1、深部开采分析与研究 （一）深部开采的基本形势 1.深部开采的概念与意义 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。 2.我国深部开采的现状 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、
2、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接近 1500m 我国煤矿正以每年 8 12m（华东地区正以每年 10 15m ）的速度向深部延深。在今后若干年内，现有的大部分矿井将逐步进入深部开采。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。 我国多数煤矿的开采深度 50年代平均不到 200米，生产矿井
3、 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 500m左右，相当于每年以 8 12m的速度向深部发展。据统计，我国已有平顶山、淮南和峰峰等 43个矿区的很多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 200多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 (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 (1499m)，年设计生产能力 150万吨 , 立井多水平开拓，新汶孙村煤矿 (1055 m), 年设计生产能力 60万吨
4、 , 主斜井副立井综合开拓，北票冠山煤矿 (1059 m) ，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。 表 1 我国煤矿深部开采深度的变化趋势 （二） 深井开采的主要技术问题 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。 1.矿压显现加剧，巷道维护困难 随着矿井采深的不断增加，巷道断面必
5、需加大，据对开 滦 矿区统计 近 l0年间采深平均增加 l00m岩石巷道断面平均增加 8 I ，煤、半煤岩巷平均增加32 ；另方面地压增大，在深部高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产变形破坏更为严重。在调查的超过 700m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 l00om时巷道失修率约是同条件下 5oo一 600m埋深巷道失修率的 3一 l5倍部分矿井巷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 8oom，巷道维修工占井下工人的比重为 7， oo 一 lO 5O 。很多深部巷
6、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。 针对深部巷道围岩变形，我国目前采用的有锚喷网支护、可缩性金属支架、弧板支护。而由于矿压显现破坏风门，导致通风系统无法正常工作现象，在浅谈 矿井深部开采风门设施的技术改造中提出方案：对风门处进行壁后注浆加时间 /a
7、 1980 1995 2000 2010 2020 开 采深度 /m 288 428 500 700 1 200 固 ,对两帮和顶板进行注浆加固锚索 ,锚索应垂直布置 ,间、排距不得小于 1m; 锚索深入岩层长度不得小于 5m,深入稳定岩层中的长度不小于 0. 5m；对风门前后 3m 挖地基 ,地基深度不小于 1m,地基敷设 10#钢筋骨架并灌浆加固；对建造风门位置并排架 2 架工字钢棚 ,工字钢棚根据实际情况定做 ,建造风门期间工字钢棚垒在墙体内 ,以增加抗压能力 ,架起的工字钢棚不得影响门框的正常安装 ,同时保证风筒能顺利通过；对巷帮进行掏槽 ,除掏槽外必须向周边打 2 排 18mm 以上
8、的密集钢筋锚杆 ,打入巷帮内不得小于 1m,外露长度不得小于 0. 5m,间排距均为 0. 3 0. 4m, 且将外露锚杆全部砌入墙体内；风门门框由 12 号槽钢改为 14 号槽钢 ,门框和墙体接触的每侧要有至少 3 个同规格的加强装置砌入墙体内 ,以增强巷道抗压强度；风门建造所使用砖、沙、水泥需保证质量 ,水泥掺沙比例要合理。如图 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
9、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。 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 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。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
10、、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。 表 1 冲击地压次数和强度与采深关 系 开采探度 (m) 平均强度 (t次 ) 发生趺彀 比例 ( ) 20l一 300 68 1 3 0 301 400 ll8 3 11 O 401 500 947 9 32 500 1200 15 54 我国 1978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。 根据治理的作用目的和时空范围
11、， 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。 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，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，
12、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。开滦局赵各庄矿十水平 (一 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。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
13、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 开滦集团赵各庄矿 3237工作面动压灾害防治实例灾害简况 2006年 1月 3日， 3237工作面范围初采期间发生了一起较大的 “ 煤炮 ” 现象，巷道内大量金属拱形支架下缩，其中运输道多处地点发生冒顶，局部巷道阻塞，现场工作人员有强烈的瞬时震感，并伴有 冲击波和大量煤尘飞扬。 分析 和对策 由于 3237 工作面的开采方法已经确定，对动压的防治只能采取区域性的、局部的防治和解危措施。经分析后认为，经过 1 月 3 日的动压显现后，煤岩体内的能量得到了一定程度的释放，但 3237 区域可能仍有潜在的高应力区，工作面投入回采后，工作
14、面区域的煤岩体应力将重新分布，工作面前方超前压力影响范围，在老顶初次来压时、周期来压时还有可能产生新的高应力区，形成潜在的动压危险。 对策 动压危险预测预报 ， 工作面开采前，主要采用钻屑检测法对动压危险性进行检测、预报，辅助采用钻孔应力计、电磁辐射仪对动压 危险性进行检测、预报。工作面开采后，采用钻孔应力计对可能存在动压威胁的区域进行观测，同时使用 KBD5 型电磁辐射仪，对整个工作面区域的矿压显现进行动态跟踪观测，并辅助采用钻屑检测、巷道变形观测等手段对可能存在的动压危险性进行检测、预报。 4.深热矿井增加，气侯务件恶化 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
15、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。 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 5O摄氏度， 部分高达 60摄氏度 。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。 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 潘三矿 1410
16、2(1)工作面位于西二采区一 810m水平，地温梯度 3 42 100 m(钻孔资料 )，岩温 43根 据实测资料， 14102(1)工作面夏季的进风温度为 32，湿度 96 6，风量 2000 mx 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。 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 1200 kW，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， 5
17、00m， 800 m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 7 m3 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。如图 2。 潘三矿 14102(1)工作面降温系统布置 3.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
18、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 （三）结束总结 煤层瓦斯含量、瓦斯压力、地应力、煤岩物理力学性质、煤的变质程度等与开采深度都存在一定的关系。在深部开采条件下 ,深部岩体的组织结构、基本行为特征等均发生了根本性变化 ,是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。因此 ,应系统研究我国深井矿区灾害发生机理的特点 ,探讨采深与主要影响因素之间的内在联系 ,揭示不同条件下灾害发 生的规律 ,以作为深部灾害治理的前提和基础 ,从而提出预测方法、指标和防治措施。对于解决随着开采深度的增加 ,以岩爆、突水、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压和采空区失稳为代表的工程灾害防治问题具有重要意义。 深部煤炭资源是 21 世纪我国主体能源的后备储量 ,随着我国煤矿开采不断向深部延伸 ,使深部开采遇到了地表沉陷预测与控制、岩爆、突水、瓦斯爆炸等地质灾害 ,其成灾机理及控制技术是采矿工程 领域面临的挑战性、高难度课题 。所以 ,深部矿井的开采技术既是当前一些矿井面临的问题 ,也是我国煤炭工业长远发展需要十分重视和研究解决的问题。 大力开展面对深部开采的复杂地质条件相关理论与技术研究 ,及时解决深部开采所涉及的技术性问题 ,不仅能为深部资源开发提供可靠的理论基础 ,而且对安全、经济、合理地开发深部煤炭资源有特别重要的战略意义。
