2019最新1深部煤炭的开采环境、挑战与思考物理

我国探明的煤炭资源总量中： 60%埋藏深度＞800m 53%埋藏深度＞ 1000m
煤炭开采深度正以每年8-12米 的速度增加，中东部矿区每年 10-25米急剧进入深部开采。
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从世界煤炭格局看，我国煤炭的分量越来越重，深井开 采只有立足于自主创新！
47.5%
36.5
中国与世界的煤炭产量（据英国BP）
29
卸压开采的步骤：
评估资源及开采条件，选择安全有保障、可供直 接开采的煤层（煤线、软弱岩层）首先开采：
顶底板条件好，巷道容易维护； 瓦斯含量小，突出危险性低； 冲击倾向性低，无冲击矿压； 承压水威胁小，水量可控。 高效薄煤层（煤线、软弱岩层）机械化开采技术！
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卸压开采的步骤（续前）：
〔全国煤矿千米深井开采技术座谈会资料之五〕
深部煤炭的开采环境、挑战与思考
张农
中国矿业大学
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提纲
引言 千米深井分布情况 深部开采环境及挑战 深井开采方法的思考 结束语
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一、引言
我国煤炭供给支撑着国民经济的快速发展，保障着国家的能 源安全。
40
60
煤炭产量(亿吨) GDP产值(万亿元)
上区段采空区
上隅角
回采区段煤柱
回风
工
作
进风
面
采
采空区 空气流
空场
区
传统留煤柱U型通风
上区段采空区
进风
工 作 进风 面
采空区
无煤柱沿空护巷Y型通风
回 风
沿空 护巷
采空区 空气流 场
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卸压开采方法
从开拓开采源头出发，统筹考虑深井开采 面临的三方面七大问题，针对矿区煤系地层赋 存特点，通过首采煤层的系统大面积连续开采、 渐进卸压，制造含煤地层的有效卸压区域，消 除突出和冲击矿压等动力灾害、减弱围岩矿压、 解析低透气性瓦斯，实现低应力状态下的资源 协调开采。
30
40
20
10
20 煤炭产量 GDP产值
0 2002
2004
2006
2008
2010
0 2012
煤炭产量与GDP增长的关系
我国煤炭产量连续多年位居世界第一，2012年36.5亿吨 ，约占世界产量50%。
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从我国能源结构看，在相当长的时期内，煤炭作为我国 的主导能源不可替代！
天然气 核电、水电 石油 3.50% 7.70% 11.90%
1、深部开采的工程地质环境 2、深部开采面临的技术挑战
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1、深部开采的工程地质环境
高地应力
高瓦斯
五 高
高工作面环境温度
高冲击矿压倾向性
高渗透压
两
开采的强烈应力扰动
扰
动
巷道群开挖时序的强烈扰动
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1）高地应力
1000m 27.0MPa
采 深
500m
垂 直 地 应 力
13.5MPa
煤层形成
后期构造运动
突出煤层位于上部
C14 C13
什么顺序开采？
70m
C组煤 高瓦斯煤层群
B11
可采煤层（8~15层）
70m
煤层瓦斯含量高（12～36m3/t）
B8
埋藏深（400 ～1500 m）
B7 B组煤
70m
B6
极松软（坚固性系数f为0.2～0.8）
B4
透气性低（渗透率为0.001mD）
60m
天然气 石油 3.10% 20.40%
核电、水电 7.20%
能源生产结构图
煤炭 76.90%
能源消费结构图
煤炭 69.30%
国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》 已经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、油气和新能源全面 发展的能源战略” 。
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从资源赋存特点和开采延伸速度看，深部开采势在必行！
+ 较大的构
造应力场
垂直应力 水平分量
水平应力>垂直应力
淮南实测侧压系数（19点） >1 ：<1 18 ： 1
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2）高瓦斯
低瓦斯 运移通 道畅通 浅部矿井
高瓦斯 运移通道 不畅通 深部矿井
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3）高工作面环境温度
采
温
深
度
2.5~3.0℃/100m
危害：
岩体热胀冷缩破碎，温度 变化 1℃可产生0.4～0.5 MPa 的地应力变化
工人工作效率下降，易引 发事故
我国47对千米深井工作面温度:30～40 ℃
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4）高冲击矿压倾向性
自重
应力 采 增加 深
增 加 构造
复杂
能 量 聚 集
>
矿体失稳 破坏所需 要的能量
工程
扰动
冲击地压
非冲矿井
演变
冲击矿井
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5）高渗透压
深部
+ 水压大
承压水 涌水量大
采掘活动 导致断层 裂隙活化
突 水 灾
害
浅部
第四纪 含水层 地表水
水压小 涌水量小
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6）强烈的开采应力扰动
开采活动
深部工 程软岩
塑性应 力状态
深
部
高
演
演
地
数倍的原岩
变
变
应
应力附加
力
浅部工 弹性应
程硬岩 力状态
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7）巷道群开挖时序的强烈扰动 高地应力 巷道群掘进
先掘巷道 强扰动影响 后掘巷道
底臌、两帮急剧收敛
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2、面临的技术挑战
留煤柱跳采开采
无煤柱连续开采
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煤柱应力诱发动力灾害
wk.baidu.com应力集中区
卸压保护区
应力集中区
留煤柱护巷对上下采掘工程影响
降低应力集中程度，利于周围采掘工程的稳定； 消除因留设煤柱诱发的冲击地压。
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突出问题之三：U型通风方式的在深部开采的适应性差、 可靠性低
上隅角瓦斯聚集，威胁安全。 工作面温度聚集，加剧热害。
2012年煤矿各类事故起数分布
冲击地压发生前后（抚顺）
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突出表现之二：开采效率低、成本高
巷道维护难：围岩松软，冲击矿压频发 瓦斯抽采难：煤层渗透率低，瓦斯处于吸附状态 水害治理难：裂隙发育，承压水威胁大
巷道发生剧烈变形
抽采钻孔施工难度大 22
四、深井开采方法的思考
深部问题主要是高应力水平产生的，两条技术路线： 1、静态开采：尽可能小的应力扰动
（13.3%）
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敬请指导！ 谢谢大家！
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100.00
已建矿井 2 23 7 8 1 1 42
建设中矿井 0 5 0 0 0 0 5
山东省新汶矿业集团孙村煤矿立井开采深度：1501m（2012年） 华能核桃峪矿井（甘肃华亭）主斜井长度：5875m；垂深：975m
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2）千米深井分省布局图
省份
江苏 山东 安徽 河南 河北 黑龙江 吉林 辽宁
数量
瓦斯压力大（高达6MPa）
A3 A1
A组煤
煤层倾角0~90°
淮南矿区煤层群柱状图 25
突出问题之二：跳采接续方式和留煤柱护巷导致资源采 出率低、开采效率低
采1吨煤的资源消耗量 资源回收率
美、澳等 1.2~1.3吨
80%
中国 3~4吨 30%
连续开采 可减少巷道 10%~40%， 提高采出率 15%。
Y型通风方式，降低工作面温度 消除上隅角瓦斯超限问题 实现煤气共采
取消煤柱，连续开采 充分卸压，消除高应力 减少工程量，低成本开采
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五、结束语
我国是煤炭生产和消费第一大国，在煤炭开采、尤其是在深部煤 炭资源开采的科学与技术方面理应处在世界的前沿。
我国贫油少气富煤的能源特点是相对的，从国际上同比煤炭资源 状况不容乐观，应高度重视资源节约问题，无煤柱卸压开采是值得提 倡和推广的深井科学开采模式。
其他 （30%
）
中国 （70%）
2002年以来世界煤炭产量 的净增长量的平均贡献率
2011年中国超越日本成为全球最大煤炭进口国，全年共进口煤炭 1.824亿吨 ，2012年中国累计进口煤炭2.86亿吨，同比增长59%。
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未来5～10年，全国将有更多地煤矿转移至 深部，中东部矿区全面进入深部开采！
我国煤炭资源赋存条件、我国能源生产和消 费结构特点决定了必须将深部的煤炭资源开采出 来加以利用。
7 21 6 4 4 2 2 1
二、千米深井分布情况
3）千米深井产量和服务年限
矿井数/ 个
25
20
[值]
15
已建矿井
10
18
[值]
建设中矿井
5
9
0
5
[值]
5
2
2
1
年产量/ 万吨
我国千米深井产量统计图
我国千米矿井平均年产量：205.66万吨，平均剩余服 务年限：33.73年
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三、深部开采环境及挑战
技术途径：充填置换开采 适用条件：地面环境要求、承压水害防治 2、卸压开采：制造大范围的低应力区 技术途径：安全层的无煤柱连续开采 适用条件：无水害煤层群、可以疏干水的煤层群
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2、卸压开采方法
传统开采方法在深部的几个突出问题 卸压开采的基本设想和步骤 高瓦斯煤层群的卸压开采模式
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突出问题之一：下行顺序开采方式遇到挑战
在卸压区布置和维护巷道: 选择合适的时机在首采层开采形成的采动卸压区 布置巷道，实现巷道在低压区维护。
在低应力状态下统筹协调开采（煤与瓦斯共采） 利用卸压效应和已布置的巷道选择合适方式抽采 游离瓦斯； 开采抽采达标、充分卸压的邻近安全煤层。
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高瓦斯煤层群的卸压开采模式：无煤柱煤与瓦斯共采
义务、责任、能力！
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二、千米深井分布情况
1）千米深井井深统计表
井深（m） 990~1000 1000~1100 1100~1200 1200~1300 1300~1400 1500~1600
合计
个数 2 28 7 8 1 1 47
比例（%） 4.26 59.57 14.89 17.02 2.13 2.13
安全 效率 成本
三方面
七大问题
环境热害 冲击地压 煤与瓦斯突出 矿井突水 深井矿压 煤层自燃 高运行成本
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突出表现之一：顶板可靠性降低、动力灾害频发
深部岩石力学行为发生质变，表现特殊，冲击矿压频率和 强度均明显增加，成灾机理更加复杂，防治愈加困难。
顶板成为煤矿第一大事故源，严重影响煤矿的安全状况。