急傾斜煤層的開采分析

丁言露,劉 飛,樊 明

(中國礦業大學礦業工程學院,江蘇 徐州 221116)

煤層的開采是一個綜合性較強、影響和制約因素很多的復雜系統,需要采用系統工程方法進行研究和論證。

1 急傾斜煤層的開發

煤層的開采既要滿足總體上的需求,又要充分考慮地區的內部平衡和地區之間的協同關系,而急傾斜煤層的開發需要充分考慮到實際的地質條件,急傾斜煤層的開采沉陷問題實際上是一個地下采礦擾動后,頂底板的巖層變形、跨落、斷裂破壞的過程,因此,會引起上覆巖層中的巖層達到新的力學平衡的過程。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的特點和規律。由于急傾斜煤層形成條件和采煤條件的差異,對巖層移動的力學結構影響很大。某礦煤層與斷層結構分布示意圖見圖1。

2 急傾斜煤層中可能出現的瓦斯問題

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)實際地質構造對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,當上覆巖層的頂板為脆性巖層時,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 某礦煤層與斷層結構分布示意圖

3)由于受地質變動的影響,所以多數急傾斜煤層的構造都比較復雜,特別是我國南方急傾斜煤田小構造發育。因此,煤與瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故時有發生。例如,南方一些礦井,煤與瓦斯突出多發生在地質構造帶內的小型褶皺附近、強烈擠壓的褶皺帶、斷層或構造扭轉軸附近,以及在傾角變化的轉折點等處。

4)開采條件趨于復雜,瓦斯、突水、火災、冒頂、機械傷害等安全問題隨開采難度加大而越來越突出,淺部礦區正向深部發展,開采導致的地面沉陷、水資源破壞、矸石對生態環境的影響亟待解決,安全、高效、綠色開采是采煤方法發展的方向。

3 急傾斜煤層開采后巖層的移動

急傾斜煤層開采后巖層移動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的主要特征有著明顯的不同,覆蓋破壞范圍的最終形態也與水平煤層開采有較大的區別。

1)跨落帶。急傾斜煤層開采時,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,傾向剖面上采空區沿水平方向上暴露范圍較緩傾斜煤層小,豎向容易在采場頂部形成拱形受力結構,頂板有明顯的支座作為支撐,從而頂板不容易跨落。

2)裂縫帶的形成與發展特征。急傾斜煤層堅硬頂板是沿煤層近似法方向廓落充填采空區的,離層裂隙沿法向自垮落帶由下而上發展,在巖層內裂縫寬度越來越小,裂縫范圍越來越窄,但裂縫帶發展達淺部巖層時,由于發生離層的巖層達一定高度時里層巖層會有一部分露出地表,另一部分巖層向上延伸,使離層裂縫發育聯通地表,裂縫范圍擴大,一直達到頂端。

4 急傾斜煤層開采分析

煤層開采戰略研究涉及的時空跨度很大,時間可達數年甚至數十年,空間包括全國各地區各類煤礦,有很多不確定的因素。

煤層開采布局在各地開發規模的論證中都有高、中、低方案,其中不同的方案的組合所形成的全國開發規模及其相應的地區分布將有眾多可行方案。因此,在論證煤層開采戰略和合理布局時,需要采用線性開發方法對煤炭運輸進行核查和提供需要采取的各項措施。

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,尤其適應地質條件復雜的急傾斜煤層,通過急傾斜煤層放頂煤的開采方法,可以實現急傾斜煤層開采高產高效。

圖 2 急傾斜煤層放頂煤系統示意圖

5 結束語

國內急傾斜煤層的形成分布廣泛,其地質條件大多比較復雜,勘探和開采對現有生產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環境已有相當的了解。急傾斜煤層的開采是一個綜合性較強,受很多實際因素影響和制約的復雜系統,需要采用系統工程方法進行研究和論證。

雖然急傾斜煤層的產量在我國煤炭總產量中所占比重不大,但分布較廣。偽斜柔性掩護支架采煤法在層厚變化不大的厚及中厚煤層中應用,能取得較好的技術經濟效果,近年來發展的側向放煤技術及簡化巷道布置的方法進一步擴大了應用范圍,值得推廣和進一步研究。

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,這種采煤方法單產和工效高、工藝簡單、掘進巷道少、噸煤費用低,有條件的礦井應積極推廣。

[1] 杜計平,孟憲銳.采礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社,2009：141-159.