急倾斜煤层的开采分析

丁言露,刘 飞,樊 明

(中国矿业大学矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

煤层的开采是一个综合性较强、影响和制约因素很多的复杂系统,需要采用系统工程方法进行研究和论证。

1 急倾斜煤层的开发

煤层的开采既要满足总体上的需求,又要充分考虑地区的内部平衡和地区之间的协同关系,而急倾斜煤层的开发需要充分考虑到实际的地质条件,急倾斜煤层的开采沉陷问题实际上是一个地下采矿扰动后,顶底板的岩层变形、跨落、断裂破坏的过程,因此,会引起上覆岩层中的岩层达到新的力学平衡的过程。急倾斜煤层的地层特征和采煤方法,从一定程度上决定了岩层和地表移动的特点和规律。由于急倾斜煤层形成条件和采煤条件的差异,对岩层移动的力学结构影响很大。某矿煤层与断层结构分布示意图见图1。

2 急倾斜煤层中可能出现的瓦斯问题

1)在煤层开采深度比较浅的矿井中,急倾斜煤层中,其上覆岩层属于薄煤层,露头较浅,瓦斯比较容易涌出,其所含瓦斯一般较少。因此,在浅部煤层中的瓦斯含量一般很低。

2)实际地质构造对煤层瓦斯含量的影响随着煤层埋藏的具体情况而不同。例如,当上覆岩层的顶板为脆性岩层时,在开放性的断层和褶曲轴附近有利于瓦斯排泄,该处瓦斯含量较少;但在封闭性断层和褶曲轴附近,则瓦斯含量增多。因此,对具有缓波状褶曲或存在压性断层 (逆断层)的急倾斜煤层,可能在背斜轴或断层附近积聚瓦斯。

图 1 某矿煤层与断层结构分布示意图

3)由于受地质变动的影响,所以多数急倾斜煤层的构造都比较复杂,特别是我国南方急倾斜煤田小构造发育。因此,煤与瓦斯突出事故和瓦斯爆炸事故时有发生。例如,南方一些矿井,煤与瓦斯突出多发生在地质构造带内的小型褶皱附近、强烈挤压的褶皱带、断层或构造扭转轴附近,以及在倾角变化的转折点等处。

4)开采条件趋于复杂,瓦斯、突水、火灾、冒顶、机械伤害等安全问题随开采难度加大而越来越突出,浅部矿区正向深部发展,开采导致的地面沉陷、水资源破坏、矸石对生态环境的影响亟待解决,安全、高效、绿色开采是采煤方法发展的方向。

3 急倾斜煤层开采后岩层的移动

急倾斜煤层开采后岩层移动的主要特征是与水平或者近水平煤层开采条件下的煤层移动的主要特征有着明显的不同,覆盖破坏范围的最终形态也与水平煤层开采有较大的区别。

1)跨落带。急倾斜煤层开采时,由于上覆岩层在临空面上所受的力主要是岩层的自重和上覆岩层的斜载荷,倾向剖面上采空区沿水平方向上暴露范围较缓倾斜煤层小,竖向容易在采场顶部形成拱形受力结构,顶板有明显的支座作为支撑,从而顶板不容易跨落。

2)裂缝带的形成与发展特征。急倾斜煤层坚硬顶板是沿煤层近似法方向廓落充填采空区的,离层裂隙沿法向自垮落带由下而上发展,在岩层内裂缝宽度越来越小,裂缝范围越来越窄,但裂缝带发展达浅部岩层时,由于发生离层的岩层达一定高度时里层岩层会有一部分露出地表,另一部分岩层向上延伸,使离层裂缝发育联通地表,裂缝范围扩大,一直达到顶端。

4 急倾斜煤层开采分析

煤层开采战略研究涉及的时空跨度很大,时间可达数年甚至数十年,空间包括全国各地区各类煤矿,有很多不确定的因素。

煤层开采布局在各地开发规模的论证中都有高、中、低方案,其中不同的方案的组合所形成的全国开发规模及其相应的地区分布将有众多可行方案。因此,在论证煤层开采战略和合理布局时,需要采用线性开发方法对煤炭运输进行核查和提供需要采取的各项措施。

目前,很多地方都用了急倾斜煤层放顶煤开采方法,见图 2,而这种方法适用范围广,尤其适应地质条件复杂的急倾斜煤层,通过急倾斜煤层放顶煤的开采方法,可以实现急倾斜煤层开采高产高效。

图 2 急倾斜煤层放顶煤系统示意图

5 结束语

国内急倾斜煤层的形成分布广泛,其地质条件大多比较复杂,勘探和开采对现有生产矿井中的急倾斜煤层和将要开采的急倾斜煤层的赋存特征及开发环境已有相当的了解。急倾斜煤层的开采是一个综合性较强,受很多实际因素影响和制约的复杂系统,需要采用系统工程方法进行研究和论证。

虽然急倾斜煤层的产量在我国煤炭总产量中所占比重不大,但分布较广。伪斜柔性掩护支架采煤法在层厚变化不大的厚及中厚煤层中应用,能取得较好的技术经济效果,近年来发展的侧向放煤技术及简化巷道布置的方法进一步扩大了应用范围,值得推广和进一步研究。

水平分段放顶煤采煤法为开采急倾斜特厚煤层提供了高效安全的机械化采煤方法,在煤层厚度较大的情况下,这种采煤方法单产和工效高、工艺简单、掘进巷道少、吨煤费用低,有条件的矿井应积极推广。

[1] 杜计平,孟宪锐.采矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2009：141-159.