煤礦主要致災因素分析與應對策略

武章軍

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西晉城048000）

煤礦生產過程中會受到水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害的影響[1-5]，特別是煤層群開采或淺部存在小窯老空區的礦井，致災因素更加復雜，對礦井安全高效生產造成嚴重危脅[6]。為保證礦井安全生產，必須對這些致災因素進行詳細的調查和分析，并在回采前采取有效的措施，杜絕礦井災害的發生。本次針對常村煤礦主要致災因素進行深入的調查和分析，并探討主要災害的應對策略，可以為礦井災害防治提供依據，指導礦井安全生產。

1 礦井概況

常村煤礦由烏泥溝煤業有限公司、迎春煤業有限公司、山煤業有限公司、羅溝明興煤業有限公司、南山煤礦整合而成，北鄰前灣煤業有限公司，東臨山西煤炭運銷集團金山煤業有限公司，南鄰山西煤炭運銷集團同富新煤業有限公司。該礦批準開采1#~10#煤層，設計開采10#煤層，生產能力90×104t/a，井田面積為11.3364km2。礦井劃分為六個采區，分別為一采區、二采區、三采區、四采區、五采區和六采區，其中一采區和二采區為可采區，其余采區為緩采區。目前，主要的采掘工程集中在一采區和二采區。井下中央水泵房位于一采區南部，共安裝MD155~30×5型水泵三臺，功率為：110kW，額定電壓為：660V/1140V，電動機轉速為1480r/min，排水管路選用194×6無縫鋼管進行排水，根據2020年礦井排水系統聯合試運轉報告，最大排水能力為5800.3m3/h，能夠滿足礦井排水需要。

2 礦井面臨災害情況

（1）老空水威脅。常村煤礦是由5個礦井整合而來，在礦井整合之前，井田范圍內已經對2#煤層和10#煤層進行部分回采（包括淺部小窯），存在大量的采空區，煤層回采后頂板垮落，導水裂隙帶溝通含水層（地表水），使采空區含有大量積水。

（2）采空區積氣威脅。煤層回采結束后，采空區內會留有一定底煤，加之頂底板的含炭巖層，會釋放出大量CH4；采空區內物質經過物理化學變化還會造成CO、CO2、H2S等有害氣體聚集，被封閉在采空區中。

（3）煤層自燃威脅。根據礦井生產地質報告，2#煤層和10#煤層具有自燃傾向性，采空區漏風有可能使采空區內遺留煤炭及采空區邊界煤體氧化甚至出現明顯火區。

3 礦井主要致災因素調查與分析

3.1 井田內老空水害調查與分析

（1）采空區積水情況。通過對以往礦井生產資料進行分析，繪制礦井采空積水區分布圖。根據井田內積水情況，現采用經驗公式對井田內1#、2#、10#煤層采空區積水量估算如下：

式中：Q積——采空積水總量，m3；

M——采空區平均采高線或煤厚，m；

F——采空積水區的水平投影面積，m2；

α——煤層傾角，（°），取6°；

k——采空區充水系數，取0.30。

據調查本井田2#煤層采空區積水區20處，積水量541538m3，10#煤層采空區積水區2處，積水量3383m3， 積水量估算值如表1所示。

表1 井田內采（古）空區積水量估算

（2）采空區充水通道及充水水源。井田1#、2#、10#煤層傾角一般在3°~5°之間，下部煤層開采后形成的冒落帶和導水裂隙帶會溝通上部煤層采空區積水，可根據《煤礦防治水細則釋義》煤層開采時導水裂隙帶高度計算公式覆巖巖性中硬、堅硬，選用以下公式進行計算：

1#、2#煤層采用：

10#煤層采用：

導水裂隙帶高度（Hf）計算公式：

1#、2#煤層采用：

10#煤層采用：

式中：M——累計開采厚度，m。

1#、2#煤層最大厚度分別為1.30m、3.67m，1#、2#煤層最大厚度累計為4.97m，經計算，1#、2#煤層開采后垮落帶高度為9.53~13.93m，導水裂隙帶高度為Hf=37.42~48.62m，或Hf=54.59m。1#、2#煤層在烏泥溝河谷有露頭，埋深在0~200m之間，基巖風化帶深度50m左右，黃土厚度0~10m。根據分析，大氣降水及地表各溝谷水對1#、2#號煤層有充水影響。

10#煤層最大厚度為3.05m，經計算，10#煤層開采后垮落帶高度為11.11~16.11m，導水裂隙帶高度為Hf=44.99~62.79m，或Hf=62.39m。10#煤層在烏泥溝河谷有露頭，埋深在0~260m間，基巖風化帶深度50m左右，黃土厚度0~10m。根據分析，大氣降水及地表各溝谷水對10#煤層有充水影響。

10#煤層至2#煤層間距51.85~69.95m，扣除開采2#煤層底板擾動破壞深度16m，說明1#、2#煤層形成的采空區積水對10#煤層開采有充水影響。

（3）老空水危害分析。由以上采空區積水，可以得知，井田內由于開采范圍較大，積水較為嚴重，因此在開采10#煤層時一定要引起高度重視，采取防范措施，防止突水事故的發生。

3.2 井田周邊老空水害調查與分析

（1）井田周邊采空區積水情況。常村煤礦經調查井田南、北部界外相鄰區域共計有2#煤層10處采空積水區，總積水量301525m3。詳見周邊礦井采空區積水量估算表（表2）。具體情況如下。

表2 井田內采（古）空區積水量估算

（2）井田周邊老空水影響分析。

①臺頭前灣煤業有限公司：臺頭前灣煤業有限公司位于本井田北部，與本礦邊界未發現超層越界開采現象。與本礦邊界有采空區分布，2#煤層采空區有2處積水區,積水位置位于本井田北部邊界，積水面積為0.127km2，積水量為8.5670×104m3。對本井田開采有充水影響。

②金山煤業有限公司：金山煤業有限公司位于本井田東部，與本礦邊界未發現超層越界開采現象。與本礦邊界有采空區分布，2#煤層采空區有4處積水區；積水區位置位于本井田東部，積水面積為0.199 km2，積水量為11.7171×104m3。對本井田開采有充水影響。

③同富新煤業有限公司：同富新煤業有限公司位于本井田南部，與本礦邊界未發現超層越界開采現象。與本礦邊界有采空區分布，2#煤層采空區有積水；積水位置位于本井田南部，積水面積為0.196km2，積水量為9.8684×104m3。對本井田開采無充水影響。

依據礦方調查提供的資料，相鄰的前灣煤業有限公司、金山煤業有限公司均位于本井田上山位置，采空區積水對礦井安全生產影響較大，因此開采本井田內靠近采空區積水區時，應留設煤柱，并嚴格堅持“預測預報，有掘必探，先探后掘，先治后采”的防治水原則，以免發生水害事故。

3.3 采空區有害氣體調查分析

礦井在工作面煤層采空后，垮落的黑色泥巖、炭質泥巖頂板會解析出CH4，殘余的煤炭中也會繼續釋放瓦斯氣體，采空區內物質經過物理、化學變化還會形成CO、CO2、H2S等有害氣體，這些都會在采（古）空區中聚集，形成積氣區。根據對采空區的調查，采空區內存在瓦斯積存。另鄰界礦的采（古）空區內的瓦斯也會通過裂隙連通井田內采空區，可能會形成較大的積氣量，在煤礦開采時需要嚴格防范。

3.4 煤層自燃情況調查與分析

礦井分別對井田內2#、10#煤層進行開采，據煤礦采樣測試資料，2#、10#煤層自燃傾向性為自燃。經本次調查和參考以往礦井地質報告資料，各煤礦開采生產以來均未發生過煤層自燃現象，現各煤礦井下均無火區分布。但在今后的生產過程中，應采取有效地防范措施，保證煤礦順利開采。

4 礦井災害應對策略

4.1 老空水應對策略

本次對井田范圍內和井田周邊的老空水進行詳細的統計，并對其危害進行分析。在生產過程中可根據分析結果采取不同的應對措施。當老空水沒有在井田范圍內或位于保護煤柱內且不對生產造成影響的，可不采取措施，但需要定期對其進行調查和監測；若生產過程中采掘巷道接近或穿過老空水的，必須準確劃分警戒線、探水線和積水線，并對老空水采取探放措施，并對探放效果進行驗證和評價，確保解除老空水威脅。

4.2 采空區有害氣體應對策略

采空區有害氣體異常涌出有可能會造成重大人員傷亡，甚至誘發瓦斯爆炸等事故。因此在探放水或采掘工程接近采空區時一定要做好有害氣體的檢測工作，必要時施工抽采鉆孔對有害氣體進行抽放。

4.3 煤層自燃應對策略

根據礦井以往生產經驗，在開采2#和10#煤層過程中未出現煤層自燃現象。但隨著回采向縱深發展，地質條件出現變化，仍有可能造成局部煤層或老空區遺留煤炭自燃，形成火區。因此在生產過程中應嚴格按照規定設計生產系統和通風系統等，并對煤層和采空區進行有害氣體監測，發現問題及時解決。

4.4 存在問題

由于采（古）空區積水、積氣為一動態變化過程，本次調查的采（古）空區積水、積氣情況只反映礦井目前積水、積氣情況，隨著時間的推移，本礦和鄰近礦開采范圍的擴大，采空區積水、積氣范圍會不斷擴大，積水、積氣量也會不斷增加；采空區造成的地面塌陷形成的地裂縫，可能會使地面水流進入采空區內，對井田的生產造成影響；同時下部煤層采空區也可能會通過裂隙帶導通上部煤層采空區，使上部煤層采空區積水進入下部煤層，對本井田下部煤層的開采造成影響；隨著回采向縱深發展，地質條件出現變化，仍有可能造成局部煤層或老空區遺留煤炭自燃，形成火區。因此建議該礦在今后生產過程中定期對采空區積水、積氣、火區進行調查，并采取有效的防范措施。

5 結論

（1）井田內2#煤層采空區積水區20處，積水量541538m3，10#煤層采空區積水區2處，積水量3383m3；井田周邊相鄰區域共計有2#煤層10處采空積水區，總積水量301525m3。這些老空積水對礦井正常生產產生較大影響，在生產過程中要加強監測，并采取相應措施。

（2）采空積氣區會對礦井正常生產產生一定影響，在探放水和采掘工程接近采空區時要進行有害氣體檢測和通風管理工作，必要時對采空區積氣進行抽采。