“剃头”下山论文.doc

“剃头” 下山开采安全隐患分析及防治对策张玉涛1,2，王德明1,21. 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州 (221008)2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 (221008)摘 要：针对当前煤矿生产中普遍存在的“剃头” 下山开采模式，进行了深入地研究和探讨，分析了其中存在的重大安全隐患，如水患严重、运输困难、灾变时极易发生风流逆转等，并配合具体的事故案例加以阐述，最后提出了相应的防治对策。关键词：“剃头”下山开采；安全隐患；下行通风；风流逆转；煤矿事故1. 引 言近年来，我国煤矿事故频繁发生，2000 年以来，仅死亡一百人以上的煤矿事故就发生了8 起之多，具体分布如下表1，煤矿安全形势已经相当严峻。尽管国家为保证煤矿安全采取了一系列相关的政策，但是仅从政策上着手并不能有效地根治煤矿事故这一顽疾，最重要的还要从技术上下功夫，也就要尽可能地减少煤矿生产中存在的重大安全隐患。笔者在对以上8 起死亡百人以上煤矿事故的总结中发现，各个发生事故的矿井全部采用了下山开采，而其中5 个事故煤矿采用了“剃头”下山开采模式。2005 年的煤矿安全专家会诊中也发现，“剃头”下山开采模式在当前煤矿开采中普遍存在，已经成为影响煤矿安全生产的重大顽疾，同时也为煤矿事故的发生埋下了重大的安全隐患。2. “剃头”下山开采的概念所谓的“剃头下山”开采，是指在下山开采过程中，主要进、回风巷仍在继续向下延伸时，就组织工作面进行开采或掘进的一种开采模式。在这种开采模式下，采区的主要进、回风巷尚未贯通，通风、供电、排水等系统均没有形成和完善，就已经开始布置采煤工作面进行生产，属于一种边开拓、边采掘的开采模式，如图1。3. “剃头”下山开采的形成原因“剃头”下山开采模式是在一定的历史条件下形成的，并受许多客观因素的影响，归结起来，主要有以下几方面的原因：（1）经济原因。前些年煤炭市场疲软，企业生产经营遇到前所未有的困难，很多煤矿企业无力拿出大量资金对开拓延伸工程及通风防治水工程进行投入；2001 年以来，煤炭经济有所好转，有些集团公司虽然加大了对开拓工程的投入，但也只是杯水车薪，难以有效解决该问题；另外，由于受各种因素的影响，不能实现矿井水平的正常更替，为了保证出煤量，维持经济效益稳定，各矿不得不在通风系统尚未完善的情况下就组织工作面进行生产。（2）开采方式影响。采煤工作面全面推广一次采全高放顶煤开采，开采强度增大，产量提升速度更快，井巷工程欠帐紧张的局面无法得到有效的缓解。（3）瓦斯原因。有些矿井为瓦斯高突矿井，给开拓掘进工作带来了很大的困难，开拓掘进速度明显变慢，并大量增加了用于瓦斯防治的开拓掘进巷道。（4）水害原因。随着开采深度的增加，水害威胁越来越大，增大了开拓难度，增加了用于疏放水及防治水的开拓工程量。（5）矿压影响。随着采区向深部延深，生产战线长，矿压显现加剧，巷道失修率高，前掘后修，巷道维护大量挤占了开拓力量。（6）地质条件影响。部分矿井采区由于地质条件的变化，如构造多、煤层变薄、受相邻煤矿的越界开采等原因，采区开采储量锐减，造成井巷工程欠帐更多。4. “剃头”下山开采存在大量事故隐患“剃头”下山开采模式，虽然在一定程度上暂时缓解了出煤量的不稳定问题，但是其中却存在着大量的安全隐患：（1）排水、运输、瓦斯抽排以及通风系统不完善剃头下山开采多数是因采场接替紧张而造成的非正常开采，首采面投产时开拓系统尚未完工。有的下山采区不是一次设计到位，采区巷道不断变化，使生产环节和通风系统趋于复杂，因此，系统抗灾能力差，在排水、运输、瓦斯抽排以及通风系统方面存在着很大的安全隐患。（2）采区内存在多个采、掘工作面，安全隐患大剃头下山开采方式，回采工作面生产、下山掘进开拓与下阶段回采工作面巷道的掘进等工作都需要同时进行，在一个区域工程多，出现多个掘进面，较多的人员在一个抗灾能力较弱的区域内工作，势必带来事故发生的潜在危险。（3）通风设施多，通风系统安全可靠性降低工作面回采准备与下山的开拓延伸，在下山与下山之间、下山与水平大巷之间、开拓延伸的下山下部与承担通风、运输的任务的下山上部之间，新工作面的顺槽掘进工作面与下山之间等都需要设立通风设施，一个区域内通风设施多，通风系统就复杂，安全可靠性就大幅降低；因施工队伍多，回采、掘进同步作业，因此采区内行人、运煤、运料，风门频繁开关，且易遭到损坏，通风设施易失效引起风流短路，进而造成工作面甚至整个采区缺风、无风，引起瓦斯超限。（4）下行通风存在许多的安全隐患下山开采中作为主进风的下山巷道必然要采用下行通风。上行通风时，新鲜风流自进风上山进入采区，清洗工作面的乏风后，经回风上山流入回风道，新风流和乏风流均向上流动，沿倾斜方向的风路较短。下行通风时，新风由进风下山进入采区，清洗采煤工作面后的乏风要经下山流回回风道，风流在进风下山和回风下山内流动方向相反，通风路线长；且进风下山和回风下山相距较近，属于平行反向流动，风压差大，故漏风严重，通风效率低；而且进、回风路线之间交叉点多，通风设备多，管理困难。下行通风在灾变（发生爆炸或火灾）条件下容易产生风流逆转，因为爆炸或火灾产生的热空气所形成的热风压与通风机作用相反，特别是在下山剃头开采的条件下，通风压力小，热风压的作用就特别容易起主导作用，造成风流逆转，这时，灾变气流就会侵入到邻近的工作区域，如果逆流到进风巷道，就会随风流迅速侵入到工作面等人员集中的场所，造成大范围的人员伤亡。因而，下行通风的抗灾能力比上行通风要弱得多；如果矿井有煤与瓦斯突出危险，那对于下行通风更应该慎之又慎，因为突出的瓦斯如果浓度很大，极易产生瓦斯逆流，使某些场所瓦斯浓度超限，万一发生爆炸后，灾害波及的范围就很容易扩大，如图2 所示。瓦斯风压可近似按下式计算:PCH4 = （0 CH4） gZC (3.1)式中，Z 风流流经井巷始末两点高差，m；0 井巷中不含瓦斯的空气密度，kg/ m 3；CH4 瓦斯的密度，kg/m 3；C 巷进回风点瓦斯浓度差巷道压差用下式表示：P= 2L(m+a) /maV2 (3.2)式中， 空气流动摩擦系数，NS2/m4 ;M 巷道高度，m；A 巷道宽度，m；V 巷道风速，m/s。下行通风巷道，当CH4 P = P 时，风流就会停滞；CH4 P P 时，就会逆转。例如，巷道倾角为10，高度为2m ，宽度为4m , 取0.035NS2/m 4，0取1.2kg/ m3 ，CH4取0.664kg/m 3 ，巷道风速为1m/s，则相应使风流停滞或逆转的瓦斯浓度C5.8 ，如果巷道倾角增大，浓度C 就更小，这在有瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的地方是很容易达到的条件。当这个条件产生时，巷道内风流就会停滞或逆转，导致风流的不稳定或系统混乱,扩大灾害，为排除事故和抢救工作增加困难。（5）下山采区逃生困难下山采区中人员逃生必须走上坡路，比走下坡路需要更多的逃生时间，遇到突发事故，逃生难度相当大。木冲沟、大平、孙家湾等煤矿事故中，都因缺少逃生路线，逃生困难，很多人员死于一氧化碳中毒窒息。5. 典型事故案例分析下面以发生于2000 年的贵州木冲沟煤矿事故为例，做进一步地阐述和分析。2000 年9 月27 日20 时30 分，贵州省水城矿务局木冲沟煤矿四采区发生一起特别重大瓦斯煤尘爆炸事故，事故波及整个四采区，造成162 人死亡，37 人受伤，直接经济损失1227.22万元。5.1 矿井概况木冲沟煤矿位于贵州省六盘水市境内，1974 年10 月投产，2000 年计划生产煤炭77 万吨，18 月实际产量52.3 万吨。矿井为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为29.93m3/min，相对瓦斯涌出量为16.63m3/t，并具有突出危险性；煤尘爆炸指数为27%36%，具有煤尘爆炸危险。矿井采用抽出式通风，两台轴流式风机，一用一备；矿井需风量为4510 m3/min，实际风量为5078m3/min，矿井负压1930Pa，最大风量流程为8040m。井田采用走向平硐开拓，划分为一个水平，即+1800m 水平，单水平上、下山开采，如图3。井田沿走向划分为8 个采区，现开采的是第四采区下山部分。四采区为三条集中下山开拓，其中进风下山和皮带下山进风，轨道下山回风。西翼共布置两个回采工作面（41112 综采工作面和41114 高档普采工作面），一个综采准备工作面（41114 综采工作面）和六个掘进工作面（41116 工作面机巷、轨道巷、开切眼，41118 工作面轨道巷，采区进风行人下山和皮带运输下山）。其中，综采工作面正在安装，六个掘进工作面也正在施工。5.2 事故发生原因及经过9 月27 日，事故当班井下有244 人作业，41116 轨道巷掘进工作面因更换局部通风机停电停风造成瓦斯超限，排放瓦斯过程中，现场人员违章拆卸矿灯产生火花，引起瓦斯爆炸，如图4 所示。5.3 总结事故发生的主要原因是该矿通风系统不完善，而且在生产技术及安全管理上存在相当严重的问题，主要表现在：（1）该矿属于明显的“剃头下山”开采，生产过于集中，而且没有形成完整的通风系统，该矿带来诸多的安全隐患，如生产集中、通风系统复杂，造成了通风设施，如风门、风机和风筒等设施增多和管理不善，很容易发生风流短路和漏风现象，致使矿井有效风量仅为所需风量的87%，风量严重不足；采用下行通风，致使工作面瓦斯爆炸后产生风流逆转，许停电停风 瓦斯积聚 违章拆卸矿灯 瓦斯爆炸 煤尘爆炸多位于进风口的人都未能幸免于难，这是导致灾害事故扩大最主要的原因。（2）在未经批准的情况下，该矿擅自修改采区设计方案，即在四采区一翼布置2 个生产工作面、1 个综采准备面和6 个掘进工作面，导致生产过于集中，布局不合理，致使通风系统复杂，风流不稳定；而且超通风能力组织生产。（3）通风设施不可靠。+1813 水平石门的三道风门开启频繁，其中两道风门被卡住不能关闭，而且第一道风门被撞变形，造成漏风量增加和风流短路；进风下山临时板门也被撞断撞垮，造成漏风量进一步增加，减少了整个系统的有效风量。（4）机电与局部通风管理混乱。局部通风机更换后不及时调换机电设备管理的牌板，造成误开、停局部通风机，而且井下经常停电停风，造成采掘工作面瓦斯超限和局部通风机无计划停电停风频繁。6 月1 日至27 日，有据可查的瓦斯超限达23 次，无计划停风达17次，采掘工作面安装的瓦斯断电仪发生故障15 次。（5）违章排放瓦斯。在排放瓦斯过程中，事先没制定任何排放计划，在排放瓦斯影响的区域内也没有设置警戒，而且没有采取停电、撤人等措施，矿山救护队员作业时也未佩戴呼吸器；更重要的是，位于41114 机巷的四台局部通风机同时运转排放，造成41114 机巷局部通风机以里部分巷道内风流不稳定和产生循环风；再加上41116 轨道巷因积水导致回风巷断面变小，阻力变大，回风不畅，致使41114 机巷第四联络巷附近巷道内的瓦斯浓度达到爆炸极限（6）没实行分区通风，工作面串联通风严重。进风下山的新风经过41116 机巷、41118轨道巷掘进工作面后，乏风又串联至进风下山和皮带下山掘进工作面，导致事故扩大。（7）职工素质低。该矿一线职工70是农民协议工，由于缺乏安全培训，都不具备起码的安全常识，甩掉煤电钻综合保护装置作业、用新鲜风流吹瓦斯监测探头和在井下拆卸矿灯等严重违章现象屡见不鲜；而且对防尘工作不重视，掘进工作面遇到断层时，便将防尘水管改成压风管使用。6. “剃头”下山开采解决措施要消除“剃头”下山开采，可以从以下几个方面着手：（1）转变观念，强化安全意识，树立“安全第一，生产第二”的思想，即使牺牲生产，也要先把安全问题解决，要认识到只有确保安全才是产量提高的有效前提。所以，进一步转变观念，强化企业领导、员工的安全意识，加强安全管理，对于煤矿安全生产是非常重要的。（2）矿井设计规划时，应该合理布置采掘关系，实现正常更替，防止因采掘关系紧张造成不合理开采，而形成“剃头”下山开采现象，导致事故隐患的出现。同时，加大对井巷工程的投入，集中力量解决井巷开拓问题，完善开拓系统，形成完整的通风系统、排水系统之后，再进行采煤工作面的生产。（3）加强对瓦斯的治理。随着开采深度的增加，可能会带来瓦斯隐患增加的现象，增大了开拓掘进工作的难度，就会大大影响掘进速度，从而造成采掘失调，因此必须加大瓦斯抽放力度，完善瓦斯抽放系统，不能让瓦斯成为桎梏煤矿正常生产的瓶颈。（4）加强水患的治理，采用三维地震、瞬变电磁勘探、开凿水文地质观测孔等措施加强对水患的监测监控，同时进行底板注浆，加固系统。另外，在采区需要配备排水泵及配套电控，并铺设管路，制定完善的排水措施（5）提高巷道支护水平，减少甚至避免巷道冒顶垮落，保证巷道的稳定，避免因巷道维修挤占掘进工作的时间。同时，加强对巷道掘进技术的改进，提高巷道掘进速度，即便因其它原因影响巷道掘进开拓，也能够在较短时间内，完成巷道掘进，从而跟上采煤工作面的推进速度，保证二者进度协调一致。7. 结语“剃头”下山开采模式在煤矿水平更替困难时期，对于保证出煤量、维持煤矿经济效益的稳定起到了一定的作用，但是同时也带来了重大的安全隐患，如排水、运输、瓦斯抽排以及通风系统不完善，容易发生风流或瓦斯流逆转以及逃生困难等。各煤矿应该树立“安全第一，生产第二”的思想，采取各种措施，尽量避免“剃头”下山开采，以保证煤