煤田火區下采煤工作面安全開采影響程度分析

崔 杰，王 偉

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國是煤田火區比較嚴重的國家之一，煤田火直接威脅到煤田火區下采煤工作面的安全開采[1]，煤田火還會產生大量CO、CO2、SO2等有毒有害氣體和顆粒物，對生態環境造成極其嚴重的破壞[2-5]。煤田火的存在嚴重影響我國煤炭資源的可持續發展，積壓煤炭無法安全采出，因此煤田火區下工作面安全開采影響分析研究顯得尤為重要。

1 工作面概況

黃白茨煤礦021205 工作面位于1212 采區南翼區域，北為1212 軌道上山，南為五虎山井田邊界，西為021203 運輸巷，東為021207 回風巷，上部對應為021005 工作面、020905 采空區、020907 采空區，上覆7-1（Ⅲ）煤田火區。工作面標高為+998～+1 021 m，對應地面標高為+1 215～+1 266 m。

021205 工作面所采煤層厚度3.59～4.64 m，平均厚度3.9 m，煤層傾角5°～6°，煤層結構較為復雜，煤層中含5 層厚度大于0.05 m 的夾矸，其中煤層上矸厚度0.4～1.3 m，中矸厚度0.2 m，三矸厚度0.30～0.50 m，其余夾矸厚度為0.05～0.15 m，煤層厚度變化較大。021205 工作面所采煤層為12#煤層，屬自燃煤層，自然發火期為4～6 個月。煤塵具有爆炸危險性，爆炸指數為33.8%。

2 煤田火區概況

根據調研及礦井提供的相關資料顯示，021205工作面上覆7-1（Ⅲ）煤田火區位于井田東部，面積約17.3 萬m2。主要燃燒煤層為2#、4#、7#煤層。7-1（Ⅲ）火區下部有021005 工作面、021205 工作面。

2011 年年底，曾對7-1（Ⅲ）火區進行了治理，治理方式為地面鉆孔注液氮，共施工鉆孔35 個，注入液氮1 789.98 t。2013 年4 月底，對7-1（Ⅲ）火區地表進行了現場踏勘，火區對應地表存在較多裂隙，部分裂隙內存在冒煙現象，且冒煙位置多。2013 年5月黃白茨煤礦對7-1（Ⅲ）火區地表施工4 個鉆孔，并對4 個鉆孔注黃沙和水泥漿封孔。2014 年5 月初地表觀測沒有冒煙現象，但裂隙較多。

針對現場實際，黃白茨煤礦對7-1（Ⅲ）火區對應地表裂隙進行沙土覆蓋，封堵漏風通道，并對煤田火區進行了探測。對7-1（Ⅲ）火區采用以同位素測氡法為主，以紅外線測溫法為輔，結合電磁法進行驗證的綜合探測方法。根據多種方法綜合研究分析，研究區內共劃分5 個火區，火區面積共計0.19 km2。根據紅外線測溫法解釋的異常區范圍，研究區內高溫異常區主要集中在3 個大區域，分別位于研究區的中部，西北部和東部。7-1（Ⅲ）煤田火區對下部021205 工作面的安全開采構成威脅。

3 火區對021205 工作面安全開采影響

3.1 工作面與火區位置關系

021205 工作面與7-1（Ⅲ）煤田火區的位置關系示意圖如圖1。021205 工作面上部存在020905 采空區、020907 采空區和021005 工作面。

021205 工作面附近地質鉆孔編號為94-1 號鉆孔，根據94-1 號煤田鉆孔柱狀圖，7#煤層厚度為2.05 m，距離地表約106 m，7#煤層距9#煤層（厚度為3.25 m）78 m，距10#煤層（厚度為2.25 m）82 m，距12#煤層（厚度為3.94 m）115 m。9#、10#煤層傾角均為5°，屬近距離煤層群開采煤層，9#煤層與10#煤層間距在南翼為0～2 m，北翼為2～24 m；12#煤層傾角為6°，10#層與12#層間距為35～40 m。

3.2 工作面上覆巖層垮落帶及斷裂帶

圖1 021205 工作面與7-1（Ⅲ）火區的位置關系示意圖Fig.1 Sketch map of position relationship between working face 021205 and 7-1 (Ⅲ) fire area

工作面上覆巖層的垮落帶與斷裂帶高度與巖層的巖性、工作面采高、煤層傾角、采煤工藝等因素密切相關[6]。021205 工作面回風巷道基本頂為粉砂巖，厚度為10.58～15.85 m，以石英為主，少量長石，夾有黃鐵礦薄膜植物化石，致密堅硬性脆，進風巷道基本頂為砂質泥巖，厚度為2.55～4.55 m，以泥質為主次為砂質，含云母及完整的植物葉化石。工作面的直接頂和直接底均為泥巖，以黏土為主，少量粉砂，夾有黃鐵礦薄膜植物化石，質堅硬性脆。

3.2.1 垮落帶高度

垮落帶是指工作面回采后引起的煤層上覆巖體完全垮落的那部分巖層。該層巖石具有不規則性、碎脹性和密實度差的特征，是影響頂板再生和垮落巖塊不能隔水的重要原因[7]。021205 工作面頂底板巖性以泥巖為主，根據垮落帶最大高度經驗公式，工作面上覆巖層垮落帶的高度取采高的3～4 倍[8-9]。

021205 工作面采高3.9 m，則垮落帶高度為11.7～15.6 m。020905 工作面和020907 工作面采高2.6 m，則垮落帶高度為7.8～10.4 m。

3.2.2 斷裂帶高度

在頂板巖石自由垮落后，垮落帶上方的巖層繼續下沉彎曲，當期彎曲超過本身強度時，將產生裂隙，以致斷裂。這一過程逐層向上發展，直到上覆巖層整體下沉彎曲為止，這部分稱為斷裂帶[10]。斷裂帶和垮落帶之間沒有明顯的分界線，均屬于破壞性影響區[11]。

斷裂帶高度計算公式[9]見表1。

9#煤層與12#煤層頂板覆巖的巖性均以軟弱巖為主，9#煤層采空區斷裂帶最大高度和12#煤層采空區斷裂帶最大高度分別為24、31 m。9#、12#煤層采空區斷裂帶最大高度示意圖如圖2。

表1 斷裂帶高度計算公式Table 1 Calculation formula of fracture zone height

圖2 9#、12#煤層采空區斷裂帶最大高度示意圖Fig.2 Sketch map of the maximum height of the fracture zone in the goaf of 9# and 12# coal seams

3.2.3 垮落帶和斷裂帶與上覆煤田火區關系

1）從垮落帶高度計算結果可知，021205 工作面回采時，上覆巖層垮落最大高度15.6 m，小于12#煤層與10#煤層間的距離（29.9 m）；9#煤層上覆巖層垮落最大高度10.4m，遠小于9#煤層與7-1（Ⅲ）火區間的距離（82 m），表明7-1（Ⅲ）火區明火不會竄入021205 工作面。

2）從斷裂帶高度計算結果可知：根據94-1 號煤田鉆孔資料，021205 工作面回采時，上覆巖層斷裂帶高度最大為31 m，大于12#煤層與10#煤層間距（29.9 m），由于021005 工作面未開采，因此021205工作面開采時不會與10#煤層有裂隙溝通，開采9#煤層時上覆巖層斷裂帶高度最大為24 m，小于9#煤層與7-1（Ⅲ）火區間距（82 m），斷裂帶頂部距離7#煤層底板約58 m，且根據94-1 鉆孔的地質資料，7#煤層與9#煤層之間存在較厚的泥質頁巖，會抑制煤層采動后上部覆巖裂隙的發育高度，因此當021205 工作面回采時，7-1（Ⅲ）煤田火區有毒有害氣不會侵入到021205 工作面。

3.3 021205 工作面鄰近采空區氣體

021205 工作面鄰近采空區為021203 采空區，上部021005 工作面尚未回采。根據黃白茨煤礦束管監測數據，在021203 工作面開采過程中未發現CO氣體，采空區內也未檢測到CO 氣體，因此，當021205 工作面開采時，不會受到上部7-1（Ⅲ）火區的有毒有害氣體的影響。

4 結 語

1）021205 工作面回采不會受到7-1（Ⅲ）煤田火區明火的威脅。021205 工作面回采時，7-1（Ⅲ）火區有毒有害氣體不會侵入到021205 工作面。

2）受工作面的重復采動、煤田火區燃燒層位的變化以及地震等自然因素的影響，裂隙會進一步發育，與正在回采工作面溝通，造成有毒有害氣體入侵工作面的可能性，因此021205 工作面回采時，仍需對021205 工作面采空區進行連續監測，并制定相應的技術措施。

3）為確保021205 工作面的安全回采，仍需要對周邊的020905 采空區、020907 采空區和021203 采空區的進風、回風密閉進行監測，以便對有害氣體入侵工作面及時預警。

4）由于7-1（Ⅲ）煤田火區不僅影響021205 工作面的安全回采，還可能影響備采021005 工作面的回采，因此需要對7-1（Ⅲ）煤田火區進行治理，控制煤田火區的蔓延。