收稿日期:2009-12-28 作者简介:赵 辉(1985-),男,安徽淮北人,2008年毕业于安徽农业大学,现从事矿山压力及其控制方面的研究。
矿井深部开采面临的主要问题及对策赵 辉,熊祖强,王 文(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作 454000)摘 要:文章介绍了河南省煤炭资源赋存状况、矿井深部开采情况,结合各矿区的特点,分析了深部开采过程中遇到的高地压、高地温、高瓦斯、高水压及冲击地压等主要问题。
并针对河南省矿井深部开采所面临问题的共性和特殊性,提出了解决河南省深部开采问题的建议及对策。
关键词:深部开采;冲击地压;煤与瓦斯突出中图分类号:T D 82-9 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2010)07-0011-03煤炭是河南省的基础产业和支柱产业,为河南的经济发展做出了重大贡献。
目前,随着开采强度的不断加大,河南省的大部分矿井逐渐进入深部开采,不仅提高了采矿成本,而且采矿环境变的更加恶化,给煤矿生产和安全带来极大问题,如地压大、地温高、突水、瓦斯大、冲击地压等。
因此,如何解决深部开采带来的一系列问题值得研究。
1 河南省矿井深部开采现状在河南省一次能源消费总量构成中,煤炭占70%以上。
目前已形成以平顶山、义马、郑州、焦作、鹤壁、永城六大国有重点煤炭企业为主体,地方国有煤矿、乡镇集体和个体煤矿共同开发的格局。
截至2005年底,河南省垂深2000m 以内煤炭资源总量为112723M t ,其中保有资源储量24425M t ,且有近90%的资源赋存深度超过1000m ,大部分预测储量的埋藏较深[1]。
而且开采深度以8～12m /a 的速度增加,由此带来的高地压、高地温、高瓦斯、高水压和开采扰动等问题突出。
平顶山矿区现有垂深大于800m 的采掘工作面36个,采深以20～25m/a 的速度增加,随着时间的推移,出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性的复杂现象,突出的危险性增大。
焦作、鹤壁等矿区浅部资源基本开采殆尽,所剩区域大多埋藏较深,标高都在-600～1500m 之间,在“临界深度”以下。
煤层底板承受的奥灰水压持续升高,突水机率增加;义马、荥巩等矿区逐渐进入深部开采区,如跃进矿采深已超过1000m ,多次发生冲击地压,动力现象频繁;永城、郑州等矿区目前逐渐转入600m 以下的采深,随着采深的增加,将遇到冲击地压、煤与瓦斯突出等复杂问题。
2 深部开采面临的主要问题2.1 冲击地压频率和强度增加冲击地压是深井开采中常见的一种自然灾害,是围岩失稳现象中最强烈的一种,严重威胁着矿井的正常生产、设备财产以及人身安全[2]。
如平煤十二矿三水平胶带下山埋深1100m ,仅在2005年3月,冲击地压累计发生了70余次,给人员和设备带来了极大的安全隐患。
而且,在深部高地应力复杂地质条件下,冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用,多种因素相互交织,在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因,互相强化,或产生“共振”效应,使灾害的预测及防治变的更为复杂和困难。
2.2 煤与瓦斯突出危险性增加随着采深的增加,地应力增大,瓦斯含量和瓦斯压力迅速增加,致使煤与瓦斯突出矿井数量增多。
近年来,由于瓦斯爆炸引起的死亡10人以上的事故70%出现在采深600m 以下的矿井。
如平煤己组煤层瓦斯含量在-800m 为30m 3/t ,瓦斯压力为2.55M P a ,瓦斯压力及涌出量增加显著,严重威胁矿井安全生产。
在深部高应力作用下,煤岩体中积聚了大量的瓦斯气体能量,受工程扰动,压缩气体急剧释放,导致围岩结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出[3]。
深部开采的突出矿井数不断增加,如平煤从1989年以来,随着采深增加,十二矿、八矿、十矿先后上升为煤与瓦斯突出矿井。
2.3 采场矿压显现强烈,巷道围岩变形量大随着采深的增加,采场矿压显现强烈,表现为围岩剧烈变形、巷道和采场失稳,并发生破坏性的冲击地压,加大了顶板管理难度,增加了支护成本。
据煤炭行业相关资料,近10年巷道支护成本增加了1.4倍,巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%,这些特征在各矿区表现明显,如在平煤八矿-800m 最大主应力为29.7M P a ,导致巷道掘进过程中冒顶片帮机率和规模增大,巷道支护后支架变形迅速;煤巷从-500m 开始,埋深每增加100m ,巷道变形速度和变形量平均增加20%～30%左右;-1k m 时的巷道失修率约是-500～-600m 时的3～15倍[4],底鼓成为巷道失稳11 2010年第7期 煤 炭 工 程 设计技术 破坏的主要形式,如某矿掘进埋深1.1k m的煤巷时,底鼓速度达到0.8m/d;深部回采巷道,经常需要前掘后修和重复返修,且深部围岩破坏前兆不明显,致使围岩破坏预测预报困难。
2.4 突水事故趋于严重河南省主要矿区均存在承压水上开采问题,且水压高(承压水压力为2～6M P a),水量充沛。
如义煤生产矿井采区工作面煤层承受的底板水压普遍在2.0M P a以上,突水系数大于0.06M P a/m,底板灰岩突水灾害曾多次发生;郑煤所属主要矿井向奥灰水位标高为+125～+150m;焦煤赵固煤矿水压高达6M P a,突水威胁性大[5]。
2.5 地温升高,作业环境恶化在常温带以下,岩层的温度将以3℃/100m的梯度上升,而深部开采时,岩层温度将达到摄氏几十度的高温。
如平煤五矿采深800～900m岩温达到34.5℃,平均地温梯度3.7℃/100m,采掘工作面气温全年都超过28℃,夏季一般为31～34℃,个别高达35℃。
地温升高严重影响矿井的正常生产和工人的身体健康。
3 深部开采的应对措施3.1 深部开采冲击地压控制1)加强预测预报工作,可用地音监测法、矿压监测法预测冲击危险时间;用钻屑法、钻孔应力法监测预报冲击危险位置;用微震监测法确定记录冲击地压诸参数,实行综合预报。
2)煤岩体应力集中是产生冲击地压的重要原因,应尽量避免高应力集中区的形成,合理布置巷道和优化开采程序。
开采时防止形成孤岛煤柱和工作面相向回采,推广无煤柱护巷技术及跨上下山回采;巷道布置在稳定的岩层内或采空区下,巷道方向尽量与最大主应力方向一致,还要避免相邻巷道的相互影响而造成应力叠加。
3)采取预卸压措施,可在高应力区打孔径89m m或108m m、孔深10m的深孔爆破,释放应力;煤体或顶板钻孔注水,增加煤体或顶板的可塑性,改善煤体应力分布状态,一般孔深30～50m,孔距为20m,可采用分段分时注水,在开采前3个月进行注水。
4)支护方式应侧重主动支护和“让压”功能,如顺槽可采用锚网联合支护方式,形成抗压圈以增加巷道抗冲击地压能力;遇构造时采用可缩性支架加强支护,以缓解和释放应力。
3.2 瓦斯治理和煤与瓦斯突出防治1)瓦斯治理。
以抽放为住,采取边抽边掘、煤层顶(底)板岩巷穿层抽采、高位钻孔瓦斯抽采、地面钻井预抽煤层瓦斯和千米钻机钻孔抽采等多种抽放方式,执行“先抽后掘,先抽后采”的原则;采用煤层压裂、松动爆破、水力冲孔、水力扩孔和水力割缝等煤层增透技术提高抽采效果;优化通风系统、改善回采工艺,减少采空区瓦斯向采面涌出;倡导煤与瓦斯共采,积极开发利用煤层气。
2)突出防治。
坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则;实行开采保护层同时抽采被保护层瓦斯,无保护层开采时,强化预抽煤层瓦斯;实施超前排放钻孔、松动爆破、水力冲孔、水力疏松和水力掏槽等局部防突措施;研发能液化或稀释且瓦斯产生反应的物质,注入煤体以降低瓦斯威胁;重视预测工作,可运用突出预报仪测定突出危险性参数,利用煤层钻屑量指标来预测突出危险程度;研究瓦斯地质及深井突出的机理和条件,提出对策,防治结合。
3.3 深部开采围岩控制1)深部开采靠加大煤柱宽度来保持巷道稳定是困难的,合理巷道布置,改革开采程序,使巷道尽可能避开动压影响及应力集中区。
巷道尽量布置在采空区下或岩体强度较高的煤层底板中,避开应力集中区;优化开采程序,防止形成孤岛煤柱和相向回采;实行跨采区上下山开采和无煤柱护巷技术。
2)优化巷道设计,适当扩大巷道断面,断面形状要适应地应力分布特点,以扁椭圆形、带反拱马蹄形、带反拱矮墙半圆拱形或圆形为主。
3)可采用预应力树脂锚杆为主的锚网喷支护,如可采用Υ22×2500m m的左旋螺纹超高强锚杆(B H R B600钢),初锚力为80k N[6],并对两帮及底板加强支护、注浆加固,提高两帮及底角破碎区围岩的强度和锚固力,控制围岩变形;加强临时支护,及时封闭围岩,防止冒顶和风化,待围岩充分卸压稳定后适时进行二次支护,并加强支护质量的监控[7]。
3.4 深部地温治理1)传统降温技术。
除利用通风降温和人工机械制冷降温技术之外,可采用巷道隔热材料降温技术隔绝高温围岩;加强个体防护,条件允许可穿冷却服;疏放热水,改明水沟为暗水沟以控制管道热;煤层注水预冷煤体,冷却回采工作面周围的岩体。
2)现代降温技术。
利用深井H E M S降温系统提取出矿井涌水的冷量与工作面高温空气进行换热降温;利用矿井压气蒸发冷却技术,通过水分的蒸发吸热,实现降温;压缩空气制冷技术,通过压缩空气在膨胀减压的过程中,降低空气温度吸收环境热量;还可采用热管降温技术、热-电-乙二醇降温冷却技术,瓦斯发电制冷降温及通过空气透平膨胀机膨胀降温[8]等技术。
3.5 深部突水治理做好矿井地质、水文地质勘查与观测工作,全面掌握矿井充水条件,坚持先探后掘的防治水原则;阻断水路、隔绝水源,井下设置防水闸门、防水墙等防水设施,采用注浆堵水,对于井下渗水、淋水、透水、突水等地段进行防、排、堵、躲、截和减压疏降等方法进行防治水;预先排12 设计技术 煤 炭 工 程 2010年第7期 收稿日期:2010-03-04 作者简介:黄君来(1965-),男,陕西咸阳人,高级工程师,注册设备工程师,注册监理工程师,现在中煤国际工程设计研究总院(北京华宇工程有限公司)从事给排水设计工作。
热气溶胶预制灭火系统的设计与应用黄君来(中煤国际工程设计研究总院(北京华宇工程有限公司),北京 100120)摘 要:简述了热气溶胶灭火剂的发展经历,阐述了热气溶胶灭火剂的灭火机理、分类,并对几种常用气体灭火剂的灭火性能指标进行了对比,系统地描述了热气溶胶预制灭火系统的设计适用范围、构成、控制方式及灭火剂设计用量的计算等,指出了热气溶胶灭火技术在煤矿中应用的前景。
关键词:热气溶胶灭火剂;热气溶胶灭火发生剂;灭火机理;热气溶胶预制灭火系统中图分类号:T D 75 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2010)07-0013-03热气溶胶灭火剂作为一种气体灭火技术起步较晚,它始于20世纪60年代,是由我国消防科研人员经过长期的实践摸索,研制开发出具有自主知识产权的哈龙替代产品,其具有灭火效率高、环保、维护管理简单、综合费用低等优点。