影響深部采區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，保證安全生產而提供可靠依據。

深部開采；系統分析；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狀，因此分析影響礦井深部采區開采的所遇主要因素已成為徐莊煤礦當務之及。

2 深部采區開采影響因素分析

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

2.1 礦壓顯現加劇，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了不同程度的圍巖開裂、底鼓、甚至頂板下沉現象，尤其在Ⅱ3采區上山掘進及采區巷道準備期間礦壓顯現更為嚴重。Ⅱ3采區自－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。回風上山、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，為探明采區煤層產狀還沿7煤頂板布置一條探煤上山。采區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，但未發現明顯的兩幫及頂板位移。圍巖位移較為明顯的是探煤上山，自掘進結束后半年內頂、底板及兩幫位移達到500mm以上，出現失修和嚴重失修巷道比例增加，且常常出現前掘后修、重復反修的現象。深井巷道維護問題已成為整個礦井生產系統中的最薄弱環節。

2.2 煤巖破壞過程強化，沖擊地壓危險性增加

據專家論證，我國發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。沖擊地壓發生的次數、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采區第一、第二中部車場煤樣送于中國礦業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 《中華人民共和國行業標準》MT/T174-2000和MT/ T866-2000，對其煤樣沖擊傾向性指數測定結果如表1。

表1 煤樣沖擊傾向性測試結果（Ⅱ3采區第一中部車場 標高-560m）

根據煤樣沖擊傾向性指數的測定結果，對照根據《中華人民共和國行業標準》MT/T174-2000和MT/T866-2000，測得大屯徐莊煤礦送檢的Ⅱ3采區第一中部車場的煤樣彈性能指數WET=5.9、沖擊能指數KE=9.96、動態破壞時間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果（Ⅱ3采區第二中部車場）

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

根據以上監測數據可以看出徐莊煤礦井田深部采區煤（巖）體具有強沖擊傾向性，開展針對沖擊地壓的研究、監測、防治工作是礦井礦壓監測監控的重點，也是礦井深部采區安全生產的保障措施之一。

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《煤礦安全規程》第133條規定：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勘探采樣測定的煤層瓦斯結果相符，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漏及風等情況下都有可能使瓦斯大量涌出。從國內外開采實踐看，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，引發各種疾病，造成事故率上升，勞動生產率下降。

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受比較大的變形與破壞。有些巷道需要反復維修，甚至有的難以維修需報廢重掘，嚴重影響礦井生產。因此要根據地壓規律，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）巷道應布置在受采動影響小的位置；（3）縮短服務年限；

3.1.2 巷道支護

深礦井開采中，巷道支護結構應滿足如下要求：（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，還應在巷道形成前后或形成期間采取相應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，實現卸壓；（3）鉆孔卸壓，即壓圍巖中打鉆孔實現卸壓；（4）寬巷卸壓，將巷道有意設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，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，待化學材料凝固后對圍巖黏結以達到加固作用。

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節來達到通風降溫的目的。

當通風降溫不能解決熱害問題時，應采取機械制冷降溫措施，現正在掘進的-750西大巷已安裝了空調制冷降溫。

4 總結

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

［1］徐永圻.采礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社,2006.

［2］徐永圻.煤礦開采學[M].徐州：中國礦業大學出版社,2009.

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

［4］俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社,1992.

王洪澤］