深部矿井开采技术问题摘要:本文根据我国主要深部矿区30余对矿井的实地调查、部分井下观测和25个矿务局的函调材料,对我国煤矿深部开采的基本状况及其在开采中遇到的巷道维护、冲击地压、瓦斯突出及地热等主要问题作了总结和剖析,并就今后煤矿深部开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,1997年原煤产量13.3亿吨。

全国主要国有矿区90多个,井工开采的生产矿井588对(1996年统计)。

据不完全统计,采深超过800m的深井19对,其中开滦矿务局赵各庄、沈阳矿务局彩屯矿采深超过1000m,新汶矿务局孙村矿、华丰矿、长广七矿采深超过800m。

“八五”期间新打深井65个,平均深度588m,其中700~800m的井筒28个,800~1000m的井筒13个,1000m以上井有12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73.2%埋深在1000m 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,一方面,巷道断面必需加大,据对开滦矿区统计,近10年间采深平均增加100m,岩石巷道断面平均增加8.1%,煤、半煤岩巷平均增加32%;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700m的深井中,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1000m时巷道失修率约是同条件下500~600m埋深巷道失修率的3~15倍,部分矿井巷道失修和严重失修率达20%以上。

巷道维修占用大量人力物力,林西矿井深800m,巷道维修工占井下工人的比重为7.00%~10.50%。

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深度在200~1000m,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。

发生冲击地压矿井50年代为7个,60年代为22个,目前已增加到33个(其中包括开采范围增大的因素)。

如唐山矿五煤层在520m以上未发生冲击现象, 520m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700m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1。

又如抚顺矿务局龙凤矿开采-540m水平(采深640m)时,每采百万吨煤冲击地压次数为0.07次,开采-625m水平(采深730m)时增至0.125次。

我国1978年开始对冲击地压进行大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1986年,已发生突出的矿井200多个,突出次数约为12000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70年代初测定,瓦斯压力为7.8MPa,现在为13.62MPa,此间采深增加约100m,突出矿井数比1984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1989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突出矿井。

开滦局赵各庄矿十水平(-822m)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。

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题之一。

2.4深热矿井增加,气侯条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。

德国、原苏联掘进工作面温高达50°C,部分高达60°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。

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1150m,但地温正常。

开滦矿务局赵各庄矿地温梯度为0.5~1.0°C/100m,预计在-1500m以上地温仍小于26°C。

另一种是深热矿井,在我国目前进入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。

3对深部开采的一些看法和建议3.1深入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合作,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间的定量关系,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究深井巷道压力大,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,采用单翼集中生产,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开展卸压加固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,在围岩松软的开拓巷道,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—网—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—喷—网—支等各种联合支护。

锚喷支护具有补强、增强、及时封闭围岩、充分发挥围岩自承能力的作用,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破坏,不宜在深井巷道中使用。