影响深部采区开采的主要因素及对策.pdf

2 0 1 2年 8月第 2 2 期 S c i e n c e T e c h n o l o Vi s i o n 科 技 视Wi t 矿业科技 影响深部采区开采的主要因素及对策 陈凤安 中煤大屯公司徐庄煤矿江苏沛县2 2 1 6 1 1 【 摘要】 通过对中煤大屯公司徐庄煤矿以后将要进行深部开采将遇到的地压、 地热、 瓦斯等自然因素客观分析与研究， 从 而为科学合理定制深部开采方法， 保证安全生产而提供可靠依据。 【 关键词】 深部开采； 系统分析； 地压地热瓦斯 1 矿井储量概况 中煤大屯徐庄煤矿采用竖井石门、 分水平多阶段开拓方 式。煤炭储量分布在井筒东、 西两翼 ， 主采煤层分别为 7 、 8 ≠ } 煤层。 1 9 7 9年 1 2月份投产以来 。 随着矿井对浅部可采煤层的 回采 ， 其浅部井田实际剩余回采储量已不足千万吨， 井田大 量的煤炭资源均分布在井田深部。尤其是井田西翼煤炭由于 浅部煤层受到火成岩的侵蚀， 资源全部集中在深部 ， 井田深 部煤炭资源的可采储量超过亿吨， 矿井今后几年将不可避免 的面临深部开采的现状， 因此分析影响矿井深部采区开采的 所遇主要因素已成为徐庄煤矿当务之及。 2 深部采区开采影响因素分析 根据近几年徐庄煤矿已经完成的深部水平一 7 5 0东 西 翼大 巷开拓及 Ⅱ1 、 Ⅱ3采区上 山掘进 工作 ． 及一 7 5 0 m水平其 它的掘进活动 尤其是 Ⅱ3 采区探煤上山掘进过程中及后期 的矿压显现和 Ⅱ3采区放水巷掘进过程中遇到的高温热害 并参考国内其他一些深部矿井开采的实际开采情况总结出 影响其深部开采的因素有如下。 2 ． 1 矿压显现加剧 ， 巷道维护困难 徐庄煤矿一 7 5 0 m水平大巷掘进过程中． 在掘进头后面巷 道就出现了不同程度的围岩开裂、 底鼓、 甚至顶板下沉现象， 尤其在 Ⅱ3采区上山掘进及采区巷道准备期间矿压显现更为 严重。Ⅱ3 采区自一 7 5 0 水平沿煤层倾斜方向布置三条上 山 至一 5 5 0水平 ， 即轨道上山 、 皮带上山和通风行人上山 。 回风上 山、 轨道上山和皮带上山在层位上均布置在八煤层底板岩石 中，为探明采区煤层产状还沿 7煤顶板布置一条探煤上山。 采区轨道上山和通风行人上山倾角均为 1 8 。 3 O ， 皮带上山倾 角为 1 6 。 。四条上山分别 自2 0 0 7年 9月、 2 0 0 7年 3月、 2 0 0 8 年 8月开始组织掘进施工 ， 根据观测， 自掘进工程完成后至 2 0 0 9年底处于煤层底板下 方的三条岩石 上 山分别 出现顶板 开裂 过断层及穿煤层段更为严重 、 底板鼓起 4 0 0 m m以上 ， 但未发现明显的两帮及顶板位移。围岩位移较为明显的是探 煤上山 ．自掘进结束后半年内顶 、底板及两帮位移达到 5 0 0 ra m以上 。 出现失修和严重失修巷道比例增加， 且常常出 3 1 O l 科抒 舰 界 s c E Nc ET E c HN。L 。G Y V s oN l 现前掘后修、 重复反修的现象。深井巷道维护问题已成为整 个矿井生产系统中的最薄弱环节。 2 ．2 煤岩破坏过程强化 ， 冲击地压危险性增加 据 专 家 论 证 。我 国 发 生 冲 击 地 压 的 深 度 在 2 0 0至 l O 0 0 m。由于采深的增加， 有冲击地压的矿井逐渐增多。发生 冲击地压矿井 2 0世纪 5 0年代为 7个， 6 0年代为 2 2个， 目前 已增加到 3 3个。冲击地压发生 的次数 、 强度和危害程度随深 度的增加日趋严重。 中煤大屯公司徐庄煤矿分别于 2 0 1 0年 9月 、 2 0 1 1年 4 月， 将 Ⅱ3采区第一、 第二中部车场煤样送于中国矿业大学煤 炭资源与安全开采国家重点实验室进行煤样冲击倾向性分 析。根据 中华人民共和国行业标准} MT ff1 7 4 2 0 0 0和 MT ／ T 8 6 6 2 0 0 0 ， 对其煤样冲击倾向性指数测定结果如表 l 。 表 1 煤样冲击倾 向性测试结果 3采区第一中部车场标高一 5 6 0 m 弹性能指数 动态破坏时间 W ET 冲击能指数 KE 综合评价 DT／ ms 5 ． 9 9 ． 9 6 2 6 强冲击倾向 强冲击 强冲击 强 冲击 根据煤样冲击倾向性指数的测定结果， 对照根据 中华 人民共和国行业标准} MT ff1 7 4 2 0 0 0和 M T ff8 6 6 2 0 0 0 ， 测得 大屯徐庄煤矿送检的Ⅱ3 采区第一中部车场的煤样弹性能指 数 WE T 5 ． 9 、冲击能指数 K E 9 ． 9 6 、动态破坏时间 D T ／ ms 2 6 ms ， 煤层的冲击倾向性为强冲击倾向。 表 2 煤样冲击倾向性测试 结果 3采区第二中部车场 弹性能指数 冲击能指数 KE 动态破坏 时间 综合评价 W ET Drr ／ ms 3．6 5 ． 1 6 3 1 强冲击倾 向 弱冲击 强冲击 强冲击 根据煤样冲击倾 向性指数的测定结果 ， 对照根据 中华 人民共和国行业标准 MrI y r r 1 7 4 2 0 0 0和 M T ff8 6 6 2 0 0 0 ， 测得 矿业科技 S c i e n c e Te c h n o lo g y Vi si o n 科 技 视 界 2 0 1 2 年8 月第2 2 期 大屯徐庄煤矿送检的I I 3采区第一中部车场的煤样弹性能指 数 WE T 3 ． 6 、冲击能指数 K E 5 ． 1 6 、动态破坏时间 D T m s 3 1 ms ， 煤层的冲击倾向性为强冲击倾向。 根据以上监测数据可以看出徐庄煤矿井田深部采区煤 岩 体具有强冲击倾向性 ， 开展针对冲击地压的研究、 监测、 防治工作是矿井矿压监测监控的重点 ． 也是矿井深部采区安 全生产的保障措施之一。 2 ． 3 瓦斯压力增高， 煤与瓦斯突出危险严重 根据井田在历次勘探过程中对 7 、 8煤层分别作了瓦斯 采样 ， 煤层瓦斯测定成果表明， 成份以氮气为主。 瓦斯含量均 低于 2 c m 3 ／ 克 可燃基。再根据矿井瓦斯测定分析资料， 7 、 8 号煤层瓦斯成份以二氧化碳为主， 甲烷含量低。从抽取徐庄 矿 2 0 0 8 年 8月份矿井瓦斯等级鉴定报告汇总表得出．全矿 井相对瓦斯涌出量为 O ． O 0 6 5 m 3 ／ t ，相对二氧化碳涌出量为 3 ． 8 2 8 2 m3／ t ； 全矿井 绝对 瓦斯 涌出 0 ． 0 1 9 9 m 3 ／ m i n ． 绝 对二 氧化 碳涌出量为 1 1 ． 7 3 3 8 m3 ／ mi n 。 根据 煤矿安全规程 第 1 3 3 条规 定 矿井相对涌出量小于或等于 l O m3 ／ t ， 且矿井绝对涌出量小 于或等于 4 0 m3 ／ mi n的矿井为低瓦斯瓦斯矿井， 因此， 从实际 生产资料得知徐庄煤矿为低瓦斯矿井。 矿井瓦斯实测资料与地质勘探采样测定的煤层瓦斯结 果相符， 为低瓦斯矿井 ， 徐庄煤矿虽然为低瓦斯矿井 ， 历年瓦 斯等级鉴定结果都比较低， 但由于随矿井采深的不断增加瓦 斯压力增高， 以及局部地段受构造等因素的影响， 各种气体 的涌出量均有可能增加，瓦斯涌出量必然面临增大的趋势。 另外综采放顶煤回采工艺采空区空间范围比较大． 可能积聚 大量瓦斯。在老顶初次来压、 周期来压、 顶板大面积跨落采空 区漏及风等情况下都有可能使瓦斯大量涌出。从国内外开采 实践看 ， 矿井深部开采时瓦斯涌出量一般较大 ． 煤与瓦斯突 出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。 2 ．4 深热矿井增加， 气候条件恶化 随着矿井向深部开采， 许多国家都遇到了不同程度的热 害问题，徐庄煤矿也面临着同样的问题 ． 一 7 5 0 m水平施工的 l I 3 采区放水巷跟 8煤顶板施工，掘进期间巷道回风 口温度 超过 3 0 C， 气温过高严重影响人体健康 ， 引发各种疾病， 造成 事故率上升， 劳动生产率下降。 3 深矿井开采的地压、 地热与瓦斯控制 3 ． 1 矿压控制 在深矿井 开采 中 ， 由于地压 大 ， 巷道从 掘进到报 废要经 受比较大的变形与破坏。有些巷道需要反复维修 ， 甚至有的 难以维修需报废重掘， 严重影响矿井生产。因此要根据地压 规律 ， 合理布置、 支护和维护巷道。 3 ． 1 ． 1 巷道布置 巷道布置要遵循以下三个原则 1 开拓和准备巷道要 布置在岩石力学性能好的岩 或煤 层中； 2 巷道应布置在 受采动影响小的位置； 3 缩短服务年限； 3 ． 1 ． 2 巷道支护 深矿井开采中。 巷道支护结构应满足如下要求 1 支护 强度大， 能抵抗高地压 ； 2 可缩性能好 ， 可缩量大 ， 能适应围 岩的大变形； 3 封闭性能好， 能够有效地防止底鼓； 3 ． 1 ． 3 巷道维护 在深井开采中， 对高压区掘进 的巷道， 除了采取有效的 支护来控制巷道变形和破坏外， 还应在巷道形成前后或形成 期间采取相应措施来减小巷道受压，即卸压或加固围岩， 以 达到保护巷道的目的， 主要方法有以下几种 1 卸压法 1 超前导硐法， 即在大断面巷道中先开一个 小断面导硐。 然后扩大导硐达到设计断面。该种方法效果明 显， 但影响掘进速度 ； 2 爆破卸压法 ， 使用爆破松动围岩， 实 现卸压； 3 钻孔卸压， 即压围岩中打钻孔实现卸压； 4 宽巷 卸压， 将巷道有意设计大于使用宽度与高度， 支护使用宽度， 宽掘部分可自由变形； 5 煤层注水， 煤层注水是在采掘工作 前， 对煤层进行压力注水。注水一般是在已掘好的回采巷道 或临近的巷道内进行。目的是通过压力水的物理化学作用， 压力水进入煤体后沿弱面流动。 起到压裂和冲刷作用 ． 以及 水对裂隙尖端的楔入作用 水楔作用 ， 使煤体扩大了原由裂 隙， 产生了新的裂隙， 破坏了煤体的整体性， 降低了强度 ， 改 变煤的物理力学性质， 从而降低煤层冲击倾向性。实施煤体 高压注水卸压 ， 它不仅能消除或减缓冲击地压威胁 ， 还可起 到消尘、 降温、 改善劳动条件的作用。 2 围岩加固法 围岩加固其 目的是提高围岩 自身的支撑 能力。围岩加固方法有两种 1 机械加固， 锚杆是 目前最常 用的机械加固方法。 3 化学加固， 即将化学材料注入围岩裂 隙内， 待化学材料凝固后对围岩黏结以达到加固作用。 3 ． 2 瓦斯控制 深部开采瓦斯控制一是控制矿井瓦斯涌出量 二是防止 煤与瓦斯突出。 相比之下， 后者工作更为重要。 其基本手段主 要有 加大通风力度、 开采解放层、 瓦斯抽放、 煤层注水、 放震 动炮等 3 ． 3 地热控制 地温随开采深度增加而增加， 到了一定深度后热害将成 为自然灾害。 降温措施采用综合措施。通过缩短通风线路长度、 适当 加大巷道断面、 降低巷道阻力、 适当加大风量 ． 以及改造通风 薄弱环节来达到通风降温的目的。 当通风降温不能解决热害问题时 ， 应采取机械制冷降温 措施， 现正在掘进的一 7 5 0西大巷已安装了空调制冷降温。 4总结 随着矿井向深部开采的延伸，对影响矿井深部采区开采 地压、 地热 瓦斯等 自然因素客观分析与研 下转第 3 0 4页 s c I E Nc ET E c HN。 L 。G Y VI s I 。N 科技视界 l 3 1 1 2 0 1 2年 8 月第 2 2 期 S c i e n c e Te c h n 0 lo g Y V i s io n 科 技 视 界 矿业科技 产后月平均最大涌水 量为 1 9 9 6年 5月的 4 7 0 ． 0 0 m 3 ／ h ， 主要原 因是 1 9 9 6 年 4 月 2 6 0 2工作面发生突水． 最大涌水量发生在 1 9 9 6年 5月 9日， 达 2 4 0 ． O O m 3 ／ h ， 导致当天的矿井涌水量达 51 0． 0 0m3 ／ 1 1 。 自矿井投产以来至 1 9 9 6 年 ， 矿井涌水量较为稳定， 且稳 中有降。 但 1 9 9 6 1 9 9 7年间， 由于增加了3煤层开采 ， 开拓开 采初期矿井涌水量增大 ， 1 9 9 6年 5月至 4 7 0 ． O O m S ／ h ．但随后 又缓慢减少， 目前基本稳定在 2 9 0 m T h 左右。自1 9 8 5 年以来， 年平均涌水量在 2 1 3 ． 7 3 4 0 6 ．6 4 m 3 ／ h ， 该范围介于 1 8 0 6 0 0 m 3 之间， 最大涌水量也小于 6 0 0 m3 ／ h 。故根据 煤矿防治水规定 中矿井涌水量单项标准， 杨村煤矿下组煤水文地质类型应属 “ 中等” 。 2 ． 4 突水量 自建井至今， 先后发生大小突水事件 4 0 余次． 涌水量大 于5 0 m3 ／ h的突水点 1 4处。其中， 1 9 9 6年 4月 2日2 6 0 2工作 面发生突水， 1 9 9 6年 5月 9日观测的最大涌水量达 2 4 0 m 3 ／ h 最大涌水量在 9 0 ～ 1 0 0 m 3 ／ h的突水事件 4次． 均发生在上世纪 9 O年代。最大涌水量在 8 0 ～ 9 0 m 3 ／ h的突水事件 1 次， 发生在 2 0 0 3 年 3 月 1 0日。由此可以看出，矿井最大突水量也小于 6 0 0 m ／ h 。故根据 煤矿防治水规定 中矿井突水量单项标准， 杨村煤矿下组煤水文地质类型应属“ 中等” 。 2 ． 5 受水害影响程度 1 6 E 、 1 7煤开采，一方面受 1 6 E 煤直接顶板十T 灰的影 响，另一方面受底板赋存的富水性弱至中等的十四灰及区域 强含水层奥灰水的影响。自矿井投产以来， 本矿井开采 1 6 h 1 7煤时， 曾多次发生突水事故 ， 多数突水为顶板十下 灰水。 水 量不大 ， 最大突水量 9 7 ． 8 0 m 3 ／ h 。十四灰涌水一般表现为底板 渗水， 水量一般在 3 0 m3 ／ h 。 仅 1 9 9 6 年 4月发生的2 6 0 2 工作面 突水 ， 为矿井有史以来最大的一次， 突水量达 2 4 0 m 3 ／ h 。 虽然奥 灰水压大， 突破底板隔水层的能力强， 但 1 6 1 7煤层的底板 岩层组合对底板阻水较为有利。 迄今为止， 尚未出现过奥灰突 水事故。因此， 杨村煤矿下组煤开采过程中偶有突水， 但不威 胁矿井安全。根据 煤矿防治水规定 中矿井开采受水害影响 程度的单项标准， 杨村煤矿下组煤水文地质类型应属“ 中等” 。 2 ． 6 防治水工作难易程度 由于杨村煤矿下组煤开采受底板承压水的威胁， 杨村煤 矿历来注重矿井水的防治工作，做了大量的防治水工作 进 行水文地质补充勘探、 施工探放水钻孔和泄水巷 、 启封封闭 不良老钻孔、 开展水文地质物探工作、 探放水试验 、 井下注浆 堵水、 健全矿井排水系统、 构筑井下防水闸门、 与相关高校开 展水文地质条件研究课题等一系列工作。通过以上工作的开 展 ， 目前基本查清了矿井水文地质条件 ， 并对异常地段都采 取了积极合理的防治水措施。自1 9 9 6 年以来 ， 从未发生过重 大井下突水事故 ， 有效地保证了矿井正常安全生产， 取得了 显著的经济和社会效益。因此 ， 杨村煤矿防治水工作应当说 是易于进行的。依据 煤矿防治水规定 中防治水工作难易程 度的单项标准， 杨村煤矿下组煤水文地质类型应属“ 中等” 3结论 根据 煤矿防治水规定 第十一条关于矿井水文地质类 型划分的规定和原则，结合杨村煤矿开采下组煤的实际条 件 ， 在综合分析矿井受采掘破坏或影响的含水层 、 矿井及周 边老空水分布状况、 矿井涌水量和突水量分布规律、 矿井开 采受水害影响程度以及防治水工作难易程度的基础上， 得出 了 杨 村 煤 矿 下 组 煤 水 文 地 质 类 型 为 “ 中 等 ” 。 e 【 参考文献】 [ 1 ] 国家 安全生产监督 管理 总局 ， 国家煤 矿安全监 察局． 煤 矿防 治水 规定[ M】 ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 邵明喜， 尚衍峰， 王玉芹．杨村煤矿 3 煤开采充水条件研究[ 山东 煤炭科技 ， l o o 4 3 6 2 6 3 ． [ 3 ] 兖矿集 团有限公司杨村煤矿 ， 山东科技 大学地球信息科学 与工程 学 院． 兖矿集团有限公司杨村煤 矿生产矿井地质报告J R ] ． 2 0 0 6 ， 5 ． [ 4 ] 邵明喜． 杨村煤矿下组煤二、 四采区放水试验研究[ J 】 ．煤矿现代化， 2 0 0 8 3 6 O 一 6 1 ． [ 5 ] 张迎秋 ， 魏久传 ， 王敏， 等． 杨村煤矿 二 、 四采 区奥灰水放水试 验及 数值模拟分析 水文地质工程地质， 2 0 0 9 1 6 5 6 8 ． 上接第 3 1 1 页 究， 并结合分析结果采取相应措施， 确保矿井 稳定发展将起到积极的作用。通过综合分析， 使深部采区工作 面的整体布置、 巷道断面及支护参数的选择 、 通风方式及风量 的选择、 防冲防热采取措施等更加合理化， 最大限度减少灾害 的发生， 保证生产稳定， 减少了煤炭资源的损失及巷道的维护 工作面， 降低生产成本、 提高资源回收率等目的， 为企业、 国家 将 创造出 更多的 效益。 ● 304 l科 技 视 界 SC IE N C E T EC H N O LO G Y V ISIO N l l [ 责任编辑 尹雪梅] 【 参考文献】 [ 1 ] 徐永圻．采矿学[ M ] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 徐永圻．煤矿开采学【 M ] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 付国彬，姜志方． 深井巷道矿山压力控制[ M 】 ．徐州 中国矿业大学出 版社， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 俞启香．矿井瓦斯防治[ M】 ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 2 ． [ 责任编辑 王洪泽]