賈建稱,董 夔,吳 艷,鞏澤文,吳敏杰
(1.煤炭科學研究總院,北京 100013; 2.中煤科工集團西安研究院有限公司,西安 710054)
確定礦井(井工煤礦)地質(zhì)類型是煤礦企業(yè)合理安排生產(chǎn)接續(xù)、優(yōu)化開采設(shè)計、有針對性地開展隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素排查、有效防治煤礦重特大災(zāi)害事故的地質(zhì)依據(jù),也是煤礦安全監(jiān)察機構(gòu)監(jiān)督檢查和分類指導(dǎo)煤礦安全生產(chǎn)的工作依據(jù)。我國礦井地質(zhì)類型劃分工作始于20世紀80年代,20余年來我國煤礦開采地質(zhì)條件、礦井地質(zhì)保障能力、煤炭行業(yè)管理體制、煤礦數(shù)量與生產(chǎn)規(guī)模發(fā)生了深刻變化,一系列新的標準和規(guī)范相繼施行,為了更好地滿足現(xiàn)代化礦井安全高效生產(chǎn)對地質(zhì)條件查明程度的需求,原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局/國家煤礦安全監(jiān)察局于2011年提出并組織修訂《礦井地質(zhì)規(guī)程》(試行)[1],2013年底印發(fā)了《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》[2](以下簡稱地質(zhì)規(guī)定),自2014年3月1日起正式實施。《地質(zhì)規(guī)定》施行5年來,對于加強和規(guī)范煤礦地質(zhì)工作、促進隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素普查技術(shù)進步、有效預(yù)防煤礦地質(zhì)災(zāi)害事故等起到了積極的推動作用,但在執(zhí)行中也出現(xiàn)了這樣或那樣的問題?,F(xiàn)根據(jù)作者參加2016—2018年全國部分省(區(qū))礦井隱患排查治理、煤礦全面安全體檢,以及審查一些主要產(chǎn)煤省(區(qū))煤礦地質(zhì)類報告和多年從事礦井地質(zhì)工作的體會,討論礦井地質(zhì)類型劃分中的一些問題。
依規(guī)劃分礦井地質(zhì)類型、按時提交《礦井地質(zhì)類型劃分報告》,是《地質(zhì)規(guī)定》對煤礦地質(zhì)工作的基本要求,也是煤礦企業(yè)地質(zhì)工作的主要任務(wù)之一,但實際工作中存在以下問題。
(1)礦井地質(zhì)類型劃分工作覆蓋面不全?!兜刭|(zhì)規(guī)定》第十三條和第十五條規(guī)定了劃分礦井地質(zhì)類型的時間、報告編寫綱要和評定要求,即礦井首部地質(zhì)類型劃分報告應(yīng)在基建礦井移交生產(chǎn)后1年內(nèi)提交,之后每5年應(yīng)重新確定;當煤礦發(fā)生突水和煤與瓦斯突出等影響礦井地質(zhì)類型劃分的地質(zhì)依據(jù)變化時,煤礦應(yīng)在1年內(nèi)重新劃分地質(zhì)類型;礦井地質(zhì)類型劃分報告由煤礦企業(yè)總工程師組織審定。在檢查的92對生產(chǎn)礦井中,有27個煤礦無礦井地質(zhì)類型劃分報告,占29.35%;4對發(fā)生事故煤礦的礦井地質(zhì)類型劃分報告已過時,12個煤礦企業(yè)自編的礦井地質(zhì)類型劃分報告未經(jīng)審定,占13.04%。礦井地質(zhì)類型劃分與審定工作未實現(xiàn)全覆蓋。
(2)礦井地質(zhì)類型劃分的基礎(chǔ)資料不足。礦井地質(zhì)類型劃分報告是煤礦地質(zhì)工作成果的集中體現(xiàn)和礦井開發(fā)地質(zhì)條件的科學總結(jié),以井田地質(zhì)勘探(詳終)資料、礦井(水文)地質(zhì)補充勘探報告、資源/儲量核實報告、礦井水文地質(zhì)類型劃分報告、煤層瓦斯參數(shù)測試報告、礦井瓦斯等級鑒定報告、煤巖沖擊傾向性鑒定報告、沖擊危險性評價報告、礦井煤層頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)測試報告、地震勘探報告、電法勘探報告、煤礦未來5年生產(chǎn)接續(xù)計劃,井下見煤點煤層觀測臺賬、地質(zhì)構(gòu)造臺賬、巖漿巖和陷落柱臺賬、瓦斯涌出量臺賬、涌水量臺賬、測溫點臺賬、煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)觀測臺賬,井田及周邊煤礦調(diào)查表、斷層與褶皺統(tǒng)計表、煤質(zhì)綜合成果表、煤炭資源/儲量估算基礎(chǔ)表與匯總表,以及《地質(zhì)規(guī)定》附錄A.10附圖與主要井巷地質(zhì)素描圖為基礎(chǔ),經(jīng)分析研究編寫而成。實際上,大部分煤礦的這些資料不全,尤其是缺少煤層瓦斯參數(shù)測試報告、煤巖沖擊傾向性鑒定報告、地質(zhì)構(gòu)造臺賬、井下見煤點煤層觀測臺賬、井下測溫點臺賬、井下煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)觀測臺賬,礦井及周邊煤礦調(diào)查表,以致對煤層可采程度與穩(wěn)定性、瓦斯類型、頂?shù)装孱愋偷脑u價依然使用煤(井)田地質(zhì)勘查階段的資料,礦井地質(zhì)類型劃分依據(jù)不充分,劃分結(jié)果對礦井安全生產(chǎn)的指導(dǎo)價值不高。
(3)確定礦井地質(zhì)類型的范圍理解有偏差。是以礦井范圍的地質(zhì)因素為依據(jù)來確定礦井地質(zhì)類型,還是以水平、采區(qū)、采面的地質(zhì)因素復(fù)雜程度來確定礦井地質(zhì)類型,歷來是有爭議的[3]?!兜刭|(zhì)規(guī)定》第十四條指出:一個礦井原則上只評定劃分一種地質(zhì)類型,但礦井開采地質(zhì)條件有明顯分區(qū)規(guī)律時,可分區(qū)、分煤層劃分地質(zhì)類型。實踐中,91.4%的煤礦提交的涉及礦井地質(zhì)類型劃分的地質(zhì)類報告是以整個礦井為評價對象,以井田勘查階段的地質(zhì)資料為藍本進行的。沒有很好地利用建井以來采掘工程揭露的地質(zhì)信息,更缺乏對礦井地質(zhì)規(guī)律的總結(jié)和對生產(chǎn)接續(xù)區(qū)開采地質(zhì)條件的預(yù)測。這不符合礦井地質(zhì)類型劃分的初衷和《地質(zhì)規(guī)定》的本意。
(4)對一些劃分依據(jù)的理解欠準確。礦井地質(zhì)類型是根據(jù)構(gòu)造復(fù)雜程度、煤層穩(wěn)定程度、瓦斯類型、水文地質(zhì)類型和其它開采地質(zhì)條件,按照統(tǒng)一劃分標準和“就高不就低”的原則來確定的。這5項劃分依據(jù)具有同等重要地位,但部分是定性的,準確把握有一定難度,導(dǎo)致劃分結(jié)果不具有唯一性。92個煤礦通過評審的53部礦井地質(zhì)類型劃分報告中,對地質(zhì)類型確定正確的僅有16部,正確率不足31%。陜西省是產(chǎn)煤大省,也是煤炭科技強省。為了全面加強和規(guī)范全省煤礦地質(zhì)工作,強化地質(zhì)災(zāi)害勘查研判和風險管控,嚴防煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素誘發(fā)煤礦地質(zhì)災(zāi)害事故,省煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)督管理局[4]決定在全省集中開展煤礦地質(zhì)報告修編工作(陜煤局發(fā)〔2017〕11號),并給出了編寫提綱。經(jīng)專家組評審,各礦提交的地質(zhì)報告(修編)的一次性通過率僅為32.67%,有43.1%的報告經(jīng)過3~4次修改方通過評審。地質(zhì)報告(修編)一次性通過率低的主要原因是礦井地質(zhì)類型劃分不合規(guī)。
準確把握礦井開采地質(zhì)條件及其對煤礦安全生產(chǎn)的影響程度,是正確劃分礦井地質(zhì)類型的前提。
地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度是以斷層、褶皺、巖漿巖是否影響采區(qū)的合理劃分和采煤工作面的連續(xù)推進為依據(jù)分類的,以三個因素中復(fù)雜程度最高的一項來定型。這傳承了《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215-2002)[5]附錄D1和《礦井地質(zhì)規(guī)程》(試行)[1]的精髓,與之具有一致性,問題主要出在對斷層影響程度的評判上。我國大部分煤礦做過采區(qū)三維地震勘探,落差5m以上的斷層和3~5m的斷點得到有效控制,但在構(gòu)造探采對比時,很少有煤礦結(jié)合礦井煤層條件來闡明斷層對采區(qū)布置和工作面連續(xù)推進的影響;有的煤礦將地震斷層全部視為已知斷層,與礦井揭露斷層一起優(yōu)化采區(qū)和工作面后,來評價斷層對采區(qū)合理劃分和工作面連續(xù)推進的影響,在一定程度上降低了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度級別。
斷層對采區(qū)合理劃分和工作面連續(xù)推進的影響評價,是以井田勘探斷層對礦井設(shè)計劃分的采區(qū)合理性和工作面連續(xù)推進的影響。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度劃分應(yīng)結(jié)合探采對比揭示礦井構(gòu)造發(fā)育規(guī)律,從中去偽存真,進而構(gòu)造形跡,尤其是礦井斷層規(guī)模、產(chǎn)狀、落差與煤層厚度結(jié)合起來,綜合評價礦井構(gòu)造復(fù)雜程度類型。
煤層穩(wěn)定性和煤層穩(wěn)定程度是密切相關(guān)、又顯著區(qū)別的兩個概念?!兜刭|(zhì)規(guī)定》中對煤層穩(wěn)定性評價沿用了《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215-2002)[5]及其實施指導(dǎo)意見[6]、《礦井地質(zhì)規(guī)程》[1]的有關(guān)標準,即以煤層厚度及其變化規(guī)律、煤層結(jié)構(gòu)、煤類、煤層可采程度作為分類依據(jù),按四個因素中穩(wěn)定性最低的一項確定類型。煤層穩(wěn)定程度類型是以不同穩(wěn)定性類型的煤層煤炭資源/儲量占全礦井煤炭資源/儲量的比例來確定的,因此準確劃分煤層穩(wěn)定性類型是正確確定煤層穩(wěn)定程度的基礎(chǔ)。
煤層穩(wěn)定性評價涉及的內(nèi)容較多,主要誤解是對煤層結(jié)構(gòu)、煤類和煤層可采程度、其它開采地質(zhì)因素類型的確定。
2.2.1 煤類
煤層穩(wěn)定性評價中的煤類是在《中國煤炭分類》(GB/T 5751-2009)[7]基礎(chǔ)上,按照煤的工業(yè)用途分為褐煤、煉焦用煤(具有黏結(jié)性的氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤)、非煉焦煙煤(長焰煤、不黏煤、弱黏煤、貧煤)、無煙煤等四類。據(jù)此評價煤類是否單一。
2.2.2 煤層結(jié)構(gòu)
聚煤盆地中泥炭層堆積是均衡補償、欠補償與過渡補償作用的反復(fù)交替過程,因此煤層內(nèi)和煤層間常有非煤巖石分布,煤層內(nèi)的非煤巖石以往被稱為夾矸。《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0215-2002)[5]及其實施指導(dǎo)意見[6]根據(jù)煤層中夾矸數(shù)量及分布特征,將煤層結(jié)構(gòu)分為四類,實際工作中把握起來有一定的人為性。趙明鵬等[8]根據(jù)煤層中夾石的形態(tài)、連續(xù)性和產(chǎn)狀等,將夾石分為夾矸和夾層。按照煤層中夾矸和夾層的數(shù)量及其分布特征來劃分煤體結(jié)構(gòu),對于評價一個具體的開采單元的煤層結(jié)構(gòu)來說簡單而實用。
2.2.3 煤層可采程度
煤層可采程度分為可采煤層和不可采煤層,是以全部或基本全部符合煤炭資源/儲量估算指標的、具有技術(shù)經(jīng)濟與環(huán)境效益的某一煤層(集中)分布面積占井田面積的比例為依據(jù)劃分的。也就是說,在礦井資源/儲量估算范圍內(nèi),如果某一煤層的厚度、灰分、硫分、發(fā)熱量等全部符合資源/儲量估算指標,且目前能夠被開采利用的該煤層的集中成片分布面積約占井田面積的1/3,無論有幾片,均屬于局部可采煤層;如果該煤層在井田范圍內(nèi)可被全部開采利用,屬于全區(qū)可采煤層;如果該煤層的可采程度介于前兩者之間,則屬于大部分可采煤層。如果某個煤層的煤質(zhì)中有一項不符合資源/儲量估算指標、或目前不具有開采利用價值,無論其面積或集中分布片數(shù)多寡,均為不可采煤層。
其它開采地質(zhì)條件包括煤層頂?shù)装孱愋汀⒚簩觾A角和其它特殊地質(zhì)因素。礦井地質(zhì)類型劃分中對其它開采地質(zhì)條件類型的確定出現(xiàn)問題比較多的是煤層頂?shù)装搴偷責帷?/p>
2.3.1 煤層頂?shù)装?/p>
煤層頂、底板指正常層序的含煤地層剖面中,位于煤層之上、下面一定距離內(nèi)的巖層。它可以由單一巖石構(gòu)成,也可以是2~3中巖石互層,或以一種巖石為主夾其它巖石薄層構(gòu)成。《地質(zhì)規(guī)定》中煤層頂?shù)装孱愋偷拇_定是以頂?shù)装迤秸潭?、巖石堅硬程度、巖體完整程度、裂隙(節(jié)理)的發(fā)育程度為依據(jù),采用定性與定量相結(jié)合的方法進行綜合評價。因此,劃分煤層頂?shù)装孱愋图纫脦r石飽和單軸抗壓強度、巖體完整性指數(shù)來定量評價,還要根據(jù)井下觀測煤層頂?shù)装宓陌纪範顩r、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度進行定性評價,不宜單純用煤層頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)確定煤層頂?shù)装孱愋汀?/p>
2.3.2 地熱
礦井巷道和工作面的空氣溫度除受地熱影響外,入風氣溫、機電照明設(shè)備散熱、煤或硫化物氧化放熱、風流自重壓縮放熱、人體散熱等也是主要的熱源,因此井下空氣溫度往往比鉆孔測溫的高。煤田地質(zhì)勘查階段通過鉆孔溫度測量,利用地熱梯度和原始巖溫預(yù)測未來采場的地溫狀況,劃分熱害區(qū)范圍,地熱危害程度應(yīng)以熱害等級來表征。
礦井地質(zhì)類型劃分工作的任務(wù)是厘清礦井開采地質(zhì)條件,目的是合規(guī)確定礦井地質(zhì)類型,目標是為合理安排生產(chǎn)接續(xù)、指導(dǎo)煤礦安全高效生產(chǎn)服務(wù)。礦井地質(zhì)類型劃分依據(jù)體現(xiàn)了礦井開采地質(zhì)條件的自然屬性,其復(fù)雜程度反映了煤礦生產(chǎn)受地質(zhì)因素的潛在威脅程度。因此,煤礦企業(yè)應(yīng)充分認識礦井地質(zhì)類型劃分的必要性和重要性,認真履行企業(yè)安全生產(chǎn)主體責任,切實加強和規(guī)范地質(zhì)工作,認真收集和完善礦井地質(zhì)類型劃分所需的資料,依規(guī)確定礦井地質(zhì)類型,按時提交礦井地質(zhì)類型劃分報告。
《地質(zhì)規(guī)定》附錄A和附錄B分別給出了礦井地質(zhì)類型劃分報告和煤礦(建礦、生產(chǎn))地質(zhì)報告的編寫提綱。段中會等[9]對比兩者異同后認為,煤礦地質(zhì)報告涵蓋了煤礦地質(zhì)類型劃分報告內(nèi)容,建議將后者并入前者中。實際上,礦井地質(zhì)類型劃分報告?zhèn)戎赜诶迩搴驮u定礦井開采地質(zhì)條件。煤礦地質(zhì)報告采掘工程現(xiàn)狀、資源/儲量和探采對比,確定礦井地質(zhì)類型只是其中一節(jié)內(nèi)容。就像水文地質(zhì)類型劃分報告是礦井地質(zhì)類型劃分的基礎(chǔ)一樣,礦井地質(zhì)類型劃分報告是煤礦(建礦、生產(chǎn))地質(zhì)報告編制不可或缺的素材。
時間上,《地質(zhì)規(guī)定》地七十四條要求基建礦井移交生產(chǎn)前6個月,煤礦建設(shè)單位應(yīng)組織編寫《建礦地質(zhì)報告》。那么,礦井首部地質(zhì)類型劃分報告最晚應(yīng)在基建礦井移交生產(chǎn)前6個月內(nèi)提交。
我國煤田開發(fā)地質(zhì)條件千差萬別,同一井田的開采地質(zhì)條件也具有非均一性,即整體“簡單”中有“復(fù)雜”區(qū)域、整體“復(fù)雜”中有“簡單”區(qū)域。《地質(zhì)規(guī)定》第十五條意味著人們對礦井開采地質(zhì)條件的認識是一個循序漸進的過程,劃分礦井地質(zhì)類型具有繼承性和階段性,與這種階段性相對應(yīng)的是采掘空間的變化,現(xiàn)代化煤礦安全高效生產(chǎn)更需要地質(zhì)工作能夠準確預(yù)測礦井生產(chǎn)接續(xù)區(qū)的地質(zhì)條件。井田地質(zhì)勘探(包括專項補充勘探)已查明了礦井開采地質(zhì)條件及其變化規(guī)律,礦井建設(shè)生產(chǎn)工程揭露的地質(zhì)資料也佐證了礦井開采地質(zhì)條件的規(guī)律性,煤礦具備以分采區(qū)、分煤層劃分地質(zhì)類型來反映礦井地質(zhì)類型的條件。因此,確定礦井地質(zhì)類型應(yīng)以未來5年生產(chǎn)接續(xù)區(qū)為評價對象,利用已采區(qū)的地質(zhì)規(guī)律科學預(yù)測接續(xù)區(qū)的地質(zhì)條件,根據(jù)預(yù)測成果確定礦井地質(zhì)類型。只有這樣,才能客觀反映礦井地質(zhì)類型的唯一性與多樣性,才能將礦井地質(zhì)條件與煤礦建設(shè)和安全開采結(jié)合起來,提交的成果才是煤礦企業(yè)所需要的[9]。
為了將礦井地質(zhì)類型與煤礦建設(shè)與安全開采更緊密地聯(lián)系起來,體現(xiàn)礦井地質(zhì)類型劃分的客觀性和唯一性,應(yīng)對影響礦井地質(zhì)類型劃分的一些因素進行量化。
3.4.1 斷層
斷層產(chǎn)狀、落差和密度是影響采區(qū)劃分和工作面安全推進的重要參數(shù)。礦井內(nèi)隱伏有中型斷層(落差>煤厚)時,影響水平和采區(qū)的合理劃分;采區(qū)內(nèi)有小型斷層(煤厚≥落差>1/2煤厚)時,給回采和掘進帶來困難[10]。建議將斷層平面長度超過采區(qū)傾向長度、落差超過煤厚的,認定其影響采區(qū)合理劃分和工作面連續(xù)推進;斷層落差超過1/2煤厚便可認定為對采煤工作面連續(xù)推進有一定影響;斷層密度(α)1條/5m以上的,屬于斷層極發(fā)育;1條/10m<α≤1條/5m的,屬于斷層發(fā)育;α≤1條/10m以上的,屬于斷層較發(fā)育。在此基礎(chǔ)上確定斷層復(fù)雜程度類型。
3.4.2 煤層結(jié)構(gòu)
考慮到中國聚煤盆地演化的多期多幕性和盆地內(nèi)聚煤環(huán)境的各向異性,及對開采技術(shù)和工藝的影響程度,將不含夾層、或局部含1個夾矸的煤層稱為簡單結(jié)構(gòu);將含1個夾層、或局部含1~2個夾矸的煤層稱為較簡單結(jié)構(gòu);將含2層夾層、或局部含2~4個夾矸的煤層稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu);將含2個以上夾層、或局部含4個以上夾矸的煤層稱為極復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
3.4.3 煤層頂?shù)装孱愋?/p>
煤層頂?shù)装迤秸€是凹凸不平、頂板完整性和裂隙發(fā)育程度,是通過井下觀測得到的。頂?shù)装迤秸€是凹凸不平、頂板是否松軟破碎易于觀測和鑒別,裂隙發(fā)育程度應(yīng)在現(xiàn)場統(tǒng)計的基礎(chǔ)上給予定量表達。分析煤層頂板巖石類型與裂隙密度對冒頂?shù)目刂疲ㄗh用裂縫密度(δ)表征裂隙的發(fā)育程度,即δ≥3條/5m,屬于裂隙發(fā)育類型;1條/5m≤δ<3條/5m,屬于裂隙比較發(fā)育類型;1條/10m≤δ<1條/5m,屬于裂隙不很發(fā)育類型;δ<1條/10m,屬于裂隙不發(fā)育類型。
3.4.4 其它特殊地質(zhì)因素類型
《地質(zhì)規(guī)定》以陷落柱、沖擊地壓、地熱和天窗等地質(zhì)因素的危害程度定性確定其它特殊地質(zhì)因素的類型。為便于掌握和統(tǒng)一劃分結(jié)果,建議以生產(chǎn)接續(xù)區(qū)工作面陷落柱數(shù)量、沖擊地壓危險程度[11-12]、熱害區(qū)和天窗的面積占比來定量表征(表1)。
表1 其它特殊地質(zhì)因素類型評價表
注:無沖擊危險,Wt<0.3;弱沖擊危險,0.3≤Wt<0.75;強沖擊危險,0.75≤Wt<0.95;不安全,Wt>0.95。
1)煤礦企業(yè)應(yīng)將礦井地質(zhì)類型劃分作為落實企業(yè)安全生產(chǎn)主體責任的工作內(nèi)容,不斷加強和規(guī)范地質(zhì)工作,充分收集礦井地質(zhì)類型劃分所需的基礎(chǔ)資料,依規(guī)按時提交地質(zhì)類型劃分報告。
2)礦井首部地質(zhì)類型劃分報告應(yīng)在基建礦井移交生產(chǎn)前6個月內(nèi)提交。
3)礦井地質(zhì)類型劃分報告應(yīng)將礦井地質(zhì)條件與煤礦安全生產(chǎn)建設(shè)結(jié)合起來,以未來5a生產(chǎn)接續(xù)區(qū)為評價對象,根據(jù)預(yù)測的接續(xù)區(qū)開采地質(zhì)條件來合規(guī)確定礦井地質(zhì)類型。
4)礦井地質(zhì)類型劃分是一定時期對礦井開采某一區(qū)域的地質(zhì)條件的歸納和歸類,為了體現(xiàn)礦井地質(zhì)類型劃分的唯一性,應(yīng)對影響地質(zhì)類型的地質(zhì)因素的復(fù)雜程度評價進行量化。提出斷層落差超過1/2煤厚便可認定對工作面推進有一定影響,用斷層密度表征斷層的發(fā)育程度,用裂隙密度表征裂隙的發(fā)育程度,用煤層夾層和夾矸的數(shù)量確定煤層結(jié)構(gòu)類型,以生產(chǎn)接續(xù)區(qū)工作面內(nèi)陷落柱數(shù)量、沖擊地壓危險程度、熱害區(qū)和天窗的面積占比來表征其它特殊地質(zhì)因素復(fù)雜程度。建議將上述各因素的四分法應(yīng)用到礦井地質(zhì)類型確定中。