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煤层反采过程中的裂隙漏风及处理 尹玉鹏, 辛 嵩, 张明光, 崔延红 山东科技大学, 山东 青岛 266510 摘 要 我国东部地区矿产资源形势严峻, 多个企业反采以往遗漏的煤层, 创造经济效益。然而, 以往的上行顺序采煤判别方法, 没有对裂隙漏风做详尽的研究, 使得判别方法不合理。分析并介 绍了煤层反采过程中的裂隙漏风问题, 提出了以往判别法中的不合理之处, 并对其进行了初步修 改。对于现有煤矿存在的煤层反采裂隙漏风问题提出了系统的解决方法, 为煤层反采工作起到 一定的指导作用。 关键词 煤层反采; 裂隙漏风; /三带0判别法 中图分类号 TD728 文献标识码 B 文章编号 1003- 496X 2010 01- 0045- 03 1 煤层反采研究的必要性及意义 1 . 1 煤层反采研究的必要性 我国东部地区工业近几年来发展迅速, 煤炭行 业也是如此, 在推动国家经济发展的同时, 也为当地 建设做了巨大贡献。但是目前煤炭可采资源越来越 少, 煤炭行业的总体趋势已经向中西部发展。 东部煤炭企业尤其是省属煤炭企业普遍存在剩 余资源量逐年减少, 后备资源严重不足, 采场接续困 难, 压煤村庄搬迁压力大, 新建矿井埋藏深, 安全生 产管理难, 完全成本逐年加大等难题, 煤炭主业利润 下降的局面将不可避免。数据显示, 山东煤炭储量 仅占全国总储量的 2 . 2 , 而总产量却占全国总产 量的 6 以上。现在山东剩余的煤炭储量按照目前 的生产能力, 只能维持 20 a 。因此, 合理开发资源、 减少开采中的浪费成为了东部地区煤炭企业的主要 生产方针。 1 . 2 煤层反采研究的意义 全国矿产储量委员会 1986年颁发的 5煤炭资源 地质勘探规范6, 对煤炭储量分类做了明确规定 煤 炭储量分为两类。第一类, 能利用储量 指符合当前 煤矿开采经济技术条件的储量; 第二类, 暂不能利用 储量 由于煤层厚度小、 灰分高 或发热量低 , 或水 文地质条件及其他开采技术条件特别复杂等原因, 目前开采有困难, 暂不能利用储量。 煤层反采就是进行第二类煤炭储量的开采。在 目前的煤炭形势下, 东部地区煤炭企业争取最大限 度的开采资源, 减少浪费, 这就需要对过去没有开采 的、 遗漏的煤层, 或者是过去不能开采而现在有能力 开采的煤层进行反采。 煤炭的开采一般都是由上层煤向下层煤开采, 上层煤垮落的采空区对下层煤的影响较小。但是, 在煤炭反采条件下, 反采煤层下遍布垮落的采空区, 使所采煤层的矿压显现规律、 巷道变形规律、 裂隙分 布规律都发生了变化, 给煤层的开采带来了很大的 风险。 目前, 反采技术已经在有的煤矿中得到了应用。 龙口矿业集团北皂矿已成功回采 3个工作面, 回收 油页岩 127万 , t 按目前市场价格吨煤盈利 80元计 算, 创效益 10 160万元, 给煤矿带来巨大经济效益 的同时, 也为煤炭反采技术的可行性进行了证实 112。 2 煤层反采裂隙漏风理论 2 . 1 上行顺序开采的判别方法 煤层反采是煤层上行顺序开采方法的一种形 式。可以采用上行式采煤的条件是 先采下部煤层 不破坏上部煤层的完整性和连续性。上行式采煤的 条件中上下煤层的间距要大, 而且下部煤层与上部 煤层相比能够给煤矿带来更大的经济、 社会效益。 煤层上行顺序开采的判别方法有很多种, 比值 判别法、 /三带 0判别法、 围岩平衡法等 122。比值判 别法是将上下煤层层间距与下煤层采厚的比值与经 验值对比来进行判别的; /三带 0判别法和围岩平衡 法都是在采场上覆岩层垮落带、 断裂带、 弯曲下沉带 分区的基础上进行判别的, 见图 1 。这几种判别法 都是以煤岩层间的力学平衡判别为主要依据, 针对 工作面的支护工作而采取的判别方法, 为上行顺序 开采的可行性评价提供了理论依据。 45 技术经验 煤 矿 安 全 2010- 01 1- 垮落带; 2- 断裂带; 3- 弯曲下沉带 图 1 采场上覆岩体分区 2 . 2 煤层反采裂隙漏风 几种上行顺序开采的判别方法都是针对煤岩层 的稳定性来进行界定的, 没有考虑下位煤层的开采 对上位煤层的通风系统的影响。通风系统是矿井生 产的安全保障, 是解决人体呼吸、 瓦斯灾害、 热害、 防 灭火等问题的关键技术, 其作用与地位不容忽视。 因此, 对于开采下位煤层对上位煤层通风系统的影 响要做深入的研究。下位煤层对上位煤层的漏风源 有 2个 采空区与废弃密闭的巷道。 2 . 2 . 1 采空区裂隙漏风 采空区上部的漏风是通过采空区垮落造成的裂 隙形成的。采场上覆岩体分为垮落带、 断裂带和弯 曲下沉带 3个区域。垮落带的岩层大部分已经破 碎; 断裂带的岩层裂隙很多, 但经过一定时间的压实 之后, 岩层受力趋于稳定; 弯曲下沉带裂隙较少, 岩 层下降幅度较小, 由于整体性向下移动而没有造成 较大程度的破坏。垮落下沉的岩层经过一段时间的 压实, 趋于稳定, 基本不会影响上下煤层的开采。因 此, 在沿工作面推进方向上可分为原始应力区 A、 煤 壁支撑区 B、 离层区 C、 重新压实区 D 及稳定区 E, 如图 1所示。 通过分析采空区上覆岩层的破坏程度, 可以得 出结论 垮落带内岩层破坏严重, 无法完成支护工 作; 断裂带内的岩层经过压实并采取一定技术和安 全措施, 可以支护, 但是, 其中大量的裂隙会对通风 造成极大影响, 不能保证安全生产; 弯曲下沉带内支 护简单, 裂隙较少, 对上位煤层的通风影响较小。因 此, 上位煤层的巷道要布置在采空区弯曲下沉带以 上, 才能保证岩层的稳定和通风安全。 2 . 2 . 2 废弃巷道漏风 裂隙漏风除了向塌陷采空区内漏风外, 也有很 大一部分情况向废弃密闭的巷道内漏风。向采空区 内的漏风会引起采空区内的煤炭自然发火, 而向废 弃密闭巷道内的漏风除了有可能引起废弃煤巷自然 发火外, 还可能影响现有通风巷道的通风, 引起瓦斯 超标, 影响现有采面的正常工作。 煤矿井下已经采完的煤层, 采空区大部分采用 垮落的方式处理, 废弃巷道在与其它巷道的连接处 建立永久密闭隔绝风流。永久密闭常用料石、 砖、 水 泥等不燃性材料修筑, 要求严密不漏风, 墙体厚度 \ 0 . 5 m。然而, 就算采用目前最先进的堵漏风技术, 漏风依然存在, 尤其在密闭两侧的压差较大时, 漏风 量不容忽视。因此, 在废弃已经密闭的巷道内依旧 有小量的风流在流动, 这部分风流一方面将密闭空 间内的瓦斯浓度稀释, 一方面将采空区和废弃巷道 内积聚的瓦斯带到了在用的通风系统内, 使局部瓦 斯浓度大幅度提高。 瓦斯在空气中的爆炸下限是 5 6 , 上限为 14 16 。密闭巷道内的瓦斯浓度一般都高于瓦 斯的爆炸上限, 因此, 密闭内的瓦斯不具有爆炸性。 但经过稀释后的瓦斯浓度就可能会处在瓦斯的爆炸 界限之内。废弃巷道内的煤炭自燃会点燃瓦斯。此 外, 采空区内砂岩悬顶冒落时产生的碰撞火花, 也能 引起瓦斯的燃烧和爆炸。原苏联的研究认为, 岩石 脆性破裂时, 它的裂隙内可以产生高压电场 达 108 V /cm, 电场内电荷流动, 也能导致瓦斯燃烧 132。 从之前煤层上行顺序开采的判别方法中可以发 现裂隙漏风在这些判别方法中并没有多少考虑, 布 置在采空区断裂带内的煤层会因为大量的裂隙引起 各种漏风问题。而煤层反采过程中的裂隙漏风是一 个严重影响井下安全生产的重大问题, 是以往下行 开采顺序的煤矿所不曾涉及到的问题, 应该引起相 关部门的注意。 3 煤层反采裂隙漏风的分析处理 如果煤矿出现了下位煤层向上位煤层漏风的问 题, 应该立即进行分析处理, 避免事故的发生。 以山东一煤矿为例, 分析一下煤层反采的裂隙 漏风处理问题。 3 . 1 煤层及裂隙分布概况 该矿某处地质剖面图自上而下分布着煤 1 、 煤 2 、 煤 4共 3层煤。煤 1由于煤层薄、 地质条件复杂、 开采技术条件不够, 在开采初期没有进行开采利用。 但在煤 2和煤 4开采完之后, 开采技术已经完善, 需 要重新对煤 1进行开采。 在煤 2采动影响下煤 1裂隙变化规律是 1采动次生裂隙在原生裂隙基础上进一步发 育, 将已闭合的原生裂隙进一步拉开, 裂隙宽度和长 度进一步增大。 2煤 1上2裂隙的连通性并不发育, 垂直裂隙上 46 煤 矿 安 全Total423 技术经验 下多呈不连续状态, 煤 1上 1受采动影响次生裂隙较 为发育。 经过分析, 煤 2之上 24 m和 45 m左右分别为 矿区煤系地层 2个主要含水层泥岩夹泥灰岩互层和 泥灰岩含水层, 受煤 2和煤 4层开采影响后, 煤 1层 裂隙基本是在原生裂隙的基础上变化, 无明显的新 生裂隙, 裂隙间连通性较差。煤层反采过程中, 导水 裂隙带高度未波及到泥岩夹泥灰岩互层和泥灰岩含 水层。总之, 由于其地质特点, 该矿反采煤层的裂隙 较少。 3 . 2 生产中发现的漏风问题及分析 如图 2所示, 通风系统中出现的主要问题有 1在 处, 有风流向上位煤层煤 1某工作面 的进风顺槽内漏风, 同时在处的密闭检测到有风 流漏到回风大巷中。煤 1在 处的进风顺槽与煤 2 的轨道上山距离很小, 因此, 可以判断漏风有很大可 能是从煤 2的废弃巷道流向煤 1 。 2在处密闭以内的巷道内安装有束管, 某 段时间经检测巷道内瓦斯浓度达到 24 , 没有爆炸 危险; 但漏风持续一段时间之后, 巷道内的瓦斯浓度 降到了 2, 虽然仍旧没有爆炸危险, 但是, 其间经 历的 5 16 却是瓦斯的爆炸界限。 3在下位煤层煤 2的巷道 处有一段煤巷, 存在自然发火的危险。而且, 废弃采空区内仍有其 它引起瓦斯事故的因素存在。 图 2 通风系统示意图 3 . 3 对漏风问题的处理及效果 由于煤矿特殊的地质条件, 提出假设 通风系统 其它地点没有漏风, 漏风完全是由下位煤层漏出的。 于是, 可能向进风顺槽漏风的煤 2巷道有轨道上山 和采空区。 采空区的漏风可能是由和 处的密闭漏风引 起的。但经过压能分析, 和 处的压能都比 处 的低, 如果有漏风, 漏风的方向会是由顺槽向采空区 漏风。这与实际情况不符合, 由此判断风流不是由 采空区漏出的。 轨道上山的漏风只可能是在 处密闭。在处 通过密闭上设置的观测孔管, 注入示踪气体进行漏 风测定。释放示踪气体 SF6后, 在 处之后的进风 顺槽内采样, 在 处利用束管抽样, 2个空气样品中 都检测到了 SF6气体。于是, 采用粉煤灰注浆堵漏 技术对处的巷道裂缝进行处理; 对 和 处的密 闭砌体与边槽之间的空隙用水泥砂浆重新充填严 实; 密闭表面重新抹面, 做到 1 . 0 m长度内凸凹高差 [ 10 mm, 无裂缝、 无空缝, 严密不漏风。处理之后, 和 处的漏风消失了, 从而验证了前边的假设, 说 明这两处的漏风源都在 处密闭。 4 结 论 1随着东部资源的开采, 资源量减少, 煤矿目 前需要对开采初期的遗留煤层进行反采。 2煤层反采的判别方法中, 并没有对裂隙漏 风问题进行研究。因此, /三带 0判别法应该将可采 煤层规定在下位煤层采空区的弯曲下沉层以上。而 且, 其它判别方法中对层间距离的判断标准数值需 要进行修改。 3在煤层反采出现裂隙漏风之后, 应该针对 煤矿的地质水文条件, 对裂隙漏风的风路进行分析, 提出所有可能性。然后, 选取合适的方案, 通过示踪 气体确定风路, 对漏风源进行处理, 解决漏风问题。 4对于存在特殊地质构造的煤矿, 如有含水 层、 软岩层等, 应该利用这种构造设计合理的检测、 封堵漏风方案。 参考文献 112 包政礼, 曲祖俊. 油页岩反采技术研究与实践 1 J2. 中 国煤炭, 2008 4 61- 63. 122 杜计平, 汪理会. 煤矿特殊开采方法 1M2. 徐州 中国 矿业大学出版社, 2003. 132 张国枢. 通风安全学 [M ]. 徐州 中国矿业大学出版 社, 2000. 142 曲祖俊, 李友初, 张金常, 等.2006中国科协年会论文 集1C2. 北京煤炭工业出版社, 2006. 作者简介尹玉鹏 1985- , 男, 山东临朐人, 山东科技 大学硕士研究生, 从事煤矿通风安全工作的研究, 发表论文 1篇。 收稿日期 2009- 04- 24;责任编辑 郭瑞年 47 技术经验 煤 矿 安 全 2010- 01