深井开采特点及部分灾害防治.ppt

,深井开采特点及部分灾害防治,深井开采特点及部分灾害防治一、深井开采的基本状况二、深井开采特点三、深井开采部分灾害及防治,一、深部矿井开采的基本状况,1.概念与意义深部矿井开采的深部标准，目前我国尚无明确规定。根据我国煤矿的地质条件，开采技术水平，矿井装备水平，巷道矿压显现的特征，一般认为采深800m及以上为深部开采，软岩矿井采深600m及以上为深部开采。各国关于深部矿井开采的深部标准并不一致，例如德国为8001200m，俄罗斯、乌克兰为800m，波兰、英国为750m，日本为600m。,深部矿井开采是我国煤矿井工开采面临的重大技术课题之一。随着社会对煤炭需求量的日益增加，开采能力不断提高，开采深度不断增加是井工开采的必然趋势。我国淮南、徐州、新汶、长广、开滦、北票、沈阳、鸡西、抚顺、峰峰、大屯、鹤岗、天府、通化、广旺、平顶山、水城、舒兰等矿区已进入深部开采。沈阳的彩屯矿采深已达1500m。,我国煤矿正以每年812m的速度向深部延深。因此，可以预计，在今后10年内，现有的大部分矿井将逐步进入深部开采。华东地区以每年1015m的速度向深部延深。深部开采出现了一系列新问题和新特点，其中，建井技术难度增加;岩层发生变化，软岩增加，压力增大，巷道位移量增大，巷道维护，尤其是采准巷道维护更加困难;底板突水事故增加;冲击地压发生频率增加;地温增大等。所以煤矿迫切要求对深部开采进行深入研究。,这一问题已引起世界各国采矿界的高度重视，有关国际学术组织已多次召开了以深部开采为专题的国际会议。深部开采出现了一系列新问题和新的特点，其中，由于岩层压力大，巷道位移量显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难．据统计由于深部开采引起围岩变形、位移和片帮、冒落、崩塌等安全事故，占矿山建设、生产事故中总数的40以上，由此所带来的损失，仅死亡人数就占矿山百万吨死亡率中的50以上，至于事故发生后的清理修复、加固等所耗费的资金和影响生产所造成的经济损失则以数亿元计，而且巷道量大面广，有各类巷道5万多公里，每年用于巷道的支护费用达百亿元以上。,世界上已进入深部开采的采矿国家，如德国的鲁尔矿区，乌克兰的顿巴斯矿区等，对深部开采问题进行了大量的研究工作，初步形成一套比较完善的开采体系。我国在深部软岩矿压研究方面也进行了大量工作，取得了一定成果。但在深部开采体系上还有很多工作要做。因此，较系统的研究深部开采的理论和方法十分必要。,2.我国深部矿井开采基本状况,目前我国多数煤矿的开采深度已由50年代平均不到200米，增加到90年代的500米左右。生产矿井1980年平均开采深度为288m，1995年平均开采深度增加为428m，现在平均已达到500多m。据统计，我国已有平顶山、淮南和峰峰等43个矿区的300来座矿井开采深度超过600米，逐步进入深部开采的范畴，其中开滦、北票、新汶、沈阳、长广、鸡西、抚顺、阜新和徐州等近200处矿井开采深度超过800米，而开采深度超过1000米的有开滦赵各庄煤矿1160m，年生产能力230万吨，主斜井副立井综合开拓。,,沈阳彩屯煤矿1199m，年设计生产能力150万吨,立井多水平开拓，新汶孙村煤矿1055m,年设计生产能力60万吨,主斜井副立井综合开拓，北票冠山煤矿1059m，年生产能力81万吨,立井多水平开拓，北京门头沟矿（1008m），年设计生产能力120万吨,主斜井副立井综合开拓等多处矿井。,,二、深部矿井开拓开采的特点,合理的开拓系统和巷道布置方式，表现在技术上能够适应当代采煤工艺技术和装备的发展，创造优异的经济和社会效益，具有鲜明的时代性。许多矿井，即使是新建矿井，隔一段时间就要进行技术改造。一个重要的原因就是生产系统包括开拓部署和巷道布置老化，不适应当代生产技术发展的要求。现代煤矿生产已进入机械化和自动化时代，生产高度集中、开采强度高、产量大，老的和传统的开拓系统和巷道布置，已不能完全适应煤炭生产技术发展的要求，世界各主要产煤国家都在根据自己的具体条件，探索和采用新的开拓部署和巷道布置来建设新矿井和改造老矿井。,具有代表性的开拓部署和巷道布置方式有“三个一”矿井即一个矿井、一个水平、一个采区，较少工作面、联合矿井等，这些新型矿井的共同特点是系统简单、环节少，煤巷多、岩巷少，集中出煤，早期投产、快速达产，充分体现和适应矿井高强度高集中机械化安全生产的特点，适应矿井深部开采的技术要求。1.新区大型联合矿井建设,,联合矿井井型都很大，一般均在1000万t以上，如英国的塞而比矿.下图南非的联合矿井，有10多个矿组成，年产达12001500万t以上，最大的达3000万t。这里仅以博斯杰普矿为例，简述联合矿井构成的概貌。该矿位于南非约翰内斯堡南150km的锡康达城附近，由四个分矿组成，年产2750万t，1981年全部分矿投产。井田分四个区，每个区均用独立矿井分矿以一个输送机斜井、罐笼副井和风井开拓。,斜井断面6.4*2．4m，倾角170，装两台钢绳芯胶带输送机，带宽1500mm，能力2000t／h。输送机把煤卸入每个井口上的容量为12000t的煤仓，然后再通过地面运输长廊用宽1350mm、带速3．04m／s、能力1800t／h的钢绳芯胶带输送机送到两个容量各为200万t的储煤场，供索萨尔液化气厂用煤。,2．老矿区卫星井开拓,卫星井开拓方式的特点是，围绕着老矿井进行新区开拓，通过简单的巷道系统，使新区与已有生产矿井的提升设备连接。这种卫星井的主要优点是能充分利用原有即将报废矿井的生产系统及其地面选煤厂和装车站。从井下连接现有生产设备比新建矿井节省半时间和建设投资；除充分利用老矿井的生产设施外，在向新区过渡时这些设施也能满负荷工作，使矿井有条不紊地从旧区过渡到新区，人员配备稳定；新区只建通风井、人员提升和材料井即卫星井，井筒少、占地面积小，有利于环境保护。,卫星矿井的发展趋势是，从井下掘进贯通巷道与高效能的提升井连接图21。井下长距离运输基本上采用大型胶带输送机和大容量的高速列车。,,地下贯通的，通风和运输大巷图2-1卫星矿井下主要巷道贯通连接,,二采区巷道布置特点1.回采工作面周围应力分布,,图1采空区应力重新分布概貌1工作面前方超前支承压力；2、3工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力；4工作面后方采空区支承压力,图2支承压力的分区A减压区；B--增压区；C稳压区；D极限平衡区；E弹性区,,,图7底板岩层中的应力分布煤体下的σz等应力线,,,图8缓倾斜煤层中变形扩散特征Fig8CharactersofdistortinganddiffusingonthegentlyinclinedseamI一煤层边缘部分下方压缩变形区的轮廓形状；2一采空区下方变形恢复区的轮廓形状,,,以往，所留的保护煤柱均在正常回采全部结束后回收。近年来，采用应力解除法保护永久和半永久巷道，则预先用正规工作面回收保护煤柱，然后在采空区的下方或上方掘进开拓巷道图31，该巷由于处在应力释放圈内，不会再受大的采动影响，容易维护。这种布置方法对深井压力大和松软地层内需长时间维护的巷道，具有明显的保护效果图31巷道布置在预采煤柱后的应力释放圈内,2．采空区内的巷道布置,随着开采向深部的发展，巷道维护愈加困难，经验证明，位于卸压区的巷道，矿压显现小，容易维护。为此，应充分利用自然条件和人为创造条件，使巷道布置既能满足生产工艺要求与整个巷道网路系统协调，又处在容易维护的卸压带内。采空区内布置巷道，正是这种巷道布置原则的具体实践，德国和英国一些矿井已经开始这样做,我国个别矿井也进行实践。在采空区内布置巷道，除前述的先回采煤柱后送巷以外，对主要煤层巷道采区上山，煤层大巷、区段平巷来说，还有两种方法,,,图37巷道在采空区内的布置a一宽工作面掘进的留巷；b一采区上山布置在老采空区内；c一回采巷道布置在老采空区内,图37巷道在采空区内的布置a一宽工作面掘进的留巷；b一采区上山布置在老采空区内；c一回采巷道布置在老采空区内,图32巷道在采空区内的布置a一宽工作面掘进的留巷；b一采区上山布置在老采空区内；c一回采巷道布置在老采空区内。,3．长壁开采的多巷布置传统的长壁工作面，其回采巷道多采用单巷布置，有的为解决掘进和高瓦斯工作面通风问题，也用双巷布置。但美国和澳大利亚，在引进长壁开采后，由于受传统的连续采煤方法的影响，其回采巷道仍采用多巷布置方式，最少要平行掘进三条,多者五条巷道。这种巷道布置方式突出的优点是掘进出煤量大，巷道多，给出煤、通风、行人和材料运送提供了方便条件，可使综采工作面实现高产高效。多巷间的煤柱，可在长壁面回采的同时，用连续采煤机回收。90年代以来，美、澳两国不断创造综采工作面日产、月产和年产的世界纪录，除了其开采自然条件好外，这种多巷布置方式也是重要因素之一。,近年英国也引进了这种巷道布置方式，作为促进其综采工作面实现高产高效的重要技术措施。,,图33长壁工作面的多巷布置,开采,三、深井开采主要灾害防治,深部开采出现了一系列新问题和新特点。其中，建井技术难度增加；岩层发生变化，软岩增加，压力增大，巷道位移量增大，巷道维护，尤其是采准巷道维护更加困难；冲击地压发生频率增加；地温增高；瓦斯含量增高；底板突水事故增加等。所以煤矿迫切要求对深部开采进行深入研究。,（一）深井巷道矿压与控制,深井巷道矿压显现特点1、巷道变形量大深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。俄罗斯和乌克兰的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大；从600m开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量平均增加10％～11％图31。,理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，开采深度每增加100m的巷道变形增量与岩体强度有关。国内外深部开采的实践表明，开采深度为800～1000m时，巷道变形量可达1000～1500mm，甚至更大，与开采深度和岩石力学性质破裂区厚度等因素有关。,图3--1顶底板移近量与开采深度的关系,由于深井巷道变形量大，若支护不合理如采用刚性支架或支架的可缩量不足时，巷道变形、破坏严重，因此，深井巷道的维修工作量大，维护费用高。实践表明，深部开采的巷道翻修率损坏率可达40％～80％部分是由于支护不当造成的，甚至高达100％，与开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数特别是可缩量等有关。2、掘巷初期变形速度大深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。赵各庄矿的现场观测表明，深井巷道刚开挖时的变形速度可达,50mm／d以上，如图32。观测巷道为赵各庄矿13水平东翼阶段运输巷现场称为电车道，埋深1159m，围岩为煤至半煤岩，锚喷网支护。鉴于观测站的设置通常滞后于掘进工作1d有时2d，因此，可以预计巷道开挖瞬间的变形速度将更大。事实上，在深井软岩条件下，测得巷道掘出初期的变形速度高达80mm／d围岩为砂质泥岩，埋深700m。在大的变形速度变形压力作用下，将引起深井巷道的支架载荷急剧增大，从而表现出深井巷道矿压显现的支架载荷变化特点，这就是通常所说的深井软岩巷道“来压”快。,图3-2深井巷道变形速度特点,巷道掘出后，变形速度随时间的延续呈负指数曲线急剧衰减，经过一定时间后趋于稳定图33。如前所述，巷道收敛变形主要是由于处于残余强度状态的破裂区围岩破裂膨胀变形的结果，因此，深井巷道变形速度的上述规律表明①巷道围岩破裂区的形成经历了一个时间过程此时间过程的长短与围岩破裂范围即破裂区厚度有关；②深井巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。,,,3、变形趋于稳定的时间长和长期蠕变变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深井巷道矿压显现的又一大特点。从图29可见，赵各庄矿13水平东运输大巷的变形稳定期变形趋于稳定经历的时间约两个月。巷道变形稳定期与围岩破裂范围大小有关破裂区厚度越大，巷道变形稳定期越长。实测表明围岩破裂区厚度松动圈L≤O．4m时，破裂区的形成即巷道变形趋于稳定的时间为3～5天；L0．4～1．0m时，为5～15d；L＝1．0～1．5m时，为15～30d，L1．5～2．0m时，为30～45d。赵各庄矿13水平东运输大巷的破裂区厚度松动圈实测为2．16m，该巷变形趋于稳定的时间约60d，与上述实测规律一致。,虽然深井巷道开掘后要经过较长时间变形才能趋于稳定，但巷道的收敛变形大部分发生在开掘后较短的一段时间内。赵各庄矿的实测表明，该矿13水平东运输大巷掘出后仅5d的变形量就达到其变形总量不计蠕变产生的变形量的40％～55％，10d后该比例上升到65％～70％。掘巷引起的巷道围岩变形趋于稳定后，变形速度维持在一个较低水平赵各庄矿13水平东运输大巷实测为0.1～0．2mm／d。此后，巷道围岩保持这一速度不断变形，长时期处于蠕变壮态，直至受采动影响。因此，对于服务年限较长的深井巷道，如井底车场、阶段石门、阶段运输与回风大巷等，蠕变将产生较大的巷道变形，它对巷道维护的影响很大，不能忽视。,以赵各庄矿13水平东运输大巷的蠕变速度0．1～0．2mm／d计，若巷道服务年限为20a，则由于蠕变产生的巷道变形可高达730～1460mm。4、巷道底臌量大底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底臌现象具有普遍性。据俄罗斯对部分深井资料的统计分析；①随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大表3-1；②底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大图32。,表3-51产生底臌的巷道比重开采深度／m600800900≥1000底膨比重／％2540约80,,,,,图3-2底臌量所占比重与开采深度的关系,德国通过对200多条巷道的实测，获得了顶底板相对移近量u、底臌量uf均为占巷道原始高度的百分数及底臌所占比重uf／u的平均值如表33。观测资料还表明，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量占巷道原始高度的百分数增加6．6％，而底臌占巷道原始高度的百分数增加3．9％。即开采深度每增加100m的巷道顶底板移近量增量中，底臌占60％，而顶板下沉只占40％。可见，深部开采巷道变形量大主要表现为底臌，而顶板下沉量相对较小。巷道底臌产生的原因是多方面的，已有不少专著论述。究其支护方面的原因，主要是敞底式支护使得底板成为唯一最薄弱的临空面。因此，全封闭支护是控制深井巷道底臌的基本措施。巷道底臌增加了深部开采的巷道矿压控制难度，使支护复杂化。,表3-3巷道顶底板相对移近量及底臌所占比重巷道类别开采深度／mu／％uf／％uf/u/开拓与准备巷道1000221882回采巷道922403280,,,,,,,5、冲击地压发生的频率和强度增大理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。实践表明，深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度普遍较大的金属矿山更为突出。,深部开采的巷道矿压控制原则巷道布置应力降低区；稳定且具有一定厚度的较坚硬岩层中；有一定的法线距。巷道保护无煤柱护巷；煤柱护巷;人工构筑物。巷道支护单一支护；联合支护。巷道卸压巷道内卸压钻孔卸压、开槽卸压、钻孔松动爆破卸压、导巷掘进卸压）；巷道外卸压（上煤层预采卸压上煤层工作面跨采、掘巷道卸压或洞室卸压、宽面掘进）。巷道加固机械加固（锚杆锚索及联合加固）；化学加固（围岩深孔注浆、合成树脂加固）。先柔后刚，二次支护。,,,图55煤层底板中危险区位置的一般示意图SA、SB一支承压力宽度；C一边缘压酥宽度；LA、LB、L1、L2危险区,边缘区压酥带宽度一般可取C＝0.53MM一采高；采空区侧危险区宽度L1、L2可取范围约为10～15m。经验表明，由于在采空区底板上能够形成支承压力集中区，所以在采空区下方的危险区深度可取4～5m。在上方已经采空的岩层中掘进平巷时，同样应当将平巷布置在危险区范围以外。在开采煤层群时，特别是在开采近距离煤层群时，平巷可能不只是受上方采空的作用。这将取决于所采用的准备方式联合的或分层的准备方式，以及还取决于运输平巷是否还作回风平巷使用。在用下行顺序开采煤层时，在运输的服务期间，平巷可受上部煤层开采的上方采空作用，而以后在开采中又受本煤层支承压力的作用，有时还受以后下部煤层开采的下方采空的影响。,由于没有计算危险区尺寸的可靠方法，只好针对具体条件，采用模型方法。建议在可能的条件下，应当将上方被采空的平巷布置在坚硬岩层中，但是这个问题应当根据充分的技术经济计算，并考虑掘进巷道的附加费用，掘进平巷的提高费用和平巷修理费用的变化来决定。不能将平巷直接布置在厚度大而坚硬煤层下方的软岩中，因为此时在多数情况下，支架都要受高压的作用。,解决预测矿山压力显现的问题，可以提高开采的经济效益，及时地预防事故险情，即可以防止采掘计划被打乱，避免人身事故和不必要的冒险，以及减少其它形式的损失。直到现在，对矿山压力显现现象的预测方法，研究的还很不够。只是某些预测方法得到了应用，也不是经常的，而且还有很大的局限性。在文献中会常常论及象地面工程结构问题一样，对采场矿压问题进行计算预测，无疑这是朝着解决问题的最终目标采取的某些步聚。,但在这些见解中，有些确实能够解决工程问题，而多数却偏离实际甚远。解决预测矿山压力显现的问题，可以提高开采的经济效益，及时地预防事故险情，即可以防止采掘计划被打乱，避免人身事故和不必要的冒险，以及减少其它形式的损失。直到现在，对矿山压力显现现象的预测方法，研究的还很不够。只是某些预测方法得到了应用，也不是经常的，而且还有很大的局限性。,冲击矿压治理措施,,为了减缓以至消除冲击矿压危险，必须进行治理，各项研究工作和预测预报的目的完全是为了保证治理工作的有效性和合理性。因此，正确地执行各种治理措施，对于确保安全生产、避免或减轻冲击矿压的危害具有重要意义。根据冲击矿压的发生原因和规律，治理措施的基本原理包括两方面一是减缓应力梯度，即降低应力的集中程度或使应力高峰位置向煤体深部移动，从而避免产生大量弹性能积蓄并释放的外界条件；二是改变煤岩体本身的结构及物理力学性能，以减弱其积蓄和释放弹性能的能力，并减缓其破坏时的能量释放速率。,根据治理的作用目的和时空范围，治理措施分三大类防范措施、解危措施和防护措施。第一类是战略性或区域性措施。这类措施旨在消除产生冲击矿压的条件，其特点是在完备程度上具有彻底性，在时间上具有长期性，在空间上具有区域性。属于这类措施的主要有合理选择开拓布署和开采方式，事先对顶板或煤体进行无冲击处理等。第二类措施为战术性或局部性措施。这类措施旨在对已形成冲击矿压危险或可能具有冲击危险地段进行解危处理，属于暂时的、局部性的措施。卸载钻孔、诱发爆破、煤层卸载、注水等均属此类。,第三类属于被动性措施，目的是在发生小规模冲击矿压时，尽量避免人员伤害或设备损坏。例如，加强支护、宽巷掘进等即属此类。显然．应优先考虑战略性措施。但由于矿山自然地质条件和生产技术情况的复杂性，更主要由于人们对冲击矿压发生条件还不能完全掌握，因此不可避免地形成一些具有冲击危险的地段。因而，战术性的防护、解危措施亦是必不可少的。综上所述，常用的冲击矿压治理措施及其作用原理见表41。,冲击矿压预测技术,冲击矿压防治和研究工作的困难之一在于这种现象在发生前往往没有明显的宏观前兆，这就为预测预报带来很大困难。然而，只有较为准确地进行预测预报，才能有针对性地采取防治措施，治理工作才能收到良好的安全效益和经济效益。此外，在采取治理措施后必须检查其有效性，目前的检查方法与预测方法相同。因此，必须对冲击矿压预测预报工作给予高度重视，这是冲击矿压研究和防治工作的特点之一。,也正是由于上述原因，预测预报工作是冲击矿压学科中进展较快的领域。除了传统的钻屑法等检测方法以外，利用电子计算机技术的大型监测系统已发展到实用阶段。可以说，冲击危险预测手段的水平反映出一个国家的冲击矿压研究工作水平。冲击矿压预测预报的任务是预测它的发生地点、时间和规模。完整的预测预报工作包括鉴别煤岩的冲击倾向和预测冲击危险程度。下面主要介绍冲击危险预测。,冲击危险是指发生冲击矿压的条件和可能，冲击危险程度是指发生冲击矿压条件的完备程度。冲击危险预测是在已知煤岩具有冲击倾向的条件下，利用各种手段，具体预报冲击矿压的时间、地点和规模。完整的冲击矿压预测预报步骤包括以下阶段在煤田地质勘探阶段，利用勘探钻孔岩芯或煤样，进行实验室力学试验，鉴别煤岩的冲击倾向度，把鉴定结果编入地质报告，作为矿井规划和设计的依据，以便在矿井设计中考虑可能的防治措施。,在矿井开拓阶段，有关煤、岩层被揭露后，再进行现场和实验室煤岩冲击倾向鉴定，补充修正地质报告，为采区生产准备提供依据，以便在生产之前采取相应的防范措施。在矿井生产阶段，进行冲击危险预测，以便及时采取治理措施，避免冲击矿压造成灾害性事故。,冲击危险预测的理论基础是冲击矿压机理。对现场的煤岩体来说是煤岩体受力后伴随变形而产生应力，并消耗与积蓄一定的变形能，在破坏后物理结构状态发生变化，因而煤岩体是否即将发生破坏，破坏的形式与规模如何，可从现场煤、岩层的应力，应变，能量应力与应变的综合或物理结构状态的变化而预测。,冲击矿压预测方法分类一、岩石力学方法1．钻屑法2．煤岩体变形测量3．煤岩体应力测量4．地质构造形迹分析5．孔径底冲头挤压法,二、地球物理方法1．地音与微震监测2．流动地音法3．锤击波速法4．地电法5．地磁法6．重力法7．超声法三、经验类比分析法,第一类是以钻屑法为主的岩石力学方法，即探测煤岩体某一点的物理力学状态，以此预报该点当时的冲击危险程度。该类方法的优点是操作方便、设备简单、测定结果直观可靠，故得到广泛应用；其缺点是探测工作在时间上和空间上不连续，消耗人力和时间较多。,第二类是以地音和微震监测方法为主的地球物理方法，即在测点埋设传感器，收集煤岩体发出的声震、电磁、重力和温度等各种信号，经过数据处理加工、分析，以此预报监测区域范围内的冲击危险。监测工作在空间上和时间上是连续的，信息丰富、便于数据传输，实时处理、遥测遥控；缺点是需要管理维护复杂的自动化设备，而且数据解释的难度较大，准确性及直观性也较差，需要经过长期的试验，积累大量数据，以取得经验。,第三类为经验类比分析方法，即分析生产地质条件，根据实际经验判别冲击危险程度。这类方法常用于圈定重点监测区域，指定探测范围。,,深矿井开采中的地热控制,,深矿井开采的地热控制地热和瓦斯在煤矿开采中普遍存在。解决地热和瓦斯问题的传统方法是加强矿井通风。但是当进入深矿井开采后，由于地热增大，仅靠通风有时不能使矿井温度达到规定的环境标准。因此，在深矿井开采中，要有效地控制地热，除了搞好矿井通风外，还要采取一些专门的方法和措施。,,一、地热控制地热控制就是控制矿井温度，即把较高的矿井温度降低到允许的温度。有效的方法是在矿井或采区安装空调机，进行制冷降温。安装矿井空调需要增加制冷设备投资和制冷设备运行费用，从而增加矿井投资和煤炭成本。矿井空调在一些发达国家，如俄罗斯、德国、英国等国家使用早、发展快。他们使用和发展的情况如下,,1．空调的安装采用集中式和分散式两种集中式空调安装在地面或井底车场，为全矿井服务；分散式则安装在采区或工作面，为采区或工作面服务。分散式设备投资小，安装简单，使用较早，但制冷量小，降温调节范围小，运行费用高，故目前多使用集中式设备。2．空调机制冷量大随着矿井空调由分散向集中发展，以及地温增高，空调制冷量有加大趋势。如德国地面集中空调的制冷量大都在10MW左右。平均每个矿井的制冷机容量为8．5MW。,,3．矿井空调发展快随着对矿井空调研究的深入，安装空调的矿井越来越多，矿井空调的总制冷量逐年增加。如德国在70～80年代，大规模发展空调，空调制冷量平均每年增加30MW。俄罗斯、波兰等国也在不同时期经历了大规模发展的阶段。目前这些国家矿井空调技术都已达到了比较高的水平。与这些国家相比，我国在矿井空调发展方面存在较大差距,,1矿井空调发展缓慢我国从80年代开始研究矿井空调，“平顶山八矿矿井降温技术研究”是“七五“国家科技攻关项目。但到目前，仅有少数矿井采用空调，矿井空调总制冷量小。2空调安装多采用分散式，大多仅用于采掘工作面降温。3空调设备质量不过关，使用中故障多，使用寿命短。在矿井空调技术方面的以上差距也反映了我们在深矿井开采中的差距。对矿井空调的认识不足，重视不够。空调虽然会增加矿井负担，但它是我们深矿井开采中解决热害问题的种必要手段。,淮南矿区矿井热害防治实例,1.淮南矿井热害现状随着开采深度的不断增加，淮南矿业集团地热灾害问题日益严重。目前解决工作面高温问题主要采取加大风量、降低机电设备散热、缩短作业时间等措施，但都不能有效解决热害问题。矿区深部一600m以下工作面、掘进头夏季温度达30～36℃，有的工作面上隅角温度高达37～40℃，加之空气污浊、湿度几乎达100％，闷热难当，工人在高温环境中作业，身心受到极大伤害，频繁出现中暑、昏厥、休克现象，神志恍惚，往往处于昏昏欲睡状态，机警能力降低，经常发生低级错误酿成工伤事故，劳动生产率下降．,,矿井向深部延伸、大型机械化设备的采用,开采强度的加大，采场向深部延伸的速度加快，加剧了工作面温度环境的恶化。目前矿区的开采重心在一650m，并正以10m／a的速度向下延伸,并且由于瓦斯治理的需要，必须尽早采用下山开采,首先开采煤层较薄的保护层如新区的11*煤层,为主采突出煤层的瓦斯治理留出时间和空间。造成延伸深度大、距离远、通风断面小、风量有限，因此下山采区保护层开采的工作面温度很高。瓦斯治理、开采程序与劳动环境的矛盾尤显突出。,,热害问题已经成为制约淮南矿业集团安全生产、高产高效、和谐发展的瓶颈，如果不能有效的解决地热灾害问题，必将严重阻碍淮南矿区的新一轮生产和建设的发展。为此淮南矿业集团制定了“分步实施、科技引导、国际合作、装备一流”的中长期热害治理发展规划，2006年在潘21711，潘三141021两个高温工作面同时引进两套德国WAT公司生产的移动式大气降温机组，进行矿井热害治理的尝试。2矿井热害原因分析淮南矿井煤层一600m标高大部分区段地温超过31℃，局部区段大于37℃．其中潘一矿一650m标高围岩温度达到37℃，潘三矿一650m标高地温达到36．3℃。,,顾桥矿井、丁集矿井等都属于以地温异常为主的高温区，其中顾桥矿井地温梯度平均为3．08℃／100m，垂深500m岩石的平均地温在31℃以上，已达一级热害区．垂深700m岩石的地温在37℃左右，进入二级热害区，垂深800m岩石的地温达40℃。矿井设计第一水平标高为一780m，地温为37．7～43．7℃，平均为40．1℃。丁集井田恒温带深度和温度分别为30m和16．8℃，矿井平均地温梯度为2．52～4．02℃／100m，绝大部分地温梯度大于3℃／100m。矿井设计第一水平标高一826m，地温达到43℃。淮南矿区井田地温异常的主要原因,,1井田地质构造比较复杂，断层多，特别是受郯芦断层构造的影响，沟通了上地幔的热流通道，将深部热流导人浅部致使岩温升高。2淮南矿业集团新区地处潘集背斜隆起区域，由于岩层结构的变化改变了热流方向，垂直层理方向的导热性能小于沿层理方向的导热性能，从而导致了井田不同地带温度场分布的差异，越是靠近背斜轴部地温越高。3淮南煤田的岩浆岩侵入限于上窑、潘集、丁集勘探区，一般呈层状侵入，引起矿区九龙岗、潘集、丁集、顾桥地温异常。4煤系地层上覆有较厚400m以上的第四系松散层，形成锅盖效应，地层散热条件差，聚热效应明显。在同一深度相同地质条件下，其上覆的第四系地层越厚，地温也越高，淮南新老区的地温差异很大，原因正在于此。,,5矿井生产过程中产生热源，主要包括围岩放热、老塘煤炭氧化热和机械散热等。3工作面局部降温系统3．1工作面环境温度分析潘三矿141021工作面位于西二采区一810m水平，地温梯度3．42℃／100m钻孔资料，岩温43℃．根据实测资料，141021工作面夏季的进风温度为32℃，湿度96．6％，风量2000mx／min，在无降温措施的情况下，进风巷道内从起点至末端温度逐渐升高到33．2℃．工作面中央温度34．5℃，工作面末端温度达到35．4℃，湿度100％，中暑现象频频发生，给矿工身体健康和矿井安全生产造成极大危害。热源分析见图1。,图1潘三矿各种热源所占比例,图1潘三矿各种热源所占比例,图1潘三矿各种热源所占比例,,3．2工作面降温系统为实现采煤工作面中央温度低于28℃感觉温度的降温效果，需要制冷功率为1200kW，采用3台制冷功率为400KW的大气降温机为冷源，分别在进风联巷，500m，800m处各安装1台，实现分级降温．风冷机离工作面距离越近降温越好，但是实际中必须考虑工作面后退的速度问题，以免要频繁移动风冷机．本工程选择在工作面进风巷道入口、中端和末端放置风冷机，降温机采用风筒导入的方法，以保证冷风能够送到工作面。局部降温系统的关键是解决散热问题，工程中将4台RK450回冷机和1个约7m3的蓄水箱布置在回风巷道内，热能释放后能够直接排到地面。潘三矿141021工作面降温系统布置如图2。,图2141021工作面降温系统布置图,,4制冷系统降温效果分析潘一矿21711工作面制冷机工作环境温度为33．4℃，冷却水进水温度37℃，出水温度49℃，冷却水流量40m3／h，冷却功率465kW，制冷功率校核为410～430kW。潘三矿141021工作面制冷机工作环境温度32．5℃，冷却水温度38℃，出水温度48℃，冷却水流量45m3／h，冷却功率512kW，制冷功率校核为450～480kW。经过测试，潘一矿、潘三矿局部降温系统对工作面降温效果明显。对潘一矿21711工作面温度环境进行了测试，干球温度最大降低5．2℃，湿球最大降5．18℃，湿度最大降低8．4％，感觉温度最大降低8．7℃。工作面中部温度31．4℃，降温2．6℃，湿球温度29．9℃，下降3．42℃，湿度91．1％，下降7％，感觉温度29．9℃，下降5℃．对潘三矿141021工作面进行降温测试，干球温度最大降幅2．9℃，工作面中部温度下降2．1℃，湿度下降10％，工作面中部感觉温27．1℃，下降3．4℃，同样取得明显降温效果。,图3潘三矿141021工作面降温、降湿幅度曲线,,通过比较该系统在降低干球温度的同时大幅度降低了湿度．感觉温度大幅下降，人体感觉温度是人体觉得冷暖的皮肤温度，它不同于空气温度，人体感觉温度与干球温度、风力风向和空气湿度有直接关系，工作面感觉温度可以用公式近似计算为Ｔgj＝Ｔg一0．55*1一S*Tg一130／9一0．35*37一Tg*F式中Tgj为人体感觉温度，℃；F为相对湿度，％；Tg为干球温度，℃；F为风速，m／s。当环境温度达32℃以上，湿度95％以上时，大气降温机仍正常工作发挥作用，工作面工作环境明显得到改善，通过测试证明，工作面降温取得了预期效果。,,5矿井热害防治的几点想法矿井热害是由多种因素共同作用的结果，应通过综合措施进行治理，开拓布局开采方式的合理调整、通风系统通风方式的优化、风流风量的合理配置与各种制冷方式协调并举，以科学的发展观研究和解决热害治理的问题．5．1非制冷空调降温措施非制冷空调措施中采用的手段主要有改变通风系统、缩短风路、增加风量、采用下行风、隔绝热源、排堵热水、煤层注水、水沙充填、改变采煤方法、个体防护等．这些措施的实施在一定程度上缓解了高温高湿的热害程度，但是这些方法存在一定的局限，难以从根本上解决淮南矿区高温热害问题，尤其是深部开采带来的高温热害。,,1增加风量是淮南矿业集团目前采取的最主要的降温方法．可通过一系列措施实现减少风阻、防止漏风、加大通风机的能力、采用合理分风、加强通风管理等达到降温目的。2在具备条件的工作面利用沿空留巷技术，优先采用“Y”型通风方式，变传统“U”型通风方式为两进一回的通风方式，缩短风流路线，减少巷道散热和采空区氧化热进入工作空间。3利用采区边界上山、高低抽巷等先期准备的巷道，优化和缩短通风路径，在工作面走向长度设计时充分考虑未来工作面的温度问题。5．2制冷空调降温措施在非制冷空调降温措施无法满足作业环境要求的工作面，应采取空调降温措施．平均地温梯度为地温正常区，原始岩温为一级热害区，矿井存在局部或短期的高温工作面，应采用井下局部降温措施；,,平均地温梯度为地温异常区，原始岩温为二级热害区，矿井高温范围较大生产周期较长的矿井，应以集中降温为主，局部降温为辅，集中降温应首选热电冷联产联供，在热电冷联产联供尚不具备条件的情况下，可首先采用局部降温措施过渡。热害矿井在采区、工作面设计中应包括降温方案的设计。下一步，淮南矿业集团将首先在潘一南风井开始实施热、电、冷三联产项目，利用矿井抽采瓦斯，进行瓦斯燃烧发电，瓦斯发电机组冷却及尾气余热通过溴化锂吸收制冷机组制冷，实现热、电、冷三联产联供，提高能源利用率，体现变废为宝、循环经济、环保洁净、节能高效的原则，降低矿井制冷成本。形成瓦斯发电余热制冷井上集中供冷与井下移动制冷相结合的井下降温格局。谢桥、张集矿也将采用这一模式解决矿井热害问题。,,新建高温矿井将采用全井降温措施，矿井投产初期，顾桥矿将采用局部降温措施，矿井生产正常后，采用两台2300kW的井下集中式的水冷机组供冷，保证1个工作面和3个掘进头的降温，可将工作面中部的温度降低到28℃，后期利用瓦斯发电余热制冷的井上集中制冷与井下机械集中制冷结合，保证矿井总制冷量达到10～12MW，可满足井下3个工作面10个掘进头的降温需要。丁集矿井投产初期采用局部降温措施，生产正常后，采用井上水冷机组5000kW集中降温，保证1面3头，后期利用瓦斯发电余热制冷的井上余热集中制冷与井上水冷机械集中制冷结合，保证矿井总制冷量达到10～12MW，可满足井下3个工作面10个掘进头的降温需要。,底板突水防治,一．底板突水研究简况,（一）国外尽管岩溶地层的分布面积占世界大陆面积的四分之一，但由于地质条件及煤层赋存状态的差异性，世界上一些产煤大国如美国、加拿大、澳大利亚、德国、英国等国一般都不存在煤矿开采过程中的底板突水问题。只有匈牙利、波兰、南斯拉夫、西班牙等国，在煤矿开发中都程度不同地受到底板岩溶水的影响。由于国外煤矿开采已有100多年的历史，因此对底板突水的研究也是率先进行的。早在20世纪初，国外就有人注意到底板隔水层的作用,20世纪40年代至50年代，匈牙利韦格弗伦斯第一次提出底板相对隔水层的概念。他指出，煤层底板突水不仅与隔水层厚度有关，而且还与水压力有关。突水条件受相对隔水层厚度的制约。相对隔水层厚度是等值隔水层厚度与水压力值之比。同时提出，在相对隔水层厚度大于1．5m／atm的情况下，开采过程中基本不突水，而80％～88％的突水都是相对隔水层厚度小于此值。由此，许多承压水上采煤的国家引用了相对隔水层厚度大于2m／atm就不会引起煤层底板突水的概念。,在这期间前苏联学者B。斯列萨列夫将煤层底板视作两端固定的承受均布载荷作用的梁，并结合强度理论，推导出底板理论安全水压值的计算公式，即H理安2Kpt2/L2γt/106式中H理安底板所能够承受的理论安全水压值，MPa；Kp隔水层的抗拉强度，MPa；t隔水层厚度，m；L工作面最大控顶距或巷道宽度，m；γ底板隔水层平均重力密度，N／m3。当实际水压H实＞H理安时，底板隔水层就会产生失稳破坏，从而导致底板突水。,（二）国内我国在底