1300余米煤矿深井开采问题之探讨.DOC

1300余米煤矿深井开采问题之探讨 董华斌 冀中能源峰峰集团科技发展部 摘 要介绍建设1300余米煤矿涉及的生产规模、开采下限、奥灰水突出、陷落柱导水、工程应力、绿色无废开采等问题，提出了建设1300余米煤矿的新思路。 关键词深井；建设；问题；探讨 磁西、万东和史村是峰峰集团本部的生产接续区，万东扩大区煤层埋深 900至1300m，磁西一号井煤层埋深900至 1500m，史村勘探区煤层埋深900至1800m，这三块接续区煤层埋藏深度均超过了1000m，磁西一号矿井三个井筒设计深度分别为1100米、1300米、1300米，其它矿井如梧桐庄矿、羊渠河矿、九龙矿也将逐渐跨进千米埋深矿井的行列，深井开采带来诸多问题急需研究解决。 一、千余米埋深造成的矿井生产规模和设计生产能力问题 矿井生产规模和设计生产能力是一对矛盾，影响矿井生产能力最主要的因素是矿井可采储量、地质条件、开采装备技术、经济效益以及国家对煤炭资源配置及市场需求等诸多因素。 深部矿井设计生产能力，应对各相关因素综合分析并作多方案比较，矿井走向深部，煤与瓦斯突出倾向加大或地质构造趋于复杂，工作面单产或布置和接替受到制约，生产能力不宜过大。而针对那些表土层特厚尤其是煤层埋藏深, 只要开采条件允许、符合国家关于资源合理配置的宏观指导政策，能力宜大不宜小，否则深井开采设计上不先进、经济上不合理。2006年实施的煤炭工业矿井设计规范相比于1994年版的矿井设计服务年限均调低了10年。这从侧面也反映了国家有加大矿井设计生产能力的倾向。矿井走向深部，只要开采条件允许、符合国家资源配置政策，煤炭工业矿井设计规范执行说明已经明确了矿井设计生产能力是可以适当加大的。 二、千余米埋深造成的开采下限问题 国家发展和改革委员下发的发改办运行[2007]2850号国家发展改革委办公厅关于转发山东省煤炭工业局优化煤矿开拓布局合理集中生产意见的通知中规定加大对深部煤炭资源开采安全生产技术的研究，不断提高深部资源开采的安全保障程度。今后，大中型煤矿开采深度原则上应控制在1000米以内；小型煤矿开采深度一般应控制在600米以内。开采深度超过开采下限的煤矿，要组织专家对安全生产及灾害防治技术进行专项论证，报省煤炭工业局备案。经专家论证，可以实现安全开采的方可开采；对暂时无法解决深部开采技术难题、安全生产无保障的，一律停止超过开采下限的深部开采。开采深度超过1000米应该按照相关规定组织专家对安全生产及灾害防治进行证。 国家发展和改革委员下发的是征求意见通知，河北省是否执行尚无定论，但是峰峰集团下一步的新区埋深900-1800米，平均埋深在1350米，因此开采之前针对采深超过1000米的确需作出安全生产及灾害防治技术进行专项论证，峰峰集团磁西一号井、二号井、万东井建设之前均应针对水、火、瓦斯、煤尘、顶板、地温、矿震等进行开采论证。 三、千余米埋深造成的奥灰水突出问题 煤层底板突水实质是煤层下伏承压水沿采煤工作面底板隔水层岩体内部通道突破底板隔水层的阻隔，以突发、缓发或滞发的形式向上涌入工作面采空区的过程。影响底板突水的主要因素有含水层富水性、隔水层厚度、水压等。底板有效隔水层的阻水能力降低，底板承压水很容易通过破坏裂隙而进入开采工作面，造成底板突水。 中华人民共和国国家标准矿区水文地质工程地质勘探规范附录G安全隔水厚度和突水系数计算公式（参考件）为 （G2 ） 式中Ts 突水系数，MPa／m； p 隔水层承受的水压，MPa； M 底板隔水层厚度，m； Cp 采矿对底板隔水层的扰动破坏厚度，m。 按式（G2）计算，就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06，正常块段不大于0.15。由公式（G2）中突水系数和隔水层承受的水压成正比关系，换言之，当底板隔水层厚度一定时，埋深越大底板承压越大，突水的概率也在增大。 四、千余米埋深造成的陷落柱导水问题 当煤系下伏岩系为石灰岩、白云岩、石膏等可溶性岩层时，由于流动地下水的长期溶蚀作用，形成了大量的岩溶洞，且规模愈来愈大。在上覆岩石重力的作用下, 溶洞上覆的煤层及其围岩逐渐垮落, 产生塌陷现象，叫做岩溶陷落柱。它常与灰岩水连接, 又具有导水性, 是煤矿重大的水灾隐患。根据是否导水的性质,陷落柱分为导水陷落柱和不导水陷落柱。范各庄矿、任楼矿、东庞煤矿等矿，都出现过陷落柱导水，造成特大灾害。 随着开拓延深的进行，由于埋深增大，地应力增大，有的陷落柱在浅部表现为隔水性较好而在深部表现含水性较强，如河南永城陈四楼煤矿2102工作面的陷落柱就是这样。这一点务请引起大家的注意。 峰峰集团羊渠河矿在深部陆续发现了多个陷落柱，所幸均为不导水陷落柱，应引起高度重视。承压水压力越大, 发生底板突水的概率也在增加。因此陷落柱深部导水的几率也在增加。为防止采动影响引起高压水作用下的扩容和冲刷引起突水，均应进行封堵并按规定留设煤柱。 五、千余米埋深造成的软岩及工程应力问题 地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称原岩应力。地应力是引起地下采矿工程变形和破坏的根本作用力，并且应力随深度的增加而线性地增加。 因此当峰峰集团开采深度达到1000米时，在高应力作用下，大变形、大地压和难支护的现象将更加突出。因此在浅部表现为硬岩的岩石可能在深部表现为软岩的性质。 山东省千米立井唐口煤矿的教训很突出，当巷道距离间距较近时，再次开掘巷道造成应力的重新分布，由于应力重新分布往往会破坏已经稳定的巷道，造成大面积的巷道坏损，一旦巷道应力分布稳定，不要轻易来进行扰动，最好突击施工巷道比较集中区域。深井巷道之间间距应适当加大，这在深井开采中也很重要。对于井底巷道比较集中的井底车场布置方式及巷道间距在设计及施工当中应充分予以考虑。 深部开采要合理控制开采强度，深部采区间和分层间要合理配采，确保顺序开采，避免形成“孤岛”和高应力集中区。 六、千余米埋深地温增高问题 一般把在常温层以下，每向下加深100ｍ所升高的温度称为地热增温率或地温梯度。地球表层的平均地温梯度为３℃． 煤矿安全规程第102规定生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。 孙村煤矿由浅部开采向深部开采发展过程中，到-600m开采水平后，随地温升高，井下出现了明显的高温热害问题。印度某金矿3000m深时地温达70℃。地温升高造成井下工人注意力分散，劳动率降低，甚至无法工作。随着矿井走向深部，深井高温问题日益引起重视，磁西一号矿井有的钻孔温度异常, 峰峰集团下属的梧桐庄矿埋深较大出水温度有异常区，局部出水温度高达41度。 邯郸地区的地温梯度目前尚未有完整的数据资料，因此峰峰地区地温及高温水对开采的影响对深井开采的影响需要进一步研究，以便指导生产。 七、千余米埋深造成的突出倾向 对于高瓦斯矿井如九龙矿北区、薛村矿、大淑村矿、小屯矿、羊渠河矿、牛儿庄矿等高瓦斯区域为了解决高瓦斯问题，在开采大煤之前，将野青作为保护层开采，以解决大煤开采的高瓦斯问题。这在峰峰集团是很成功的。矿井走向深部，瓦斯问题将越来越严重，要解决瓦斯问题，首选开采野青保护层，然后开采大煤，而深部矿井由于奥灰水水压影响，大部分野青因埋深较大隔水层超限无法开采，这就需要以安全为前提进行平衡，因此深部矿井的本煤层抽放所占比重将大大增加，抽放难度可想而知。深部矿井带来突出倾向加大的问题随着矿山的人性化开采应引起高度重视。 磁西一号矿井埋深1000-1500米，预计将遇到瓦斯突出问题。根据淮南经验，应首先选择开采保护层，做到应保尽保，当不能开采保护层时，在工作面的底板施工岩石巷道并施工钻孔预抽工作面上下两巷道的瓦斯，然后掘进工作面上下两巷及切眼。回采之前在工作面的顶板施工岩石巷道并施工钻孔预抽及排放工作面的瓦斯，淮南经验是将回采保护层的极薄煤产生的岩石单独计入产量予以补贴。 八、千余米提升、排水问题, 提倡无废开采 由于埋深问题造成提升、排水线路高度加大，磁西一号矿井主井预计1100米，根据调查国内设备提升没有问题。磁西一号矿井副井、风井预计1300米，根据调查这种提升设备国内煤矿没有使用的，国外有多处矿山已经成功使用。 磁西一号矿井主井预计1100米，根据调查，卧泵排水没有问题。磁西一号矿井副井、风井预计1300米，根据调查这种卧泵排水设备有厂家设计但无实际例子，可以一试但不要作为主要的排水设备。 随着矿井走向深部，提出了无废开采的概念，降低岩巷道的掘进率，实行井下矸石不升井。坚持绿色开采对降低电耗十分有效。随着煤矿向深部发展，生产战线和环节加长，使生产系统趋于复杂，经济效益相对下滑。 九、千余米深井煤层储存有巨大的变形能 煤系地层经历了长期地质构造应力的作用，岩层本身以弹性变形的形式储存了变形能。巷道在接近和穿过地质构造时，这些能量以变形的形式向巷遭内释放，表现为巷道内移。另外，巷道开挖使应力状态从三维向二维转变，在构造应力的作用下，产生非弹性变形，从而导致巷道支护破坏。地质构造破坏了岩层的连续性和完整性，使局部区域和范围内的岩体裂隙发育结构松散，有时甚至因导水而使岩层泥化，变得松散、碎弱，显现软岩的基本特性。在这类构造影响带开挖巷道，极易使巷道产生变形。 深井支护应首先选择容易支护的岩层，其次选用复合支护技术，山东孙村矿采用了新型支护材料破断力27吨的高强锚杆，淮南采用了锚网喷支护然后两次注浆等联合支护技术，底板预打300毫米混凝土，然后3MPa压力注浆，并对底板进行加固。 磁西一号矿井副井、风井深度预计1300米。应考虑应对千余米深井煤层储存的巨大的变形能。 十、深井过突出煤层技术 淮南望峰岗煤矿施工井筒揭露突出煤层发生瓦斯突出事故，造成多名工亡，教训是深刻的。立井井筒在施工过程中发生煤与瓦斯突出,具有危险性大、井筒内高浓度瓦斯难以处理、处理时间长等特点，该事故的直接原因是被揭煤层卸压排放时间短，瓦斯没有充分卸压排放，未按揭煤设计要求全过程采取远距离放炮揭穿突出煤层，掘进施工对煤层采用抓挖作业，诱导煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出2万立方，所有的临建设施全部被摧毁。 淮南集团望峰岗矿施工井筒首先地面预注黄泥浆以便降低施工涌水，深井过突出煤层，打钻测瓦斯压力并不大，井筒施工模具段高4.7米，当揭露煤层3.5米时发生井筒煤层突出。总结经验教训为应降低施工段高度，望峰岗矿施工段高由4.7米降低为1米 ；加大砼支护厚度；实行地面预抽瓦斯；条件允许首先施工煤层上部的岩石巷道，对下部的巷道预抽瓦斯。 十、千余米深井水平应力与垂直应力之比在减小，最大水平主应力和最小水平主应力之比在增大 查明地壳中地应力的大小和方向是矿山工程的基础。总的来说，地壳中垂直地应力的分布规律比较简单，即垂直应力随深度增加呈线性增大。而水平应力的变化规律比较复杂，根据世界范围内116个现场资料的统计，埋深在1000m范围内时，水平应力为垂直应力的1.5～5.0倍，埋深超过1000m时，水平应力为垂直应力的0.5～2.0倍，我国应力测量也具有类似的结果。近年来年有的研究者还注意到了水平主应力在不同方向上的差异，南非由地表到地下3000m之间的应力测量结果，发现最大与最小水平地应力之比高达4倍。 总的趋势是千余米深井水平应力与垂直应力之比在降低，最大水平主应力和最小水平主应力之比在增大，其大小和方向必须及时提供，最大水平地应力是引起巷道围岩变形和破坏的根本作用力，其大小和方向对巷道围岩稳定性影响极大,因此千余米深井地应力大小和方向的测量对巷道支护十分重要。 综上所述，随着开采深度的增加，深井突出事故、井筒破裂、自燃发火、深井涌水等工程灾害都有加剧的趋势，许多新的问题将会涌现出来，因此工程技术人员要有敏锐的思维，在生产中摸索经验，完成峰峰地区深井开采质的飞跃。 参考文献 1. 煤炭工业矿井设计规范[M]．GB50215-2005．北京中国计划出版社．2005. 2. 矿区水文地质工程地质勘探规范[M．GB 12719-91．1991 3. 郎庆田，孙春江，邸建友，杜计平．煤矿深井开采技术[M]．中国矿业大学出版社．2006. 4. 董陇军，李夕兵， 李萍萍．深井开采灾害的关键性认知与应对决策技术探讨[J]．有色金属．20091． 5. 马江军，齐明友，王令永．深井煤层巷道围岩变形与控制技术研究[J]．山东煤炭科技.20092128129. 6. 马培渠，刘善东，王洪涛．深井巷道围岩破坏机理研究与支护技术[J]．山东煤炭科技．20081106107. 作者简介董华斌，男，汉族，河北正定人，采煤高级工程师，在峰峰集团科技发展部工作。 4