我国煤矿深部开采问题探讨.pdf

义马煤业集团 至焦堡一 焦 诈工 学 院三 兰 皇 鞋／ 摘要本文撂据我国主要深部矿区如 余对矿井的实地调查、 部分井下观测和 2 5 个矿务局的函调材料， 对我国煤矿深部开采的基本状况琏其在开采中遇到的巷道 维护、 冲击地压、 瓦斯突出琏地热等主要问题诈了总结和剖析， 并就夸后煤矿深部开 采技 术问题提 出了几点看法和建议 。 1 煤矿深部开采的现状及趋势 深井开采技术是当今世界主要深井开采 国家 如德国、 原苏联、 波兰等 十分关注的问 题之一。随着我国煤矿开采规模的扩大， 开采 深度的逐渐增加 ， 深部开采 中遇到的各种技术 问题日 益增多， 对当前的煤矿生产和今后矿井 建设的影响日趋严重。因此， 研究深部开采问 题， 对安全、 经济、 合理地开发深部煤炭资源无 疑有特别重要的意义。 我国是世界第一产煤大国， 1 9 9 7 年原煤产 量 l 3 ． 3 亿吨。全国主要国有矿区9 0多个 ． 井 工开采 的生产矿井 5 8 8对 I 9 9 6年统计 。 据不 完全统计 ， 采深超过 8 0 0 m的深井 l 9对， 其 中 开滦矿务局赵各庄、沈阳矿务局彩屯矿采深超 过 1 0 0 o m ， 新汶矿务局孙村矿、 华丰矿、 长广七 矿采深超过 8 o o m。“ 八五 ”期问瓤打深井 6 5 个， 平均深度5 8 8 m ， 其中7 0 0 8 0 0 m的井筒 2 8 个 ．8 0 0一l O 0 0 m的井筒 l 3 个 ，l 0 0 o m以上井 筒有 1 2个。 据煤炭资源开发和资源保护研究指出， 在 我 国预测 总储 量 中 7 3 ． 2 ％埋 深在 l 0 0 o m 以 下 ， 浅部储量较少。因此 ， 深井开采技术不仅是 目前一些深矿井面临的问题 ，而且从长远看 ， 它将是我国今后进一步开发利用深部煤炭资 源的带有战略意义 的问题。 2 深井开采的主要技术问题 2 ． 1 矿压显现加剧 ， 巷道 维护 困难 随着矿井采深的不断增加 ，～方面 ，巷道 断面必需加大 ， 据对开漆矿区统计 近 l 0年间 采深平均增加 l 0 0 m，岩石巷道断面平均增加 8 ． I ％， 煤、 半煤岩巷平均增加 3 2 ％ ； 另一方面． 地压增大，在深部高应力作用下，围岩移动更 为剧烈，巷道产生变形破坏更为严重。在调查 的超过 7 0 0 m的探井中，巷道矿压问题普遍严 重 ，底鼓成为常见的地压现象 ，特别在采准巷 道 中尤其严重。失修和严重失修巷道比例增 加 ， 据开滦局调查统计 ． 井深 l 0 0 o m时巷道失 修率约是同条件下 5 o o 一 6 0 0 m埋深巷道失修 率的3 一 l 5 倍． 部分矿井巷道失修和严重失修 率达2 0 ％ 以上。 巷道维修占用大量人力物力 ， 林西矿井深 8 o o m，巷道维修工占井下工人的 比重为 7 ， o o ％ 一l O 5 O ％ 。很多深部巷道由于 严重破坏无法行人、行车而被迫停产反修。且 常常出现前掘后修、 重复反修的现象。深井巷 道维护问题已成 为整个矿井生产系统 中的最 薄弱环节。 出现上述现象 的主要原 因是客观上井深 、 围岩应力增加。主观上没有充分认识深井巷道 矿压规律， 巷道支护形式不能适应深井巷道围 岩变形的要求， 支护形式、 支架参数选择不当， 支护强度不足 ， 巷道布置 、 开采程序不合理 ， 巷 道维护方法不当而造成应力叠加 ，加剧 了巷道 的变形和破坏。 2 2 煤岩破坏过程强化 ，冲击地压危 险性增 加 我 国 发 生 冲 击 地 压 的 探 度 在 2 o o l 0 0 o m，由于开采深度 的增加 ，煤岩体应力升 高，有冲击地压危险的煤层数量增加 ，有冲击 地压 的矿井逐 渐增多。发生 冲击地压 的矿井 维普资讯 煤矿设计 I 9 9 8年第 8期 5 O 年代为7 个， 6 0 年代为 2 2 个， 目 前已增加到 3 3 个 其中包括开采范围增大的因素 。 如唐山 矿五煤层在 5 2 0 m以上未发生冲击现象，5 2 0 m 以下较大冲击地压屡屡发生。在这些矿井中， 采深达到和超过 7 0 0 m的有北票矿务局的台吉 矿 、新汶矿务局的华丰矿、开滦矿务局的唐山 矿、 沈阳矿务局彩屯矿、 抚顺矿务局龙凤矿、 胜 利矿等。调查发现， 冲击地压发生的次数、 强度 和危害程度随深度的增加日趋严重。天池矿发 生冲击地压的次数和强度与采深的关系见表 I 。叉如抚顺矿务局龙凤矿开采 一 5 4 0 m水平 采深 6 4 0 m 时， 每采百万吨煤 冲击地压次数为 0 0 7次． 开采 一 6 2 5 m水平 采深 7 3 0 m 时增至 0 ． 1 2 5次。 表 1 冲 击地压次数和强度与采深 关幕 开采探度 m 平均强度 t ／ 次 发生趺彀 比例 ％ 2 0l一3 0 0 68 1 3． 0 3 014 o 0 l l 8 3 11 ． O 4 01 5 ∞ 9 4 7 9 3 2 5 0 o l 2 0 o 1 5 5 4 我国 1 9 7 8年开始对冲击地压进行太规模 的系统科研攻关 ，使冲击地压防止的理论和实 践方面取得了重大进展 ，积累了一定的经验。 但随着我 国煤矿开采深度的继续增加 ，冲击地 压问题将日趋严重， 防治工作更加困难。 2 ． 3 瓦斯压力增高 煤与瓦斯 突出危险严重 我国是世 界上煤 与瓦斯 突出最严重 的国 家之一， 截止 1 9 8 6 年， 已发生突出的矿井 2 0 0 多个 ，突出次数约为 1 2 0 0 0次 ．约 占世界发生 总突出次数 的 1 ／ 3 随着矿井 向深部开采 ， 瓦斯 压力、 瓦斯含量普遍增高， 地应力增大 ， 致使煤 层和瓦斯突出矿井数量增多。高瓦斯矿井逐渐 增加 ，瓦斯问题已成为深部开采 中不容忽视 的 重要 问题 。 - 近年来 ，对我 国煤矿煤与瓦斯突出的大量 统计研究表明． 无论是浅部的突出矿井，还是 深部的突出矿井 ， 均有随采深增加而瓦斯压力 增高， 瓦斯涌出量增大的趋势 。据重庆地区 7 O 年代初测定 ，瓦斯压力为 7 ． 8 M P a ，现在为 1 3 ． 6 2 MP a ， 此问采深增加约 I O O m， 突出矿井数 比I 9 8 4 年增加 4 个， 突出煤层增加 7 个， 南桐 局原 5 号薄煤层在浅部不突出． 随着矿井延深， 不仅发生了突出， 而且次数、 强度不断增大。平 顶 山矿务局 1 9 8 9年以来 ，随着采深的逐 年增 加 ， 十二矿、 八矿 、 十矿先后上升为煤与瓦斯突 出矿井。 开滦局赵各庄矿十水平 一8 2 2 m 以上 未发生煤与瓦斯突出，十水平以下却出现了煤 与瓦斯突出。矿井向深部开采 ，瓦斯涌出量显 著增加 。赵各庄矿实测和预计瓦斯诵 出量与开 采深度关系如表 2 所示。 表 2 瓦斯涌 出量与开采深度 的关 系 北 票矿 区是深 井煤与瓦斯突 出的典型之 一 ，表 3为北票矿务局台吉矿瓦斯压力、 瓦斯含 量与采深的关系。 表 3 瓦斯压力、 瓦斯含量与采深关系 另据对我 国主要深井矿区瓦斯情况调查 ， 除山东新汶、江苏徐州等矿务局随采深增加 瓦 斯问题不明显外．其它矿区在深部开采中，都 表现出随着深度的增加 ，瓦斯问题 日益严峻。 另外，煤与瓦斯突出与深度的关系决非是一个 简单问题。因此 ，进一步深入研究与瓦斯突出 的机理和主要影响因素 ，改善深部开采的安全 条件 ， 将是深部开采 中主要研究 课题之一 2 ． 4 深热矿井增加 ， 气侯务件恶化 随着矿井向深部开采 ．许多国家都 遇到了 不 同程度 的热害问题 。德囤、原苏联掘进工作 面温高达 5 O 。 c ． 部分高达 6 0 。 c 。矿井气温过高 严重影响人体健康 ，引发各种疾病 ，造成事故 率上升， 劳动生产率下降， 甚至被迫停产。 维普资讯 1 9 9 8年第 8 期 煤矿设计 9 我国煤矿深部开采 中的地热问题，可分为 无热害矿井和深热矿井两种情况 。无热 害矿井 如开滦矿区 ， 尽管开采深度达 1 1 5 0 m， 但地温正 常 。开滦 矿务局 赵各庄 矿地 温梯度 为 0 ． 5 1 ． O C／ l O O m， 预计在 一1 5 0 0 m以上地温仍小 于 2 6 。 c 。 另一种是深热矿井 ， 在我国 目前进人深部 开采 的矿区中除开滦外 ，大都不同程度地存在 热害问题 。 北票 矿务局 台吉 矿在 2 73 2 m范 围内地 温基本不变 ，恒定值为 1 0 ． 6 。 C，地温随深度的 增加而增加。恒温层 以下地温观测结果如表 4 所示。由表可见， 在埋深8 2 7 m时， 平均地温为 3 3 ． 4 。 c， 地温梯度为 2 ． 7 o c ／ l O O m， 属深井型高 温矿井。 表 4 台吉矿地温与深度关系 恒温层至测点 平均温度 地温群度 垂探‘ m 。 C C ／ l O O m 她 温率 m／ 。 c 5 2 4． 5 2 3． 7 2． 5 4 0 6 8 3 4 28 4 2． 6 3 8 3 7 5 8 3 3 0 5 2． 6 3 8 1 8 3 3 9 3 3 4 2． 7 3 6． 6 淮南的潘集矿区是我国热害最严重的深井 矿区。 潘一矿 一5 2 5 m掘进面岩温 3 4 ． 7～3 5 ． I C， 气温 2 6 ． 63 0 ． 4 。 c ；潘二矿 一 5 3 0 m掘进面岩 温 3 2 ． 5 。 c ，气温 2 6 ． 82 8 ． 2 C， 严重影响工人 健康和劳动生产率。 另外新汶局孙村矿 、 长广七矿、 徐州三河尖 矿等热害问题都相当突出。我国国有煤矿部分 深热矿井地热基本情况统计见表 5 。 由表 5 可见， 我国深井热害问题相当严重， 而我国热害的治理工作 由于缺乏技术 、资金等 问题， 大部分矿井热害治理仅靠通风降温、 洒水 降温， 部分矿井采用机械制冷降温方法。 总的现 状是技术落后、 效果较差， 应引起有关方面的高 度重视。 3 对深部开采的一些看法和建议 3 ． 1 深开展深井巷道矿压基础研究 深井巷道矿压问题是深井开采中对生产和 安全影响最严重的问题 ，解决巷道矿压与支护 问题对发展我国煤炭生产和建设具有重要的实 际意义 。深井巷道矿压基础理论研究是解决深 部巷道工程的基础和依据，只有深刻认识深部 巷道围岩的变形破坏规律 ，才能使深井巷道围 岩控制建立在坚实的科学基础上。其基础研究 工作包括 深部岩石 岩体 物理力学性质的试 验研究 ； 研究岩石 岩体 强度随深度增加变化 的规律； 岩石流变特性， 温度 水 对各种不同岩 石变形特性的影响，研究深部岩石的破坏机理 建立相应的力学模型 ；进行深井巷道 围岩应力 场的实测分析；进一步研究深井巷道围岩变形 破坏机理， 特别是深井巷道底鼓变形机理； 探讨 影响深井巷道长期稳定性的主要影响因素，建 表 5 我国统配煤矿主要滚热矿井地温表 水平 岩温 气温 地温梯度 矿区名 矿名 m o c 口 c ‘ 。 C ／ l O O m 新搜 孙村 矿 一8 0O 1 0 0O 4 2 3 9 ． 5 2 ． 2 长广 七矿 一8 5 0 1 9 0 0 3 63 8 北票 一7 2 2 3 3 4 2 63 0 5 2 7 潘一 一5 2 5 3 , 1 7 一 l 2 6 63 0 4 3 ． 6 3 7 6 潘二 一5 3 5 3 5 5 2 6 82 8 2 3 ． 4 43 6 2 潘 三 一 O 3 6 ， 9 3 8 ． 2 2 93 1 ． 6 3 2 43 ． 4 4 丁集 一7 5 0 3 7 5 2 8 8 推南 顿拼 一 6 0 0 3 3， 5 2 9 5 张集 一6 0 0 3 7 3 5 谢桥 一6 I O 3 8 4 2 7 O一3 , 1 O 3 7 桂集 一6 2 0 3 8 6 3 6 7 徐 州 三河尖 一7 0 O 7 3 7 3 8 2 3 3 6 3 2 4 丰艟 建新 一6 0 O 7 0 O 4 2 3 6 3 维普资讯 煤矿设计 l 9 9 8年第 8期 立巷道稳定性准则 ，以解决深井巷道长期稳定 性的理论问题。从而建立深井巷道矿压理论。 研究支护与围岩相互作用关系、支护理论 以及 岩体的加 固及卸载理论、支护结构设计理论 等。 3 ． 2 开展深井巷道 围岩移近量预测预报研究 国外主要深井 国家都十分重视 巷道 围岩 移近量预计研究， 认为巷道围岩移近量能综合 反映各种因素的影响 ，测量简单易行 ， 结果可 靠。这种观点也被我国采矿界所共识， 因此 ， 加 强现场和科研院所的台作 ， 对我国主要深矿井 进行全面的工程地质调查 ， 对各种条件的巷道 移近量进行实测 、 运用数值分析 、 模拟实验 ， 并 借助于统计学、 模糊数学、 量纲分析 、 灰色系统 等现代数学方法 ， 建立主要影响因素与巷道移 近量之问的定量关系，为我国深井巷道设计 、 支护形式、支护参数选择、 巷道保护提供科学 的方法和手段 。 3 ． 3 进行深井巷道矿压控制技术研宄 深井巷道压力大 ，变形严重，要保持巷道 在整个服务期内满足生产要求， 必须建立巷道 矿压的全过程控制和综合治理观点 ，即保证巷 道稳定的总体效果最佳 ，在巷道工程的不同阶 段 ，即设计 、施工和服务 3个阶段采取相应的 措施。并根据各阶段的不 同特点进行必要的研 究工作 。 3 ． 3 ． 1 深矿井巷道布置与设计研究 深部开采巷道稳定性问题是影响矿井生 产的问题 。应作为深矿井设 计的主要问题考 虑 ， 并认真加以研究。 其主要内容有 主要巷道 的布置应力求避开应力高峰区， 改革传统的巷 道布置方式 ，采用单冀集中生产，使采区主要 巷道位于采 空区内；实行无煤柱护巷，减轻支 承压力对回采巷道的影响 ；实行集 中生产 ，优 化开采程序 ， 尽量 减少动压对巷道的影响。根 据巷道围岩条件、 用途、 开采条件， 合理选取巷 道断面形状， 巷道支护结构等 。 3 ． 3 ． 2 开展 卸压加 田技术的试验研 究 深井巷道单靠提高支护强度来保持巷道 稳定是不科学的， 也是不经济的。国外开采实 践证明， 卸压加固技术是深井巷道维护的主要 技术途径。卸压方面， 应积极吸取国外的先进 经验 ， 采取行之有效 的卸压方法。如视具体条 件采用巷道上部预采动和依次采动卸压法及 巷内卸压等方法，以改变巷道围岩的应力条 件 。 与之同时， 应尽力提高围岩的 自撑能力。 近 年来 ， 原苏联和德国对深井主要巷道特别是围 岩松软破碎地 区应用 化学加 固方法及锚 固等 方法，取得了较好效果 ， 我国深井巷道围岩加 固技术研究远远落后于其它国家， 应尽快开展 这方面的试验和研究工作 。 3 ． 3 ． 3 加 强底鼓 防 治技 术研 究 底鼓是深井巷道失稳的主要形式 ，在固岩 松软的开拓巷道 ， 特别是采准巷道中底鼓十分 严重 ，防治底鼓是深井巷道维护的重要课题之 一 。除 了加强深井巷道底鼓机理研究外 ， 应大 力开展底鼓防治技术研究。目前， 底鼓防治主 要采用全封闭支护系统 ， 其中在采准巷道和部 分 开拓巷道 中采用 U型钢可缩性封闭支架 ， 这 种支架在 底鼓时难 以维修 ， 巷道服务期满后不 易回收。另外， 大部分深井有底鼓的回采巷道 未采取任何措施， 需经常性的起底翻修， 这样 不仅巷道维护状况差 ， 且对生产影响大。因此， 应结合卸压加 固技术 ． 研究新的底鼓防治措施 和方法。 3 ． 3 4 开展深井巷道支护技术研究 我国深井开拓巷道 支护 目前仍以锚喷 锚 一 网一喷 支护、 钢筋混凝土、 料石砌碹 3 种支 护形式为主， 在部分工程地质条件不良地段使 用 U型钢封闭可缩性金属支架， 钢筋混凝土支 护和锚一喷一网一支等各剥 r 联台支护。 锚喷支护具有补强 、 增强 、 及时封闭围岩、 充分发挥围岩 白承能力 的作用 ，施工速度快 ， 成本低 ，适合在深井巷道中应用 ，但 目前的问 题是在一些深矿井巷道中， 锚喷支护参数选择 不当， 锚喷巷道开裂破坏。因此， 应根据深井巷 道围岩应力与变形特点，合理支护参数选择， 更 重要 的是为使锚喷支护适应深井巷道围岩 变形量大的要求 ，应加快研制各种形式及参数 的可伸缩锚杆及柔性喷层材料。 料石砌碹支护属刚性支护，不能适合深井 巷道变形 的要求，在深井巷道中使用 常常造成 维普资讯 1 9 9 8年第 8 期 煤矿设计 破坏 ，不宜在深井巷道 中使用。钢筋混凝土支 护成本高， 另外若无良好的可缩性充填层， 也 难以适应高应力、 大变形的要求。 封闭式可缩性支架在 深井软弱复杂地层中 应用是成功的， 但因我国钢材短缺、 价格昂贵， 故 只能在局部地段使用。难以大面积推广。 高强度弧板支架在我国的淮北 、 淮南、 平顶 山等矿区的软岩巷道和断层破碎带 中应用很成 功。 今后进一步试验研制轻型、 高弧、 廉价的弧板 及与之配套的作业机械。 以使得到推广应用。 深井回采巷道由于受采动影响 ，维护尤其 困难。而且， 我国目前深井回采巷道中刚性支 架的使用还占有相当比重。调查表明，刚性支 架已完全不适应深井动压巷道的要求。国外主 要深矿井多采用拱型可缩性金属支架 ，我国的 开滦、淮南 等矿区也广泛采用可缩性 金属支 架。这种支架虽初期投资高。 但复用次数多， 巷 道维修量小， 深井回采巷道应推广这种支架。 同时， 要加强支护质量管理， 改进卡缆、 加设背 板、 拉杆和壁后充填材料等， 以提高支护效果。 梯 形可缩性支架在部分深井矿区 如丰城、 峰峰等 应用较为成功， 应因地制宜， 并在应用中不断研 究改进和创新 近年来， 以锚杆为主体的新型支 护在我国回采巷道得到很大发展 。 今后应结合深 井、 巷道围岩条件和围岩变形特点， 进一步研究 锚杆支护的适应性， 开发满足探井回采巷道使用 的新的锚杆品种。 3 4 开展深部 开采的冲击地压研究 我 国冲击地压 的研究与 防治工作从 l 9 7 8 年开始至今 ，经过 l 0多年大规模的科研攻关 ， 取得了突破性进展，目前已螗身于世界先进水 平 ， 但随着开采深度的增加 ， 应力的逐渐增高 ， 开采条件进一步复杂化。因此，应在现有的基 础上．进一步研究深部冲击地压发生的规律及 特点 ，提出符合深井开采条件的冲击地压预测 预报指标和防范措施 ， 保证深部开采的安全。 3 ． 5 加强深井开采的煤与瓦斯突 出规律与防 治技 术研 究 煤层瓦斯含量、 瓦斯压力、 地应力、 煤岩物 理力学性质、 煤的变质程度等与矿井采深都存 在一定的关系，只有充分认识这些因素随采深 增加而变化的规律 ，才能做好深井开采的煤与 瓦斯突出的预测预报工作 。 目前 ，应系统研究我国深井矿区煤与瓦斯 突出的特点 ，探讨采深与主要影响因素之间的 内在联系 ，揭示不同条件下矿井采深和煤与瓦 斯突出的规律 ，以作为深部瓦斯治理 的前提和 基础， 提出预测方法 、 指标和防治措施。 3 ． 6 重视深井热害治理 ，研究多逢径熟害治 理 方 法 热害问题在我 国绝大部 分深部矿井 中已 经相当突出，严重的影 响到矿井 的正常生产 ， 一 些矿井甚至引发了一些职业病，必须引起高 度重视。 深井热 害治理 国外 主要采 用机械制冷方 法 其效果明显。我国部分热害矿井也引进 了 国外的制冷设备和技术。但机械制冷方法设备 投资高、 功率消耗大 国外经验表明 当地温为 3 5 o C时， 每产百万吨煤需功率 2 N W 我国现有 煤矿很难承受。因此， 应积极探索多形式、 多途 径的综合治理方法， 力求做到既经济又合理。 就地热而言，主要是 由井下巷道围岩散发 出来的， 若能利用隔热材料作为支架壁后填充 材料或背板 ，将热源与井下有效空 间 除采场 外 隔离， 减少围岩热量散放， 将会大大缓解巷 道进风的加热过程，降低进人工作面的空气温 度，改善井下的工作条件。这方面的研究未见 到资料报道， 但这一途径是有效的途径，应组 织开展这方面的课题研究。同时配合可控循环 通风等降温方法的研究与应用 ， 可望使我国深 井热害得到一定程度的控制。 参考文献 I 张万斌， 王毂坤， 精学军莸国冲击地压研究与肪治的进 展煤炭学报 ， 1 9 9 2 2 王瑞华，夏天仁孙村矿一 s o o n地面集中制冷工程韧步 设计浅析新煤科技 ， I 9 9 3 3 李效甫， 姚建国等回采巷道支护形式与参散合理选择专 家系统煤炭工业出版社， 1 9 9 3 4董方庭， 郭志宏， 兰球围岩橙动圈巷道支护理论第 2 届国际采矿技术研讨会文集， 1 9 责任编辑扬季平 维普资讯