煤矿千米深井开采技术现状

煤矿千米深井开采技术现状1 国内外深井开采现状在我国已探明的煤炭资源中，约占50%的煤炭埋深超过千米。

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，我国煤炭开采逐步转向深部，煤矿开采深度以8～12m/年的速度增加。

如何能够安全、高效、低成本地开采深部煤炭资源，将其转换为经济建设有力的能源保障，成为目前我国煤炭行业亟需寻求突破的重大技术难题。

1.1 国外深井开采现状煤矿深部开采是世界上大多数主要采煤国家目前和将来要面临的问题。

在世界主要采煤国家中，美国、澳大利亚、德国、英国、波兰、俄罗斯等国家采矿业较为发达，原西德和前苏联较早进入深部开采。

在20世纪60年代初，原西德埃森北部煤田中的巴尔巴拉矿的开采深度就已经超过1000 m，达到1200m；从1960~1990年，原西德煤矿的平均开采深度从730m 增加到900m 以上，最大开采深度从1200m 增大到1500m，并且以每年约10m 的速度递增。

前苏联在解体前的20年中，煤矿的开采深度以每年10~12m左右的速度递增。

在俄罗斯，仅顿巴斯矿区就有30个矿井的开采深度达到1200~1350m，波兰的煤矿开采深度已达1200 m，日本和英国的煤矿开采深度曾分别达到1125 m 和1100m。

1.2 国内深井开采现状近年，我国经济持续高速稳定发展，能源需求旺盛，煤炭产量大幅度增加，2012年生产原煤36.5亿t。

矿井开采延深速度加快，一大批矿井快速进入深部开采阶段。

东北及中东部地区的多数矿区开采历史长，开采深度相对较大。

预计在未来20年，很多煤矿的开采深度将达1000~1500m。

如现在新汶矿区平均最大回采深度达到1032m。

图我国煤矿千米深井分布图据国家煤矿安全监察局初步统计，我国已有平顶山、淮南和峰峰等43个矿区的300多座矿井开采深度超过600m，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、阜新和徐州等近200处矿井开采深度超过800m，而开采深度超过1000m 的矿井全国有47处。

其中山东省就有21处。

目前，全国最深的矿井是新汶孙村煤矿，其开采深度已达到1501m。

此外，采用斜井开拓的华能核桃峪矿井（位于甘肃华亭），主斜井长度5875m，垂深975m。

我国千米深井井深集中在1000~1299m的矿井约占91.48%，平均深度为1086m。

煤矿进入深部开采后，岩层压力大、涌水量大、地温高等现象普遍存在，为矿井围岩控制、突涌水治理、防灭火、热害治理等带来了新挑战，特别是随着矿井开采强度及生产规模的不断加大，矿井生产所面临的技术难题更为严峻，对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。

2 我国深部煤层赋存情况据有关预测，目前我国垂深2000 m 以内煤炭资源总量为5.57万亿t，其中埋深在1000m以深的资源量为2.64万亿t，占到煤炭资源总量的49%。

图我国煤炭资源分布图我国千米深井集中分布在华北、华东和东北地区。

在山东、河南、安徽及江苏等华东地区的千米深井占全国的80.85%，其中又以山东最多，占44.68%。

我国千米矿井的产量为30~1200万吨不等，平均产量为205.66万吨。

其中产量最大的矿井为安徽省淮南矿业集团顾桥矿，为1230万吨。

产量集中在100~200万吨的矿井约占44.68%。

我国千米深井平均剩余服务年限为33.73年，河北省开滦集团赵各庄煤矿剩余服务年限仅有4年，而安徽省淮南矿业集团顾桥矿剩余服务年限则高达85年，剩余服务年限在40年以下的矿井占63.83%，与国内外煤田赋存特征比较，千米深井集中分布的我国东部煤矿区具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏深、基底为奥陶系承压含水层的特点，属华北石炭~二叠系含煤区，煤层厚度稳定。

其中二迭系山西组、石盒子组为主要含煤地层，煤质优良（主要开采煤层含硫量多在1%以下），单层厚度一般为2~6 m，主采煤层的总厚度占可采煤层总厚度的70%左右，由于该时期煤层受到印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动及新构造运动的影响，煤层赋存的地质条件极为复杂，煤层倾角变化大（0~90°），褶皱断层非常发育，比如淮南矿区开采范围内已探明的落差5m以上断层1900余条，平均每平方千米1.1条。

煤层瓦斯含量大，超过半数为高瓦斯矿井，由于大多数矿区瓦斯储层具有低压力、低渗透率、低饱和度及非均质性强的“三低一强”的特性，抽采极为困难。

由于石炭二叠纪煤田下部煤层底部为奥陶纪灰岩，基底岩层岩溶构造发育，底部煤层常常受到其基底岩溶水的威胁，仅河北、山东、安徽及渭北等地，矿井占用储量384.5亿吨，而受水威胁的煤炭储量高达149.7亿吨，占39%。

东部地区煤层埋藏较深及构造运动活跃，导致部分地区矿井具有强的冲击地压灾害。

我国东部地区煤炭储量近千亿吨，随着开采深度的增加，深井开采遇到的煤与瓦斯突出威胁增加问题、软岩支护问题、采空侧小煤柱地压问题及地温问题日趋严重。

3 深部开采环境及面临的技术挑战与浅部开采相比，深部开采不仅大大地提高采矿成本，而且随着深度的增加，采矿环境正在逐步恶化，对深部煤炭资源的安全高效开采造成了巨大威胁，深部“五高两扰动”的复杂地质力学环境，使得工程灾害事故在程度上加剧，频度上提高。

已有的开采实践表明，深部开采面临着七大问题：高温热害问题、冲击地压问题、煤与瓦斯突出问题、突水问题、软岩大变形问题、煤层自燃问题、生产成本提高问题。

3.1 工作面环境温度的热害问题一般情况下，地温随深度增加而呈线性增加，根据实测，新汶矿区矿井地温梯度一般为2.22~2.70℃/100m。

地温决定着井下采掘工作面的环境温度，即矿井温度。

矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之而改变。

当风流沿井巷向下流动时，空气的压力值增大。

空气的压缩会出现放热（或吸热），从而使矿井温度升高。

随着矿井向深部开采，井下作业环境条件恶化，岩层温度将达到摄氏几十度的高温。

在国外，南非西部矿井在深度3300 m 处气温达到50 ℃，日本丰羽铅锌矿由于受热水影响，在深度500 m 处气温高达80 ℃，俄罗斯千米平均地温为30~40℃，个别达52℃；南非某金矿3000 m时地温达70℃；中国孙村煤矿-800水平部分工作面温度高达30~33℃，巨野矿区龙固矿井-850水平所有工作面温度高达34~36℃，平煤集团五矿采深800~900 m 岩温达到34.5℃，平均地温梯度3.7℃/100 m，地温高并伴有热水涌出，在标高-450 m处的岩温为42℃，-650 m处的岩温高达50℃。

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℃，空气相对湿度94%~100%；平煤集团六矿采深800~900 m时岩温达到35.5℃，平均地温梯度3.1℃/100 m，已严重影响了工人劳动效率。

地温升高造成井下工人注意力分散，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。

3.2 冲击地压问题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。

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，随着矿井采深的加大，最直接的表现是地应力加大，矿压显现剧烈。

如协庄煤矿在采深500m~700 m时，实测地应力一般在15~25MPa；而采深在900m~1100 m时，实测地应力一般在30~39.5MPa。

可以明显地看出，地应力随深度的增加呈现明显增加的趋势。

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。

3.3 煤与瓦斯突出问题随矿井开采深度增加，煤层瓦斯压力增加，不少原来浅部为非突出的矿井（煤层），转化为突出矿井，突出强度和频度随深度增加明显增大。

我国煤矿开采条件复杂，所有矿井均为瓦斯矿井，在中东部地区，一半以上矿井为高瓦斯、突出矿井，瓦斯问题已成为安全生产的首要问题。

深部高应力作用下，煤层内瓦斯气体压缩达到极限，煤岩体中积聚了大量的气体能量，由于工程扰动的作用，造成压缩气体的突然、急剧、猛烈释放，导致工作面或巷道的煤岩层结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出，从而使浅部不存在煤与瓦斯突出倾向的非突矿井，进入深部以后转变为煤与瓦斯突出灾害频发的突出矿井。

近年来，对我国煤矿煤与瓦斯突出的大量统计研究表明，瓦斯突出随采深增加而瓦斯压力增高，瓦斯涌出量增大的趋势。

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斯突出矿井。

开滦局赵各庄矿十水平(-822 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。

3.4 突水问题地下水在渗流场中，常规条件下，裂隙岩体水的渗流符合达西定理，但是，在矿井深部的岩体，由于高应力和高地温的作用，其特征发生明显变化，高渗透压力可能产生地质灾害。

我国煤矿地质条件复杂，特别是水文地质条件复杂，奥灰水压持续升高，承压水问题十分严重，突水机率也随之增加。

如河南的几个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2~6 MPa），水量充沛；义煤集团公司生产矿井采区工作面煤层承受的底板水压普遍在2.0 MPa以上，突水系数大于0.06MPa/m，底板灰岩突水灾害曾多次发生，其中奥灰突水灾害3次；郑煤集团所属主要矿井向奥灰水位标高为+125~+150 m，焦煤集团赵固煤矿水压高达 6 MPa，突水威胁性大。

3.5 深井软岩支护问题随开采深度增大，地应力显著增大，巷道周围应力增高，在浅部相对较硬的围岩，到达深部后成为“工程软岩”，表现出强烈的扩容性和应变软化特征，巷道岩体强度降低，巷道与支护体破坏严重，特别是不良岩层巷道掘进与支护困难。

据部分统计，深部巷道实际返修比例高达90%以上。

不仅使巷道维护费用大大增加，而且造成矿井生产系统不畅，运输能力不足，风、水、电系统脆弱等一系列问题，成为矿井安全生产的重大隐患，具体如下：（1）巷道变形速度快、变形量大，底鼓严重。

深部高应力环境下，岩体储备了较高的能量，巷道开挖后的卸荷作用，使岩体中积聚的能量在较短的时间释放出来。

深部围岩最大与最小主应力差有增大趋势，如在平煤800 m深处地应力测量表明，最大主应力为29.7MPa，最小主应力为6.6 MPa，主应力差高达23.1MPa，致使剪应力增大，加速围岩破坏。

工程表现为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，同等条件下煤层巷道从500 m开始，埋深每增加100 m，巷道变形速度和变形量平均增加20%~30%左右；井深1 km时的巷道失修率约是500~600 m 时的3~15倍，底鼓成为巷道失稳破坏的主要形式。