影響深部采區(qū)開采的主要因素及對策

陳鳳安

（中煤大屯公司徐莊煤礦 江蘇 沛縣 221611）

影響深部采區(qū)開采的主要因素及對策

陳鳳安

（中煤大屯公司徐莊煤礦 江蘇 沛縣 221611）

通過對中煤大屯公司徐莊煤礦以后將要進行深部開采將遇到的地壓、地熱、瓦斯等自然因素客觀分析與研究，從而為科學合理定制深部開采方法，保證安全生產(chǎn)而提供可靠依據(jù)。

深部開采；系統(tǒng)分析；地壓地熱瓦斯

1 礦井儲量概況

中煤大屯徐莊煤礦采用豎井石門、分水平多階段開拓方式。煤炭儲量分布在井筒東、西兩翼，主采煤層分別為7#、8#煤層。1979年12月份投產(chǎn)以來，隨著礦井對淺部可采煤層的回采，其淺部井田實際剩余回采儲量已不足千萬噸，井田大量的煤炭資源均分布在井田深部。尤其是井田西翼煤炭由于淺部煤層受到火成巖的侵蝕，資源全部集中在深部，井田深部煤炭資源的可采儲量超過億噸，礦井今后幾年將不可避免的面臨深部開采的現(xiàn)狀，因此分析影響礦井深部采區(qū)開采的所遇主要因素已成為徐莊煤礦當務(wù)之及。

2 深部采區(qū)開采影響因素分析

根據(jù)近幾年徐莊煤礦已經(jīng)完成的深部水平-750東 （西）翼大巷開拓及Ⅱ1、Ⅱ3采區(qū)上山掘進工作，及-750m水平其它的掘進活動 （尤其是Ⅱ3采區(qū)探煤上山掘進過程中及后期的礦壓顯現(xiàn)和Ⅱ3采區(qū)放水巷掘進過程中遇到的高溫熱害）并參考國內(nèi)其他一些深部礦井開采的實際開采情況總結(jié)出影響其深部開采的因素有如下。

2.1 礦壓顯現(xiàn)加劇，巷道維護困難

徐莊煤礦-750m水平大巷掘進過程中，在掘進頭后面巷道就出現(xiàn)了不同程度的圍巖開裂、底鼓、甚至頂板下沉現(xiàn)象，尤其在Ⅱ3采區(qū)上山掘進及采區(qū)巷道準備期間礦壓顯現(xiàn)更為嚴重。Ⅱ3采區(qū)自－750水平沿煤層傾斜方向布置三條上山至－550水平，即軌道上山、皮帶上山和通風行人上山?；仫L上山、軌道上山和皮帶上山在層位上均布置在八煤層底板巖石中，為探明采區(qū)煤層產(chǎn)狀還沿7煤頂板布置一條探煤上山。采區(qū)軌道上山和通風行人上山傾角均為18°30′，皮帶上山傾角為16°。四條上山分別自2007年9月、2007年3月、2008年8月開始組織掘進施工，根據(jù)觀測，自掘進工程完成后至2009年底處于煤層底板下方的三條巖石上山分別出現(xiàn)頂板開裂（過斷層及穿煤層段更為嚴重）、底板鼓起400mm以上，但未發(fā)現(xiàn)明顯的兩幫及頂板位移。圍巖位移較為明顯的是探煤上山，自掘進結(jié)束后半年內(nèi)頂、底板及兩幫位移達到500mm以上，出現(xiàn)失修和嚴重失修巷道比例增加，且常常出現(xiàn)前掘后修、重復(fù)反修的現(xiàn)象。深井巷道維護問題已成為整個礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 煤巖破壞過程強化，沖擊地壓危險性增加

據(jù)專家論證，我國發(fā)生沖擊地壓的深度在200至1000m。由于采深的增加，有沖擊地壓的礦井逐漸增多。發(fā)生沖擊地壓礦井20世紀50年代為7個，60年代為22個，目前已增加到33個。沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)、強度和危害程度隨深度的增加日趨嚴重。

中煤大屯公司徐莊煤礦分別于2010年9月、2011年4月，將Ⅱ3采區(qū)第一、第二中部車場煤樣送于中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室進行煤樣沖擊傾向性分析。根據(jù) 《中華人民共和國行業(yè)標準》MT/T174-2000和MT/ T866-2000，對其煤樣沖擊傾向性指數(shù)測定結(jié)果如表1。

表1 煤樣沖擊傾向性測試結(jié)果（Ⅱ3采區(qū)第一中部車場 標高-560m）

根據(jù)煤樣沖擊傾向性指數(shù)的測定結(jié)果，對照根據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準》MT/T174-2000和MT/T866-2000，測得大屯徐莊煤礦送檢的Ⅱ3采區(qū)第一中部車場的煤樣彈性能指數(shù)WET=5.9、沖擊能指數(shù)KE=9.96、動態(tài)破壞時間DT/ms= 26ms，煤層的沖擊傾向性為強沖擊傾向。

表2 煤樣沖擊傾向性測試結(jié)果（Ⅱ3采區(qū)第二中部車場）

根據(jù)煤樣沖擊傾向性指數(shù)的測定結(jié)果，對照根據(jù)《中華人民共和國行業(yè)標準》MT/T174-2000和MT/T866-2000，測得大屯徐莊煤礦送檢的Ⅱ3采區(qū)第一中部車場的煤樣彈性能指數(shù)WET=3.6、沖擊能指數(shù)KE=5.16、動態(tài)破壞時間DT/ms= 31ms，煤層的沖擊傾向性為強沖擊傾向。

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出徐莊煤礦井田深部采區(qū)煤（巖）體具有強沖擊傾向性，開展針對沖擊地壓的研究、監(jiān)測、防治工作是礦井礦壓監(jiān)測監(jiān)控的重點，也是礦井深部采區(qū)安全生產(chǎn)的保障措施之一。

2.3 瓦斯壓力增高，煤與瓦斯突出危險嚴重

根據(jù)井田在歷次勘探過程中對7、8煤層分別作了瓦斯采樣，煤層瓦斯測定成果表明，成份以氮氣為主，瓦斯含量均低于2cm3／克·可燃基。再根據(jù)礦井瓦斯測定分析資料，7、8號煤層瓦斯成份以二氧化碳為主，甲烷含量低。從抽取徐莊礦2008年8月份礦井瓦斯等級鑒定報告匯總表得出，全礦井相對瓦斯涌出量為0.0065m3/t，相對二氧化碳涌出量為3.8282m3/t；全礦井絕對瓦斯涌出 0.0199m3/min，絕對二氧化碳涌出量為11.7338m3/min。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第133條規(guī)定：礦井相對涌出量小于或等于10m3/t，且礦井絕對涌出量小于或等于40m3/min的礦井為低瓦斯瓦斯礦井，因此，從實際生產(chǎn)資料得知徐莊煤礦為低瓦斯礦井。

礦井瓦斯實測資料與地質(zhì)勘探采樣測定的煤層瓦斯結(jié)果相符，為低瓦斯礦井，徐莊煤礦雖然為低瓦斯礦井，歷年瓦斯等級鑒定結(jié)果都比較低，但由于隨礦井采深的不斷增加瓦斯壓力增高，以及局部地段受構(gòu)造等因素的影響，各種氣體的涌出量均有可能增加，瓦斯涌出量必然面臨增大的趨勢。另外綜采放頂煤回采工藝采空區(qū)空間范圍比較大，可能積聚大量瓦斯。在老頂初次來壓、周期來壓、頂板大面積跨落采空區(qū)漏及風等情況下都有可能使瓦斯大量涌出。從國內(nèi)外開采實踐看，礦井深部開采時瓦斯涌出量一般較大，煤與瓦斯突出的問題已成為深部開采中不容忽視的重要問題。

2.4 深熱礦井增加，氣候條件惡化

隨著礦井向深部開采，許多國家都遇到了不同程度的熱害問題，徐莊煤礦也面臨著同樣的問題，-750m水平施工的Ⅱ3采區(qū)放水巷跟8煤頂板施工，掘進期間巷道回風口溫度超過30℃，氣溫過高嚴重影響人體健康，引發(fā)各種疾病，造成事故率上升，勞動生產(chǎn)率下降。

3 深礦井開采的地壓、地熱與瓦斯控制

3.1 礦壓控制

在深礦井開采中，由于地壓大，巷道從掘進到報廢要經(jīng)受比較大的變形與破壞。有些巷道需要反復(fù)維修，甚至有的難以維修需報廢重掘，嚴重影響礦井生產(chǎn)。因此要根據(jù)地壓規(guī)律，合理布置、支護和維護巷道。

3.1.1 巷道布置

巷道布置要遵循以下三個原則：（1）開拓和準備巷道要布置在巖石力學性能好的巖（或煤）層中；（2）巷道應(yīng)布置在受采動影響小的位置；（3）縮短服務(wù)年限；

3.1.2 巷道支護

深礦井開采中，巷道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求：（1）支護強度大，能抵抗高地壓；（2）可縮性能好，可縮量大，能適應(yīng)圍巖的大變形；（3）封閉性能好，能夠有效地防止底鼓；

3.1.3 巷道維護

在深井開采中，對高壓區(qū)掘進的巷道，除了采取有效的支護來控制巷道變形和破壞外，還應(yīng)在巷道形成前后或形成期間采取相應(yīng)措施來減小巷道受壓，即卸壓或加固圍巖，以達到保護巷道的目的，主要方法有以下幾種：

1）卸壓法：（1）超前導硐法，即在大斷面巷道中先開一個小斷面導硐，然后擴大導硐達到設(shè)計斷面。該種方法效果明顯，但影響掘進速度；（2）爆破卸壓法，使用爆破松動圍巖，實現(xiàn)卸壓；（3）鉆孔卸壓，即壓圍巖中打鉆孔實現(xiàn)卸壓；（4）寬巷卸壓，將巷道有意設(shè)計大于使用寬度與高度，支護使用寬度，寬掘部分可自由變形；（5）煤層注水，煤層注水是在采掘工作前，對煤層進行壓力注水。注水一般是在已掘好的回采巷道或臨近的巷道內(nèi)進行。目的是通過壓力水的物理化學作用，壓力水進入煤體后沿弱面流動，起到壓裂和沖刷作用，以及水對裂隙尖端的楔入作用(水楔作用)，使煤體擴大了原由裂隙，產(chǎn)生了新的裂隙，破壞了煤體的整體性，降低了強度，改變煤的物理力學性質(zhì)，從而降低煤層沖擊傾向性。實施煤體高壓注水卸壓，它不僅能消除或減緩沖擊地壓威脅，還可起到消塵、降溫、改善勞動條件的作用。

2）圍巖加固法：圍巖加固其目的是提高圍巖自身的支撐能力。圍巖加固方法有兩種：（1）機械加固，錨桿是目前最常用的機械加固方法。（3）化學加固，即將化學材料注入圍巖裂隙內(nèi)，待化學材料凝固后對圍巖黏結(jié)以達到加固作用。

3.2 瓦斯控制

深部開采瓦斯控制一是控制礦井瓦斯涌出量；二是防止煤與瓦斯突出。相比之下，后者工作更為重要。其基本手段主要有：加大通風力度、開采解放層、瓦斯抽放、煤層注水、放震動炮等；

3.3 地熱控制

地溫隨開采深度增加而增加，到了一定深度后熱害將成為自然災(zāi)害。

降溫措施采用綜合措施。通過縮短通風線路長度、適當加大巷道斷面、降低巷道阻力、適當加大風量，以及改造通風薄弱環(huán)節(jié)來達到通風降溫的目的。

當通風降溫不能解決熱害問題時，應(yīng)采取機械制冷降溫措施，現(xiàn)正在掘進的-750西大巷已安裝了空調(diào)制冷降溫。

4 總結(jié)

隨著礦井向深部開采的延伸，對影響礦井深部采區(qū)開采地壓、地熱、瓦斯等自然因素客觀分析與研究，并結(jié)合分析結(jié)果采取相應(yīng)措施，確保礦井穩(wěn)定發(fā)展將起到積極的作用。通過綜合分析，使深部采區(qū)工作面的整體布置、巷道斷面及支護參數(shù)的選擇、通風方式及風量的選擇、防沖防熱采取措施等更加合理化，最大限度減少災(zāi)害的發(fā)生，保證生產(chǎn)穩(wěn)定，減少了煤炭資源的損失及巷道的維護工作面，降低生產(chǎn)成本、提高資源回收率等目的，為企業(yè)、國家將創(chuàng)造出更多的效益。

［1］徐永圻.采礦學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2006.

［2］徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2009.

［3］付國彬,姜志方.深井巷道礦山壓力控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1996.

［4］俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1992.

王洪澤］