、瓦斯聚集以及透水事故的高發(fā)地帶。

(一)地質(zhì)構(gòu)造對煤層瓦斯的影響

地質(zhì)構(gòu)造在形成過程中為瓦斯的儲存提供了便利條件，大量的瓦斯積聚容易造成煤層開采過程中煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，主要包括斷層以及褶皺地質(zhì)構(gòu)造。

斷層構(gòu)造可以分為正斷層和逆斷層，煤層的正斷層以及逆斷層都是巖 (煤)層在形成過程中受到張扭應(yīng)力或者張應(yīng)力的作用而形成［4］。

煤層中正斷層的存在會導(dǎo)致煤層中瓦斯的活動空間的增大，當(dāng)煤層開采到正斷層時(shí)，斷層處的瓦斯會逐漸釋放，導(dǎo)致煤礦瓦斯涌出量的增加，但是一般情況下正斷層中的瓦斯壓力以及瓦斯含量還不足以引發(fā)煤與瓦斯突出是發(fā)的發(fā)生。相對來說逆斷層的形成會對周圍煤體、巖體形成擠壓，造成周圍煤層中的裂隙增大，裂隙在長時(shí)間的壓應(yīng)力的作用下會釋放大量的游離態(tài)瓦斯。當(dāng)煤層開采遇到逆斷層時(shí)，逆斷層處形成的平衡就會被破壞，裂隙中形成的游離態(tài)瓦斯在巨大的瓦斯壓力作用下向外釋放，很有可能引發(fā)煤與瓦斯突出事故的發(fā)生。

褶皺構(gòu)造可以分為向斜和背斜構(gòu)造。向斜軸部在形成過程中受到較大的壓性和壓扭性節(jié)理作用，增強(qiáng)了巖層封閉瓦斯的能力，軟分層的厚度和分布范圍增加，在煤層的開采過程中極有可能導(dǎo)致煤與瓦斯突出事故的發(fā)生［5］。背斜的傾伏端不同地層交錯(cuò)嚴(yán)重，部分地方還可能伴隨著逆斷層的出現(xiàn)，從而造成煤層中軟分層的厚度增加，容易引發(fā)煤與瓦斯突出事故。

背斜的軸部以及向斜的傾伏端封存瓦斯的能力相對較差，軟分層的厚度以及分布范圍相對較小，在這些地方發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率相對較小。

(二)地質(zhì)構(gòu)造對頂板的影響

地質(zhì)構(gòu)造會影響頂板的完整性以及頂板的受力狀態(tài)。一般來說大斷層的形成層都會導(dǎo)致中小斷層以及裂隙的存在，這會導(dǎo)致煤層在開采過程中頂板的初次來壓、來壓周期步距以及初次放頂?shù)臏p小，頂板巖層中的弱面產(chǎn)生對于煤礦開采過程中的頂板管理非常不利。褶曲構(gòu)造的存在會改變頂板的受力情況，小褶曲構(gòu)造可能會導(dǎo)致頂板的破碎，出現(xiàn)頂板冒落現(xiàn)象。

(三)地質(zhì)構(gòu)造對煤層自燃傾向性的影響

煤層的自燃傾向性大小直接決定著煤礦發(fā)生火災(zāi)的可能性的大小。煤層的自然傾向性和煤的發(fā)育變質(zhì)程度有關(guān)，和煤粒子的內(nèi)部孔隙、裂隙發(fā)育程度有關(guān)，而這些因素的發(fā)育程度都是煤層在不同地質(zhì)構(gòu)造，不同煤層壓力、溫度等因素綜合作用下的結(jié)果。

褶皺構(gòu)造的可以影響煤層中熱量的移動和聚集。褶皺的向斜段可以導(dǎo)致煤層中的熱量向上擴(kuò)散，降低熱量的聚集。而不同的是在煤層的背斜段會阻止煤層熱量的擴(kuò)散，使煤層的熱量向煤層的核部擴(kuò)散，導(dǎo)致核部的溫度不斷增加，從而增大了煤層發(fā)生自然的可能性［6］。斷層構(gòu)造的存在對煤層自燃傾向性的影響也是兩面的，正斷層會阻止煤層自燃的發(fā)展，逆斷層的存在在一定程度上會助長煤層自燃的發(fā)展。

同時(shí)煤層內(nèi)部的裂隙、孔隙的發(fā)育程度是影響煤層自燃傾向性的核心因素。在煤層地質(zhì)構(gòu)造和煤層運(yùn)動的共同作用下，煤層中會出現(xiàn)裂隙現(xiàn)象，這會大大增加煤層和氧氣的接觸面積，隨著時(shí)間的進(jìn)行，煤層會被慢慢低溫氧化。同時(shí)隨著煤層的煤化程度的增加，煤層內(nèi)部會出現(xiàn)孔隙現(xiàn)象，這也會大大增加煤與氧氣的接觸面積，從而造成煤層的慢慢氧化。但是煤層內(nèi)部的孔隙發(fā)育會隨著煤層變質(zhì)程度的增加而逐漸減小。

(四)地質(zhì)構(gòu)造對煤礦開采過程中的采坑塌陷影響

不同煤礦的煤層地質(zhì)條件不相同，其地質(zhì)巖性、巖層都有較大的差異。在煤層的開采過程中，施工者沒有根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果進(jìn)行區(qū)別對待，從而導(dǎo)致采坑塌陷災(zāi)害的不斷發(fā)生。針對不同的地質(zhì)構(gòu)造，我們應(yīng)該進(jìn)行實(shí)地勘探，并根據(jù)勘探結(jié)果制定不同的開采方案，避開容易發(fā)生沉降的區(qū)域，防止采坑塌陷災(zāi)害的發(fā)生。

1.2 水文因素對煤礦開采的影響

煤層在開采過程中會遇到含水層、老窯水、地面水等因素的影響，這些水文因素和地質(zhì)因素一樣，如果不科學(xué)對待的話，也會造成煤礦傷亡事故的發(fā)生，對煤礦的開采工作帶來極大的困擾。

(一)水文因素對煤炭質(zhì)量和儲量的影響

煤層在進(jìn)行開采之前需要進(jìn)行煤層儲量的勘探，煤礦的儲量直接會影響煤層中的巷道布置，通風(fēng)系統(tǒng)選擇，通風(fēng)設(shè)備的配置以及割煤采煤設(shè)備的裝備。煤礦的水文因素在一定程度上會對煤層儲量勘探工作產(chǎn)生一定的影響，從而對煤礦的設(shè)計(jì)、裝備工作產(chǎn)生間接的影響［7］。同時(shí)在煤礦進(jìn)行開采之前還需要對煤礦的水文條件進(jìn)行調(diào)查，首先需要搜集調(diào)查煤層上下存在的含水層、煤礦范圍內(nèi)廢棄的老窯以及地面水，并根據(jù)周圍的水文條件、煤礦的開采范圍、開采年限等因素進(jìn)行煤礦的布置以及預(yù)防工作。

(二)水文因素對煤礦安全生產(chǎn)的影響

煤層的形成主要在海洋和陸地交匯地點(diǎn)，在一定條件下形成的煤層會直接覆蓋在灰?guī)r上，水進(jìn)入煤層的裂隙或者縫隙中，隨著時(shí)間的累積，地質(zhì)的運(yùn)動形成含水層。含水層形成后在地質(zhì)運(yùn)動以及沉積作用下，含水層下面的裂隙和縫隙會逐漸被壓實(shí)而閉合，達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。在煤層掘進(jìn)開采過程中，形成的擾動會逐漸導(dǎo)致含水層下部被壓實(shí)的裂隙和孔隙再次變大，甚至形成更大的或者新的裂隙通道，這也就逐漸發(fā)展成為了含水層和開采煤層之間的透水通道。在煤層開采到一定程度，在壓力、透水通道等因素的綜合作用下就可能導(dǎo)致透水事故的發(fā)生。

除了含水層的威脅外，采礦區(qū)周圍存在的廢棄礦井存水、老窯水以及地面水都會對煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生較大的威脅。我國煤礦開采的歷史悠久，尤其是建國初期小煤礦私建亂建情況嚴(yán)重，從而形成了大量的老舊廢棄礦井。這些老舊礦井積水后便形成了老采空區(qū)水、老窯水等，對煤礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大的威脅。老窯水的積水情況以及賦存情況復(fù)雜，具有分散、孤立以及隱蔽的特點(diǎn)，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和預(yù)測。在煤層的開采過程中，如果疏通了開采煤層和老窯水之間的通水通道，就會導(dǎo)致透水事故的發(fā)生。其中典型的事故就是發(fā)生在2010年3月的王家?guī)X煤礦透水事故。

同時(shí)地面水體比如江河，湖泊，水庫等，在出現(xiàn)強(qiáng)降雨時(shí)往往會造成其水位暴漲，當(dāng)超過井口標(biāo)高或者水體流經(jīng)煤層的導(dǎo)水裂隙，塌陷區(qū)時(shí)都可能造成地面水的倒灌從而引發(fā)礦井的水害事故。

2.減少地理因素對煤礦開采影響的建議

2.1 地質(zhì)因素方面的建議

地質(zhì)構(gòu)造嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)和井下作業(yè)人員的生命健康，因此需要加強(qiáng)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)測和分析工作，掌握煤層周圍各種地質(zhì)構(gòu)造的分布規(guī)律，從而規(guī)避煤礦由地質(zhì)構(gòu)造引發(fā)的災(zāi)害的發(fā)生。對于開采煤層廣泛收集地質(zhì)資料，在已有的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上運(yùn)用多種鉆探、物探、地質(zhì)手段廣泛獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，運(yùn)用科學(xué)的手段，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬軟件對煤層周圍的地質(zhì)影響因素進(jìn)行模擬分析，盡最大限度保證煤礦開采過程中的安全性。

2.2 水文因素方面的建議

對于煤礦水害的防治，首先應(yīng)該加快煤礦水文地質(zhì)探測技術(shù)的研究。傳統(tǒng)的水文地質(zhì)勘探技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的勘探要求，近年來也出現(xiàn)了一些水文勘探的新技術(shù)，比如鉆孔透視儀技術(shù)、流量測井技術(shù)等。在勘探技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，也應(yīng)該加強(qiáng)井下作業(yè)人員對水文地質(zhì)知識的了解，加強(qiáng)礦井領(lǐng)導(dǎo)在面對突發(fā)水文地質(zhì)事故時(shí)的決策能力，這樣就能更好的避免事故的發(fā)生，把事故的影響降到最低。

3.結(jié)論

煤礦井下開采是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，受到多種地質(zhì)因素、水文因素的影響。加強(qiáng)煤礦地質(zhì)、水文因素的研究，可以有效的規(guī)避煤礦井下地質(zhì)事故的發(fā)生，降低人員傷亡，保障生產(chǎn)安全。

［1］王軍.影響煤礦開采的因素［J］.煤炭技術(shù)，2009(2).

［2］黃顯輝.影響礦井安全的主要地質(zhì)因素及對策［J］.能源與環(huán)境，2007(3).

［3］劉海明.煤礦開采造成地面沉陷的主要形式及其防治策略［J］.中國煤炭，2010(S1).

［4］倪仲軍.地質(zhì)因素對煤礦采掘的影響及應(yīng)對［J］.河南科技，2011(12).

［5］李大為.淺談煤田水文地質(zhì)勘探的技術(shù)方法［J］.科技信息，2012，3(32):31－32.

［6］虎維岳.礦山水害防治理論與方法 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005:2－5.

［7］虎維岳，何滿潮.深部煤炭資源及開發(fā)地質(zhì)條件 ［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008:6－7.