充填开采与煤矿安全的关系.pdf

专家论坛 充填开采与煤矿安全的关系 李建民 山东煤矿安全监察局,山东 济南 250031 摘 要 近年来采用充填开采工艺的煤矿越来越多。充填开采不仅解放了大量资源,改变了传统采煤工艺;还对煤矿安全管理带来全新的概 念。本文就充填开采对煤矿安全生产的影响进行了综合分析。 关键词 充填开采 安全生产 冲击地压 水害 一通三防 中图分类号TD823. 7 文献标识码 A 由于我省已探明的煤炭资源分割殆尽,部分老矿 资源枯竭,中年矿井面临着采掘接续紧张,新矿经受 “ 三下 ” 压煤制约,造成煤矿安全生产的问题越来越突 出。为解决这一问题,全省采用充填开采的煤矿越来 越多,方式多样。 充填开采改变了全部垮落法管理顶板的矿压显现 规律,为煤矿安全生产提供了很多有利条件,充填开采 对煤矿安全生产的影响究竟有多大,此前没有系统的 论述。本文就全部充填工艺给煤矿安全生产带来的具 体影响进行了分析。 1 充填开采工艺应用概况 充填开采工艺直观来说就是用体积换体积的置换 工艺。该工艺经历了三个发展阶段 1 以废矸石为 充填物的干式部分充填阶段,其目的主要是处理矸石 和沿空留巷 ; 2 以水砂充填为代表的阶段,曾作为减 少地表沉陷、 在建构筑物下的主要采煤方法; 3目 前的新工艺全部充填开采阶段,主要有两种方式一是 以高浓度膏体为充填物的全部充填工艺,二是以矸石、 粉煤灰等固体为充填物的全部充填的工艺。这也是目 前煤矿经过试验证实比较适宜的两种充填工艺。 另外,山东省部分煤矿还探索了其他的充填工艺。 如采用抛矸机向采空区抛矸的充填工艺;采用风动充 填方式进行充填的充填工艺,矸石由破碎机破碎成充 填成料,经充填机压风动力作用,通过充填管路充填至 工作面采空区。这些办法虽然可以解决矸石不升井的 问题,但其充填密实度与目前第三阶段采用的全部充 填工艺相比有较大差距,其控制顶板下沉的效果不甚 理想。 2 充填开采对安全生产的影响分析 无论是采用全部充填工艺还是采用部分充填工 3 收稿日期 2010 - 01 - 25 作者简介李建民1963 - ,男,汉族, 1984年7月毕业于河北煤 炭建筑工程学院 学士学位,教授级高工,山东煤矿安全监察局总工 程师。 艺,其采煤生产工艺、 矿压显现规律、 安全管理方式都 与全部垮落法管理顶板回采工艺有较大差别。一般来 说,全部充填工艺可以有效提高安全开采程度,解决目 前我省煤矿生产过程中存在的部分隐患。具体体现在 以下三个方面 1全部充填工艺可以有效缓解采煤引起的矿山 压力显现,有利于回采巷道和工作面的支护,有效防止 顶板和冲击地压事故的发生。达到“ 应力分散,地压不 冲 ” 的目的。 冲击地压的产生主要受两方面的因素影响,即煤 岩体特性和煤岩体应力。而煤岩体的特性通常是不可 改变的。因此,预防冲击地压的发生,主要通过消除或 减小煤岩体应力这一途径来实现。而影响煤岩体应力 的主要因素包括① 开采深度和地质构造等地质因素; ② 采掘巷道布置、 煤柱留设、 采空区范围等开采技术因 素。 全部充填工艺可以有效改变煤体、 围岩的受力状 态,将其所受的采动压力由四周煤岩体承担改为充填 物和四周煤岩体共同承担,有效分散采动影响压力,减 少应力集中。同时,充填体将承受和转移顶板的大部 分压力,有效抑制顶板下沉和底板隆起。一般情况下, 采用全部充填工艺的采煤工作面,其初次来压和周期 来压都不明显,有的几乎观测不到,工作面和回采巷道 的矿山压力显著减小,对于减小回采区域的煤岩体应 力和采煤工作面、 回采巷道的顶板维护非常有利。而 在某一区域连续采用全部充填工艺,可以使该区域不 留孤岛煤柱,可以有效消除回采区域的应力集中,预防 冲击地压的发生。 2全部充填工艺可以减少采动影响造成的顶板 导水裂隙高度和底板的破坏深度;同时采空区已基本 全部充实,不存在老空积水威胁。达到“ 无空无水,顶 底不突 ” 的目的 全部垮落法管理顶板的采煤方式,其上覆岩层遭 到破坏程度随采厚的增加而增加。据矿压观测资料统 计,我省煤炭主采区的济宁矿区采用综放工艺开采时, 其3煤的垮落带高度一般为1230m,导下转第3页 1 2010年第1期 是无法改变的趋势。当前正在大力开展建设本质安全 型矿井,那就必须要有治本的措施,必须探索和研究治 本之策,采取有效手段掌握和控制顶板岩层的运动规 律,减弱顶板岩层运动的冲击强度,从根本上防治冲击 地压的危害,应当说实行矸石充填方法是当前行之有 效和比较成熟的技术。 3 实行绿色开采是改变煤矿形象、 节能环保的需要 煤矿在开采过程中产生大量矸石,长年累月堆积 在地面,既污染环境,又占压土地,历来是煤矿的标志 性建筑。据统计,山东省煤矿共有矸石山231处,其中 在用207处,停用24处,在地面堆积的矸石有20亿t 之多,并且每年都要增加几千万吨。这些矸石山都不 同程度的存在着自燃、 坍塌、 爆炸等不安全因素,有的 矸石山周围还有许多建筑物和居民住宅,安全距离不 符合安全距离要求。2005年连续发生三起矸石山坍 塌、 爆炸事故,造成严重的人身伤亡和财产损失。为 此,省有关部门专门下发了加强矸石山安全监管的文 件。虽然多年来各煤矿企业采取多种方法解决矸石再 利用问题,上矸石电厂、 煤矸石砖厂,回填塌陷地等等, 但解决煤矿矸石堆积的问题仍然是任重道远。近年 来,新汶矿业集团为解决矸石堆积问题做了大量工作, 上接第1页水裂隙带高度一般为40～88m。 实验表明,充填开采的采空区在充填及时、 足量的 情况下可以做到不形成垮落带,导水裂隙带的高度也 大大减小。采用全部充填工艺时,其导水裂隙带高度 不足全部垮落法的15 ,甚至有时导水裂隙带不明 显。因此,充填开采可以减少因采动引起的煤层上覆 岩层破坏造成的裂隙导水。 同样,全部充填工艺对于煤层底板的破坏程度也 大大减轻,其“ 下三带 ” 破坏程度比全部垮落法轻很 多。这对于受承压水威胁煤层安全开采,在辅以其他 安全措施的情况下,安全程度大大提高。 煤矿的水害事故多数是透老空水事故。山东省从 2000年至今发生的10起重大透水事故中,透老空水事 故7起,占事故总数的70。而采用全部充填开采时, 由于工作面采后不能形成采空区,不会产生采空区积 水,可以从根本上消除采空区透水威胁。 3全部充填工艺有利于“ 一通三防 ” 管理,全部 充填开采由于基本消灭了采空区,可以达到“ 风走正 道,火点不着,瓦斯没了 ” 的目的 采空区管理已经成为煤矿“ 一通三防 ” 安全工作 的重点。多数煤矿为此投入了大量的人力、 物力。对 于完全封闭的采空区,不仅要防止密闭墙体的漏风,还 要预防新鲜风进入采空区造成有害气体溢出;更要预 防悬顶较大的采空区突然垮落形成的冲击。有的要对 采空区气体采取强制抽放措施;有的要采用注氮或注 浆等防火措施。 采用全部充填法的采煤工作面采空区非常密实, 没有明显的空间,不能形成有效的通风通道和集聚气 体的空间,可以有效消除采用全部垮落法采煤造成的 采空区漏风,对于通风系统的稳定可靠非常有利。 全部充填工艺对防止煤层自然发火的效果非常明 显。煤层自然发火必须同时具备3个条件① 煤层本 身必须具有自燃倾向性;②有连续适宜的漏风供氧条 件;③ 热量易于积聚。采用全部充填法的采煤工作面 采空区都是由不燃物质填实,不具备自然发火的漏风 供氧条件和热量易于积聚的必备条件,完全可以有效 预防煤层自然发火。目前采用全部充填法的工作面, 生产过程中,没有一处发生自然发火,也充分证实了这 一点。 采空区有浮煤和多种有害气体,煤炭氧化的早期 还能释放大量的热和瓦斯。工作面回采过程中,其瓦 斯来源主要是本煤层和采空区。正是由于采空区的瓦 斯积聚,有时可能造成采煤工作面支架间、 回风隅角处 瓦斯浓度较高,甚至局部达100。当采空区顶板大 面积垮落,这些有害气体就会突然涌到工作面风流中, 造成事故。2001年3月20日某矿采煤工作面采空区 瓦斯爆炸连续达20几次。 3 结论 开采煤炭必然产生采空区,极易形成采空区的沉 陷、 气体大量逸出或爆炸,其灾害严重性与开采规模成 正比。我国是世界上产煤最多、 采空区面积最大的国 家之一,由采空区导致地面塌陷、 地上建筑坍塌、 滑坡 及地表水流失等,已成为地域性矿山生态环境问题。 据相关部门统计,仅山西省各类采空区面积就有2万 km2,占全省总面积的1/7;大同市曾因采空区塌陷造 成3. 8级地震,一年内最多发生采空区塌陷37起,并 造成人员伤亡。 目前,煤矿采空区治理虽然已经引起了国家和各 有关部门的重视,但由于采空区的治理在国际上也属 于难题,采空区的治理效果还不很理想,采空区的有效 治理仍任重而道远。采用全部充填工艺时一般不会形 成的采空区,因此推广应用该工艺,可以有效减轻采空 区的治理压力。 全部充填工艺尽管在推广应用中吨煤会增加近百 元的直接成本,且其工作面生产能力较小,但采用全部 充填工艺既可以缓解采煤引起的矿山压力显现,有效 防止顶板事故和冲击地压事故的发生,又能够有效减 少采动影响造成的裂隙导水和采空区积水造成的突水 威胁,还便于“ 一通三防 ” 管理,缓解采空区治理压力, 是一项值得推广应用的工艺。 3 2010年第1期