煤田火区下采煤工作面安全开采影响程度分析

崔 杰，王 伟

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

我国是煤田火区比较严重的国家之一，煤田火直接威胁到煤田火区下采煤工作面的安全开采[1]，煤田火还会产生大量CO、CO2、SO2等有毒有害气体和颗粒物，对生态环境造成极其严重的破坏[2-5]。煤田火的存在严重影响我国煤炭资源的可持续发展，积压煤炭无法安全采出，因此煤田火区下工作面安全开采影响分析研究显得尤为重要。

1 工作面概况

黄白茨煤矿021205 工作面位于1212 采区南翼区域，北为1212 轨道上山，南为五虎山井田边界，西为021203 运输巷，东为021207 回风巷，上部对应为021005 工作面、020905 采空区、020907 采空区，上覆7-1（Ⅲ）煤田火区。工作面标高为+998～+1 021 m，对应地面标高为+1 215～+1 266 m。

021205 工作面所采煤层厚度3.59～4.64 m，平均厚度3.9 m，煤层倾角5°～6°，煤层结构较为复杂，煤层中含5 层厚度大于0.05 m 的夹矸，其中煤层上矸厚度0.4～1.3 m，中矸厚度0.2 m，三矸厚度0.30～0.50 m，其余夹矸厚度为0.05～0.15 m，煤层厚度变化较大。021205 工作面所采煤层为12#煤层，属自燃煤层，自然发火期为4～6 个月。煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为33.8%。

2 煤田火区概况

根据调研及矿井提供的相关资料显示，021205工作面上覆7-1（Ⅲ）煤田火区位于井田东部，面积约17.3 万m2。主要燃烧煤层为2#、4#、7#煤层。7-1（Ⅲ）火区下部有021005 工作面、021205 工作面。

2011 年年底，曾对7-1（Ⅲ）火区进行了治理，治理方式为地面钻孔注液氮，共施工钻孔35 个，注入液氮1 789.98 t。2013 年4 月底，对7-1（Ⅲ）火区地表进行了现场踏勘，火区对应地表存在较多裂隙，部分裂隙内存在冒烟现象，且冒烟位置多。2013 年5月黄白茨煤矿对7-1（Ⅲ）火区地表施工4 个钻孔，并对4 个钻孔注黄沙和水泥浆封孔。2014 年5 月初地表观测没有冒烟现象，但裂隙较多。

针对现场实际，黄白茨煤矿对7-1（Ⅲ）火区对应地表裂隙进行沙土覆盖，封堵漏风通道，并对煤田火区进行了探测。对7-1（Ⅲ）火区采用以同位素测氡法为主，以红外线测温法为辅，结合电磁法进行验证的综合探测方法。根据多种方法综合研究分析，研究区内共划分5 个火区，火区面积共计0.19 km2。根据红外线测温法解释的异常区范围，研究区内高温异常区主要集中在3 个大区域，分别位于研究区的中部，西北部和东部。7-1（Ⅲ）煤田火区对下部021205 工作面的安全开采构成威胁。

3 火区对021205 工作面安全开采影响

3.1 工作面与火区位置关系

021205 工作面与7-1（Ⅲ）煤田火区的位置关系示意图如图1。021205 工作面上部存在020905 采空区、020907 采空区和021005 工作面。

021205 工作面附近地质钻孔编号为94-1 号钻孔，根据94-1 号煤田钻孔柱状图，7#煤层厚度为2.05 m，距离地表约106 m，7#煤层距9#煤层（厚度为3.25 m）78 m，距10#煤层（厚度为2.25 m）82 m，距12#煤层（厚度为3.94 m）115 m。9#、10#煤层倾角均为5°，属近距离煤层群开采煤层，9#煤层与10#煤层间距在南翼为0～2 m，北翼为2～24 m；12#煤层倾角为6°，10#层与12#层间距为35～40 m。

3.2 工作面上覆岩层垮落带及断裂带

图1 021205 工作面与7-1（Ⅲ）火区的位置关系示意图Fig.1 Sketch map of position relationship between working face 021205 and 7-1 (Ⅲ) fire area

工作面上覆岩层的垮落带与断裂带高度与岩层的岩性、工作面采高、煤层倾角、采煤工艺等因素密切相关[6]。021205 工作面回风巷道基本顶为粉砂岩，厚度为10.58～15.85 m，以石英为主，少量长石，夹有黄铁矿薄膜植物化石，致密坚硬性脆，进风巷道基本顶为砂质泥岩，厚度为2.55～4.55 m，以泥质为主次为砂质，含云母及完整的植物叶化石。工作面的直接顶和直接底均为泥岩，以黏土为主，少量粉砂，夹有黄铁矿薄膜植物化石，质坚硬性脆。

3.2.1 垮落带高度

垮落带是指工作面回采后引起的煤层上覆岩体完全垮落的那部分岩层。该层岩石具有不规则性、碎胀性和密实度差的特征，是影响顶板再生和垮落岩块不能隔水的重要原因[7]。021205 工作面顶底板岩性以泥岩为主，根据垮落带最大高度经验公式，工作面上覆岩层垮落带的高度取采高的3～4 倍[8-9]。

021205 工作面采高3.9 m，则垮落带高度为11.7～15.6 m。020905 工作面和020907 工作面采高2.6 m，则垮落带高度为7.8～10.4 m。

3.2.2 断裂带高度

在顶板岩石自由垮落后，垮落带上方的岩层继续下沉弯曲，当期弯曲超过本身强度时，将产生裂隙，以致断裂。这一过程逐层向上发展，直到上覆岩层整体下沉弯曲为止，这部分称为断裂带[10]。断裂带和垮落带之间没有明显的分界线，均属于破坏性影响区[11]。

断裂带高度计算公式[9]见表1。

9#煤层与12#煤层顶板覆岩的岩性均以软弱岩为主，9#煤层采空区断裂带最大高度和12#煤层采空区断裂带最大高度分别为24、31 m。9#、12#煤层采空区断裂带最大高度示意图如图2。

表1 断裂带高度计算公式Table 1 Calculation formula of fracture zone height

图2 9#、12#煤层采空区断裂带最大高度示意图Fig.2 Sketch map of the maximum height of the fracture zone in the goaf of 9# and 12# coal seams

3.2.3 垮落带和断裂带与上覆煤田火区关系

1）从垮落带高度计算结果可知，021205 工作面回采时，上覆岩层垮落最大高度15.6 m，小于12#煤层与10#煤层间的距离（29.9 m）；9#煤层上覆岩层垮落最大高度10.4m，远小于9#煤层与7-1（Ⅲ）火区间的距离（82 m），表明7-1（Ⅲ）火区明火不会窜入021205 工作面。

2）从断裂带高度计算结果可知：根据94-1 号煤田钻孔资料，021205 工作面回采时，上覆岩层断裂带高度最大为31 m，大于12#煤层与10#煤层间距（29.9 m），由于021005 工作面未开采，因此021205工作面开采时不会与10#煤层有裂隙沟通，开采9#煤层时上覆岩层断裂带高度最大为24 m，小于9#煤层与7-1（Ⅲ）火区间距（82 m），断裂带顶部距离7#煤层底板约58 m，且根据94-1 钻孔的地质资料，7#煤层与9#煤层之间存在较厚的泥质页岩，会抑制煤层采动后上部覆岩裂隙的发育高度，因此当021205 工作面回采时，7-1（Ⅲ）煤田火区有毒有害气不会侵入到021205 工作面。

3.3 021205 工作面邻近采空区气体

021205 工作面邻近采空区为021203 采空区，上部021005 工作面尚未回采。根据黄白茨煤矿束管监测数据，在021203 工作面开采过程中未发现CO气体，采空区内也未检测到CO 气体，因此，当021205 工作面开采时，不会受到上部7-1（Ⅲ）火区的有毒有害气体的影响。

4 结 语

1）021205 工作面回采不会受到7-1（Ⅲ）煤田火区明火的威胁。021205 工作面回采时，7-1（Ⅲ）火区有毒有害气体不会侵入到021205 工作面。

2）受工作面的重复采动、煤田火区燃烧层位的变化以及地震等自然因素的影响，裂隙会进一步发育，与正在回采工作面沟通，造成有毒有害气体入侵工作面的可能性，因此021205 工作面回采时，仍需对021205 工作面采空区进行连续监测，并制定相应的技术措施。

3）为确保021205 工作面的安全回采，仍需要对周边的020905 采空区、020907 采空区和021203 采空区的进风、回风密闭进行监测，以便对有害气体入侵工作面及时预警。

4）由于7-1（Ⅲ）煤田火区不仅影响021205 工作面的安全回采，还可能影响备采021005 工作面的回采，因此需要对7-1（Ⅲ）煤田火区进行治理，控制煤田火区的蔓延。