急傾斜煤層的開采分析

丁言露,劉 飛,樊 明

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

煤層的開采是一個(gè)綜合性較強(qiáng)、影響和制約因素很多的復(fù)雜系統(tǒng),需要采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行研究和論證。

1 急傾斜煤層的開發(fā)

煤層的開采既要滿足總體上的需求,又要充分考慮地區(qū)的內(nèi)部平衡和地區(qū)之間的協(xié)同關(guān)系,而急傾斜煤層的開發(fā)需要充分考慮到實(shí)際的地質(zhì)條件,急傾斜煤層的開采沉陷問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)地下采礦擾動(dòng)后,頂?shù)装宓膸r層變形、跨落、斷裂破壞的過(guò)程,因此,會(huì)引起上覆巖層中的巖層達(dá)到新的力學(xué)平衡的過(guò)程。急傾斜煤層的地層特征和采煤方法,從一定程度上決定了巖層和地表移動(dòng)的特點(diǎn)和規(guī)律。由于急傾斜煤層形成條件和采煤條件的差異,對(duì)巖層移動(dòng)的力學(xué)結(jié)構(gòu)影響很大。某礦煤層與斷層結(jié)構(gòu)分布示意圖見圖1。

2 急傾斜煤層中可能出現(xiàn)的瓦斯問(wèn)題

1)在煤層開采深度比較淺的礦井中,急傾斜煤層中,其上覆巖層屬于薄煤層,露頭較淺,瓦斯比較容易涌出,其所含瓦斯一般較少。因此,在淺部煤層中的瓦斯含量一般很低。

2)實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤層瓦斯含量的影響隨著煤層埋藏的具體情況而不同。例如,當(dāng)上覆巖層的頂板為脆性巖層時(shí),在開放性的斷層和褶曲軸附近有利于瓦斯排泄,該處瓦斯含量較少;但在封閉性斷層和褶曲軸附近,則瓦斯含量增多。因此,對(duì)具有緩波狀褶曲或存在壓性斷層 (逆斷層)的急傾斜煤層,可能在背斜軸或斷層附近積聚瓦斯。

圖 1 某礦煤層與斷層結(jié)構(gòu)分布示意圖

3)由于受地質(zhì)變動(dòng)的影響,所以多數(shù)急傾斜煤層的構(gòu)造都比較復(fù)雜,特別是我國(guó)南方急傾斜煤田小構(gòu)造發(fā)育。因此,煤與瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故時(shí)有發(fā)生。例如,南方一些礦井,煤與瓦斯突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)的小型褶皺附近、強(qiáng)烈擠壓的褶皺帶、斷層或構(gòu)造扭轉(zhuǎn)軸附近,以及在傾角變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)等處。

4)開采條件趨于復(fù)雜,瓦斯、突水、火災(zāi)、冒頂、機(jī)械傷害等安全問(wèn)題隨開采難度加大而越來(lái)越突出,淺部礦區(qū)正向深部發(fā)展,開采導(dǎo)致的地面沉陷、水資源破壞、矸石對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響亟待解決,安全、高效、綠色開采是采煤方法發(fā)展的方向。

3 急傾斜煤層開采后巖層的移動(dòng)

急傾斜煤層開采后巖層移動(dòng)的主要特征是與水平或者近水平煤層開采條件下的煤層移動(dòng)的主要特征有著明顯的不同,覆蓋破壞范圍的最終形態(tài)也與水平煤層開采有較大的區(qū)別。

1)跨落帶。急傾斜煤層開采時(shí),由于上覆巖層在臨空面上所受的力主要是巖層的自重和上覆巖層的斜載荷,傾向剖面上采空區(qū)沿水平方向上暴露范圍較緩傾斜煤層小,豎向容易在采場(chǎng)頂部形成拱形受力結(jié)構(gòu),頂板有明顯的支座作為支撐,從而頂板不容易跨落。

2)裂縫帶的形成與發(fā)展特征。急傾斜煤層堅(jiān)硬頂板是沿煤層近似法方向廓落充填采空區(qū)的,離層裂隙沿法向自垮落帶由下而上發(fā)展,在巖層內(nèi)裂縫寬度越來(lái)越小,裂縫范圍越來(lái)越窄,但裂縫帶發(fā)展達(dá)淺部巖層時(shí),由于發(fā)生離層的巖層達(dá)一定高度時(shí)里層巖層會(huì)有一部分露出地表,另一部分巖層向上延伸,使離層裂縫發(fā)育聯(lián)通地表,裂縫范圍擴(kuò)大,一直達(dá)到頂端。

4 急傾斜煤層開采分析

煤層開采戰(zhàn)略研究涉及的時(shí)空跨度很大,時(shí)間可達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年,空間包括全國(guó)各地區(qū)各類煤礦,有很多不確定的因素。

煤層開采布局在各地開發(fā)規(guī)模的論證中都有高、中、低方案,其中不同的方案的組合所形成的全國(guó)開發(fā)規(guī)模及其相應(yīng)的地區(qū)分布將有眾多可行方案。因此,在論證煤層開采戰(zhàn)略和合理布局時(shí),需要采用線性開發(fā)方法對(duì)煤炭運(yùn)輸進(jìn)行核查和提供需要采取的各項(xiàng)措施。

目前,很多地方都用了急傾斜煤層放頂煤開采方法,見圖 2,而這種方法適用范圍廣,尤其適應(yīng)地質(zhì)條件復(fù)雜的急傾斜煤層,通過(guò)急傾斜煤層放頂煤的開采方法,可以實(shí)現(xiàn)急傾斜煤層開采高產(chǎn)高效。

圖 2 急傾斜煤層放頂煤系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)急傾斜煤層的形成分布廣泛,其地質(zhì)條件大多比較復(fù)雜,勘探和開采對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)礦井中的急傾斜煤層和將要開采的急傾斜煤層的賦存特征及開發(fā)環(huán)境已有相當(dāng)?shù)牧私?。急傾斜煤層的開采是一個(gè)綜合性較強(qiáng),受很多實(shí)際因素影響和制約的復(fù)雜系統(tǒng),需要采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行研究和論證。

雖然急傾斜煤層的產(chǎn)量在我國(guó)煤炭總產(chǎn)量中所占比重不大,但分布較廣。偽斜柔性掩護(hù)支架采煤法在層厚變化不大的厚及中厚煤層中應(yīng)用,能取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,近年來(lái)發(fā)展的側(cè)向放煤技術(shù)及簡(jiǎn)化巷道布置的方法進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍,值得推廣和進(jìn)一步研究。

水平分段放頂煤采煤法為開采急傾斜特厚煤層提供了高效安全的機(jī)械化采煤方法,在煤層厚度較大的情況下,這種采煤方法單產(chǎn)和工效高、工藝簡(jiǎn)單、掘進(jìn)巷道少、噸煤費(fèi)用低,有條件的礦井應(yīng)積極推廣。

[1] 杜計(jì)平,孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009：141-159.