说起煤矿开采,大部分人对它的印象都是“地下挖煤”,却很少有人知道,埋在地底下的煤层并不都是水平的——有些煤层像被巨大的外力掰斜,倾角超过45度,甚至能达到七八十度,几乎接近垂直,这就是开采行业所说的“急倾斜煤层”。
我国是世界上急倾斜煤层储量最丰富的国家之一,国有重点煤矿中约17%的矿井都赋存急倾斜煤层,地方煤矿的占比还要更高。但这种煤开采起来却格外凶险,历史上不少重大煤矿安全事故都发生在急倾斜煤层开采工作面。为什么倾角大一点,危险就翻了倍?今天我们就来好好说说它的开采门道。
和缓倾斜煤层比起来,急倾斜煤层从赋存条件开始,就自带buff叠满的风险。我们先从最直观的物理特性说起,当煤层倾角超过45度之后,采落下来的煤块和冒顶落下的矸石都会顺着斜面自动往下滑。自动下滑听起来好像省了运煤的力气,实际却是极大的安全隐患。高速滑落的煤块矸石像滚石一样,很容易砸伤下方工作面的作业人员,还会冲倒支架,打乱整个工作面的支护结构,稍有不慎就会引发大面积垮塌。
缓倾斜煤层里,上覆岩层的压力大多是垂直作用在顶板上,支架只要扛住垂直压力就能稳定;可到了急倾斜煤层,倾角变大之后,垂直分力变小,沿着倾斜方向的下滑分力反而变大,顶底板都有沿着斜面滑动的趋势,护巷煤柱容易片帮塌落,就连巷道里的支架都会因为承受不住过大的侧压力,常常出现顶梁没坏、支柱先被压断的情况,整个采场支护的难度翻了好几倍。
倾斜角度大,工人在工作面走路都要踩稳防滑,行人、运料、采煤每一步操作都比缓倾斜煤层困难得多;再加上很多中小煤矿的急倾斜煤层厚度偏薄,作业空间本来就小,人员活动受限,操作稍有失误就容易引发事故。通风方面,因为煤层倾角大,采空区更容易积聚瓦斯,瓦斯比空气轻,顺着倾斜往上漂,一旦通风系统不完善,很容易达到爆炸浓度,引发瓦斯爆炸事故。急倾斜煤层很多都存在老空区积水,因为煤层倾斜,上层老空区的积水会顺着煤层往下渗,越界开采或者没有探清楚积水位置,很容易就打穿积水区。
因为急倾斜煤层的特殊条件,普通缓倾斜煤层的开采工艺没法直接用,必须用专门的特殊开采方法,而每一种方法对管理和操作都有极高要求。现在常用的急倾斜煤层开采方法有好几种,比如倒台阶采煤法、伪倾斜柔性掩护支架采煤法、水平分段放顶煤采煤法等,不同方法对应不同厚度的煤层,可不管哪种方法,都有需要格外注意的风险点。比如过去常用的倒台阶采煤法,虽然对地质条件适应性强,但是工作面支护作业多,工人需要在不同台阶上作业,下方台阶正好在上方台阶的下方,一旦上方有矸石滑落,最先遭殃的就是下方作业人员;还有不少中小矿因为成本限制,依然在使用国家明令禁止的巷道式采煤,这种方法采掘布局混乱,多头作业,甚至连两个安全出口都没法保证,本身就是重大安全隐患。
对于急倾斜特厚煤层,现在常用的是水平分段放顶煤采煤法。这种方法效率高,但是也有新的风险,顶煤放落后,采空区会留下大量悬顶,一旦大面积垮落,会把采空区的瓦斯压出来,瞬间冲坏通风系统,引发瓦斯超限;而且因为分段开采,上下分段开采会相互扰动,应力分布更复杂,更容易引发冲击地压风险。
因为开采难度大,所以很多中小煤矿开采急倾斜煤层的时候,为了多出煤,容易出现超深越界、以包代管、违规开采的问题。很多事故看起来是天灾,本质上都是人祸,管理上的松懈,比地质条件本身的风险还要可怕。
最后也要提醒,急倾斜煤层开采虽然天生风险高,但是只要严格遵守安全规范,用对开采工艺,绝大多数事故都是可以避免的。未来随着智能化技术的进一步推广,会有更多急倾斜煤层实现安全高效开采,把这种原本难以开采的煤炭资源,变成支撑我国经济发展的能源保障。