煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治研究

劉 陽

（山西地寶能源有限公司，山西太原030045）

煤層通常位于地底深處，煤炭資源的爆破開采方式可能導(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)損壞，隨后引發(fā)一系列的地質(zhì)災(zāi)害問題，對于作業(yè)面安全以及坑道支護設(shè)備的穩(wěn)定性造成影響，對于后續(xù)煤炭開采作業(yè)以及地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理將造成一定壓力。由此可見，積極開展煤礦地質(zhì)災(zāi)害的防治研究工作對于提高煤礦開采作業(yè)的穩(wěn)定性，維護井下作業(yè)人員的生命安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 煤礦地質(zhì)災(zāi)害特征

1.1 煤礦地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域性特征

受爆破式開采方案的影響，少數(shù)采煤技術(shù)對在巖層結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致區(qū)域性的地質(zhì)災(zāi)害，同時此類區(qū)域性反應(yīng)可能導(dǎo)致周邊巖層出現(xiàn)滑移或結(jié)構(gòu)彎曲，進而導(dǎo)致煤礦區(qū)特點區(qū)域形成災(zāi)害群，各類災(zāi)害風(fēng)險相互疊加，進而危及后續(xù)煤礦開采作業(yè)，嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)效率。煤礦常見地形如圖1所示。

圖1 煤礦常見地形

1.2 煤礦地質(zhì)災(zāi)害的次生特征

由于礦區(qū)巖層存在交叉分布情況，因而單一類型地質(zhì)災(zāi)害可能在后期地質(zhì)演化過程中形成一系列的次生災(zāi)害。如發(fā)生頂板塌陷可能導(dǎo)致頂部含水層出現(xiàn)滲漏問題，嚴(yán)重時將出現(xiàn)突水事故，從長期角度看，突水事故將改變周邊水系的整體循環(huán)流向；此外，開采煤礦資源還可能導(dǎo)致后續(xù)的生態(tài)污染問題，隨著長期的生態(tài)循環(huán)，部分煤礦開采的污染物質(zhì)可能隨著生態(tài)循環(huán)進入到生態(tài)鏈中，進而引發(fā)一系列的生態(tài)問題，不利于維持生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

1.3 煤礦地質(zhì)災(zāi)害關(guān)聯(lián)性特征

就實際而言，多數(shù)煤礦地質(zhì)災(zāi)害存在一定的關(guān)聯(lián)性特點，由于煤礦開采作業(yè)的特殊性，其整體開采流程可能導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域巖層的煤系巖性變化、區(qū)域性地理環(huán)境變化以及水文環(huán)境變化。因此，在同一水系環(huán)境下的不同煤礦采區(qū)，在遭遇各類常見以及突發(fā)性煤礦地質(zhì)災(zāi)害時其內(nèi)部形成機理可能存在關(guān)聯(lián)性特征。

1.4 煤礦地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)性特征

結(jié)合現(xiàn)階段科技技術(shù)，針對煤礦地質(zhì)災(zāi)害的繼發(fā)性可做到一定程度的預(yù)測，但就實際而言，在開采過程中，少數(shù)煤炭地質(zhì)災(zāi)害仍然呈現(xiàn)出突發(fā)性，同時在有限技術(shù)條件的小型煤礦更易遭受此類問題影響。另外針對突發(fā)性災(zāi)害，少數(shù)災(zāi)害類型可借助適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段進行分析與預(yù)測，進而提前制定應(yīng)急方案，有效規(guī)避此類突發(fā)性災(zāi)害，以此將整體損失降到最低幅度。

2 煤礦地質(zhì)災(zāi)害的類型

2.1 頂板事故災(zāi)害

此類事故是一種常見煤礦事故，頂板意外事故出現(xiàn)時可能導(dǎo)致帶面積人員及設(shè)備損壞。在部分巖層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或褶皺較多的區(qū)域較易頂板事故，多數(shù)誘因在于采空區(qū)的支護結(jié)構(gòu)問題或巖層壓力測算數(shù)據(jù)異常等。此外，部分頂板巖層中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂或應(yīng)力分別異常問題也可能導(dǎo)致頂板事故發(fā)生。

2.2 煤與瓦斯泄露

瓦斯主要表示在開采作業(yè)過程中出現(xiàn)的毒害氣體泄露問題，這些氣體普遍具有可燃性以及毒害性特點，當(dāng)該類氣體與空氣混合成為一定濃度的可燃氣體時，則可能導(dǎo)致瓦斯爆炸問題。爆炸極限濃度一般為5%～16%之間，且誘發(fā)瓦斯爆炸的熱源溫度應(yīng)處于650℃～750℃之間，整體熱源持續(xù)周期應(yīng)大于混合氣體的感應(yīng)期。例如，在山西地區(qū)的硯石臺煤礦曾發(fā)生過重大瓦斯爆炸事故，事故致使22人罹難、2人受傷。煤礦沖擊地壓如圖2所示。

圖2 煤礦沖擊地壓

2.3 礦井火災(zāi)

礦井火災(zāi)的主要產(chǎn)生原因是由于井下設(shè)備異?；蛉藛T誤操作導(dǎo)致井下出現(xiàn)違規(guī)熱源，進而導(dǎo)致一系列火災(zāi)事故。礦井火災(zāi)事故的危害性極大，可在短時間內(nèi)大面積破壞井下作業(yè)設(shè)備，危及人身安全，嚴(yán)重時可能引燃開采中巖層泄露的可燃氣體以及礦井中的粉塵。就實際而言，礦井火災(zāi)的直接危害性較大，同時其產(chǎn)生的次生災(zāi)害對于礦井安全作業(yè)也造成一定程度的影響，因此，井下作業(yè)人員必須重視火災(zāi)誘發(fā)因素，積極處理對應(yīng)的火災(zāi)隱患問題。

2.4 礦井水害事故災(zāi)害

礦井水害的出現(xiàn)普遍與周邊巖層中的含水層相關(guān)，在部分煤礦作業(yè)過程中，由于作業(yè)失誤導(dǎo)致含水層底部或頂部巖層出現(xiàn)裂隙，進而引發(fā)透水或突水事故。在誘發(fā)原因方面，井下水害的水源主要來自周邊水系，經(jīng)過常年滲透作用，地下部分巖層的含水量逐漸上升，在后續(xù)開采作業(yè)過程中少數(shù)斷層破碎帶、爆破裂縫、礦道縫隙等因素導(dǎo)致滲水或透水問題逐漸加劇，進而在后續(xù)違規(guī)開采作業(yè)中集中出現(xiàn)礦井水害。例如，云南地區(qū)的小河邊煤礦曾發(fā)生嚴(yán)重透水事故，造成多人被困井下。

2.5 煤塵爆炸事故災(zāi)害

此類事故危害類型主要由于礦井中的降塵作業(yè)不規(guī)范或缺少對應(yīng)的降塵設(shè)備所致。由于部分小型礦井為降低整體成本，在開采作業(yè)時并未配備標(biāo)準(zhǔn)的降塵設(shè)備，因而導(dǎo)致礦井開采作業(yè)過程中出現(xiàn)大面積粉塵，當(dāng)井下出現(xiàn)違規(guī)熱源后，一定濃度的粉塵空氣混合物則可能出現(xiàn)爆燃問題。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，粉塵爆燃的整體混合物濃度區(qū)域范圍為45～2000g/m3，此時礦井環(huán)境中出現(xiàn)違規(guī)熱源后，則可能導(dǎo)致粉塵爆炸問題出現(xiàn)。

3 導(dǎo)致煤礦地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因

3.1 客觀原因

在地質(zhì)角度層面，雖然部分地區(qū)板塊移動導(dǎo)致的巖層變化較為劇烈，但少數(shù)區(qū)域的巖層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，煤礦開采通常處于巖層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的區(qū)域。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，社會對各類礦石以及化石能源的需求逐漸增長，各類能源礦石開采行業(yè)迎來發(fā)展的高潮期，地殼中的高價值資源被大規(guī)模開采，局部地區(qū)的巖層結(jié)構(gòu)被破壞，因而導(dǎo)致區(qū)域巖層出現(xiàn)應(yīng)力異常問題，隨后其他開采作業(yè)則加劇這一問題，長此以往則可能導(dǎo)致煤礦開采過程中出現(xiàn)各類型的地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 主觀原因

煤炭資源屬于一次性資源，整體價值較高，因而煤炭行業(yè)在長期發(fā)展過程中仍然存在不規(guī)范現(xiàn)象，例如部分小煤礦違規(guī)開采等問題。少數(shù)煤礦為獲取暴利，采取偷采、非法開采等，導(dǎo)致礦區(qū)的煤炭資源進一步枯竭，同時在后續(xù)采區(qū)生態(tài)還原方面陷入無人管理的境地，進而影響周邊區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，不利于區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，同時地質(zhì)災(zāi)害問題也進一步加劇。

4 煤礦地質(zhì)災(zāi)害防護手段

4.1 頂板事故預(yù)防

要針對頂板事故進行預(yù)防，則要求技術(shù)人員應(yīng)詳細掌握開采區(qū)域的各類型數(shù)據(jù)資料，根據(jù)巖層的應(yīng)力數(shù)據(jù)制定對應(yīng)的支護方案，采用數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)全時段監(jiān)測周邊巖層的應(yīng)力變化情況，以此實現(xiàn)對頂板事故的有效預(yù)防。此外，在規(guī)章制度方面，管理人員應(yīng)要求基層作業(yè)人員嚴(yán)格遵守頂板規(guī)程施工，結(jié)合數(shù)據(jù)分析報告制定對應(yīng)的作業(yè)流程，盡可能避免采用炮采作業(yè)方式，以此預(yù)防頂板事故。

4.2 瓦斯事故預(yù)防

要切實預(yù)防井下瓦斯事故則應(yīng)參考以下內(nèi)容：①杜絕火源，杜絕出現(xiàn)違規(guī)熱源問題；井下一切電氣設(shè)備應(yīng)按照規(guī)范進行操作；禁止打開礦燈外殼；對于進口房、瓦斯抽放站等高危設(shè)備應(yīng)劃定防火隔離帶；同時建立巡查制度，針對電氣設(shè)備及供電使用進行規(guī)范落實，消除電器火花；在高熱量設(shè)備表面增加熱量檢測傳感器，并聯(lián)通后臺監(jiān)控終端；同時盡可能優(yōu)化采掘技術(shù)，淘汰放炮制度；②消除瓦斯積聚，在目標(biāo)礦井中應(yīng)積極建設(shè)科學(xué)完善的礦井通風(fēng)系統(tǒng)，及時導(dǎo)出粉塵瓦斯危險物質(zhì)；煤礦企業(yè)應(yīng)進一步落實施工建設(shè)管理，構(gòu)建完善的巡查監(jiān)視制度，要求建立數(shù)據(jù)檔案系統(tǒng)，周期性記錄井下瓦斯數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對瓦斯的全方位管控。

4.3 礦井火災(zāi)事故災(zāi)害防治

礦井火災(zāi)的預(yù)防工作應(yīng)重點參考如下內(nèi)容：在井口房、礦道、井口設(shè)備間、進風(fēng)井筒、礦車場以及其他一切電氣設(shè)備周邊加裝對應(yīng)的隔熱防火材料，形成密閉保護區(qū)域。在通道區(qū)域增加防火門，同時在坑道兩邊一定距離范圍內(nèi)增加防火設(shè)備或自動滅火設(shè)備；當(dāng)條件允許時，可在井下增加消防器材間，或配置移動式井下消防車，從而實現(xiàn)移動式滅火；另外也可在礦井周邊建設(shè)消防水池用以應(yīng)急滅火。

4.4 礦井水害事故災(zāi)害防治

具體方案如下：①技術(shù)人員首先應(yīng)明確工作面透水的主要誘因，結(jié)合礦道周邊巖層出現(xiàn)的積水顏色、氣味、流量等因素進行判斷；②構(gòu)建科學(xué)的排水系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的運行效率，對排水設(shè)備進行周期性排檢，積極落實水患意識培育；③在作業(yè)準(zhǔn)備過程中，技術(shù)人員應(yīng)詳細調(diào)查周邊水文地質(zhì)情況，設(shè)計合理的開采計劃，杜絕亂挖亂采的情況。

4.5 煤塵爆炸事故災(zāi)害防治

針對粉塵爆炸進行防控的主要方案內(nèi)容如下：①在開采作業(yè)準(zhǔn)備階段，首先進行鉆孔，隨后向煤層注入壓力水，進一步增加煤層的整體濕度，從源頭處實現(xiàn)降塵；另外也可針對采空區(qū)進行注水，通過周邊巖層縫隙滲透到煤層中。需要注意的是，在鉆孔過程中，應(yīng)首先將水直接注入到鉆孔底部位置，將鉆孔遺留的粉塵清理完畢后，方可進行加壓注水工作；在進行煤礦開采準(zhǔn)備階段，操作員可采用噴霧灑水降塵工作；另外作業(yè)區(qū)域的氣流應(yīng)控制在1.2～1.6m/s最好，周期性對作業(yè)面以及其他區(qū)域進行清理，對主要大巷道進行表面處理；②使用阻燃效果較強的隔熱材料進行支護的，同時做好機器設(shè)備的靜電防護處理，消除電火花；③在煤礦開采的工作面區(qū)域應(yīng)適當(dāng)加裝隔爆裝置，以此針對已經(jīng)發(fā)生的煤塵爆炸或進行補救，盡可能降低爆炸造成的影響。

5 結(jié)束語

近年來，煤礦地質(zhì)數(shù)量逐漸增加，不利于煤炭開采行業(yè)的安全生產(chǎn)以及可持續(xù)發(fā)展，因此，國土資源部門應(yīng)聯(lián)合地方煤礦龍頭企業(yè)建立災(zāi)害安全預(yù)警機制，通過科學(xué)方法進行地質(zhì)災(zāi)害防治措施，從源頭上消除各類型地質(zhì)災(zāi)害，保證煤礦開采的安全、有序進行。