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。

（2）岩性对巷道稳定性的影响更加显著。

浅部岩性变化对巷道变形影响较小，一般情况下，决定巷道位置时，岩性不是主导因素，同一巷道，不同岩性常采用相同支护方式和参数即能保持巷道长期稳定；到深部后，不同岩性围岩变形差异大大增加，岩性成为巷道位置选择的主导因素，同一巷道不同岩性的非等强支护方法成为巷道维护的主要手段。

（3）掘进后巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征。

浅部巷道掘进影响期一般为3~5天，之后能基本稳定下来；深部巷道掘进后，巷道一直难以稳定，当支护不合理时，其变形可使巷道完全闭合。

特别是当受动压影响时，其敏感程度更高，影响范围更大。

煤柱稳定宽度增大，留煤柱护巷在技术和经济上更加不合理。

（4）浅部围岩在临近破坏时出现加速变形阶段，工程技术人员常常根据这一现象进行破坏前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在比较局部的范围内，而深部围岩在破坏之前近乎处于不变形状态，破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏往往是大面积发生，具有区域性，如巷道大面积冒顶垮落等。

3.6 煤层自燃问题
研究表明，随采深增加，地温增高，地温越高，煤层原始温度越高，导致围岩层温度越高，改善了自燃的蓄热条件，导致煤体与环境风流温差较大，增大了漏风供氧动力- 热风压，导致煤体自身的耗氧速度和氧化放热强度即煤体氧化放热性能增强，最终导致煤体自燃危险性增大。

因此，在深部较高的温度环境下，更易引起煤层的自然发火。

我国煤层自然发火危险性严重，比例大、覆盖面广。

自然发火危险矿井几乎在所有矿区都存在，因自燃而造成煤炭资源的破坏，每年达数十亿元的经济损失。

如河南多数矿井煤层具有自然发火倾向性，义马、平顶山、鹤壁等矿区煤层自然发火期较短，达到深部开采后，煤炭自然发火问题将较浅部更为严重。

同时，自然发火容易触发矿井火灾、瓦斯爆炸事故的发生。

4 国内外深井开采技术发展情况
4.1 建井技术
德国、前苏联、加拿大和美国在深部矿井建设和开发过程中遇到了一些共性的技术难题，有些已经得到较好解决。

在深厚冲积层特殊凿井技术方面，德国、英国、波兰、加拿大、比利时等国家冻结法凿井深度均达到500m以深。

煤矿中冻结深度最深的波兰的鲁布林煤矿一号井，冻结深度达到725m。

国外钻井法用于施工的类似我国地层条件的井筒不多。

近年来我国在深井开发建设中，先后完成了淄博唐口矿同一井场3个超千米井（筒）的建设，研究开发了邢台邢东矿深井“三同时”快速凿井新技术，以及新汶龙固矿4个近
600m深厚冲积层特殊凿井工程。

这些都属国际深井建设的先进水平。

“三同时”建井，是在受控钻孔（定向钻进）技术发展的基础上提出的，将传统井筒建设中上部冲积层冻结、下部岩层注浆、井筒掘砌依次施工的顺序，通过一定的技术手段，使三者在同一井筒、同一时间、不同深度上同时施工，达到缩短工期、确保安全的平行作业。

提高深井建设水平，除上述专项技术外，关键在于提高施工机械化水平。

近年来我国在通过引进学习国际先进技术的基础上，研究开发了适合我国条件的深井掘砌工艺和机械设备，取得了较大的进步。

如唐口矿3个千米的兴建，平均月成井超过百米；仅用4年半建成实际生产能力8.25Mt／a 矿区的“济北模式”；山东龙固、郭屯，安徽丁集、扳集的深厚冲积层特殊凿井技术。

这些都取得了一定的经验。

并有所突破和创新。

“十一五”国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”针对我国中东部地区煤炭供需矛盾持续紧张、煤炭资源开采深度逐年增加的实际情况，研究开发了适于深厚冲积层千米深井建设时期的高压注浆装备、特殊注浆堵水材料及深井注浆工艺，解决了深井建设中的水害威胁，为安全快速建井提供打干井条件；研发了冲积层钻井法新型钻头、刀具，形成“一扩成井”钻井凿井技术及装备；研究开发了立井凿井“钻--注平行作业”和千米深井基岩快速掘砌施工工艺及配套装备等关键技术；通过技术集成和相应工程示范，全面提高了我国深井建设技术与装备水
平，加快深井开发建设速度，为深部煤炭资源安全、快速开发提供了科技支撑。

4.2 巷道支护技术
目前，国内外已形成被动支护、主动支护和联合支护三种形式。

4.2.1 围岩支护技术（被动支护）
棚式金属支架是巷道支护中最为常用的被动支护手段，它是通过提供被动的径向支护阻力，其直接作用于巷道围岩表面，来平衡围岩变形压力，从而约束围岩变形。

国外棚式支护发展的特点：由原始的木支架向金属支架发展，由刚性支架刚向可缩性支架发展；重视巷旁充填和壁后充填方法，完善了拉杆、背板，提高了支护质量；由刚性梯形支架向拱形可缩性支架逐渐发展，研制和应用非对称性可缩性支架。

国内巷道棚式支护：支架材料主要是矿用工字钢材和U 型钢材，并已形成支护系列；研究和发展了力学性能较好、使用可靠、方便的连接组件；研究、设计了多种新型实用可缩性金属支架；提出了确定巷道断面和选择支架的重要方法；改进了支架本身的力学性能，提高了支架承载能力。

4.2.2 围岩加固技术（主动支护）
锚杆（索）支护作为是一种植入围岩内部巷道的主动支护方式，其不仅给巷道围岩的表面施加托锚力从而起到支护作用，还能给锚固体施加一定的约束控制围岩变形，使围岩强度得以提高，起到加固控制围岩变形的目的。

美国是世界上使用锚杆支护技术最早的国家之一，澳大利亚、英国、德国等国家煤矿行业广泛使用了锚杆支护的主动支护方法，较好的控制了煤矿巷道顶板、两帮等变形破坏问题。

我国煤矿是从1956 年开始使用锚杆支护，最初是被应用在岩石巷道，上世纪60 年代开始在煤巷中试验应用，现已被广泛的应用于控制围岩变形破坏工程。

注浆加固技术是一种较好的围岩加固技术，其能够显著的改善工程岩体的力学性能及其完整性结构，会促使围岩形成整体的结构，且能封堵裂隙，起到防止岩体泥化和风化的作用，同时能够改善锚杆和金属支架的受力状态，在使用浆体材料得当的前提下，将会充分发挥保护围岩体的自承载能力，其在软岩巷道工程中得到了广泛应用。

4.2.3 联合支护技术
联合支护技术是指用多种不同性能单一支护的简单叠加，复合支护技术是指几种支护形式的组合或者采用复合材料进行支护巷道，而耦合支护技术是指对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生变形不协调的部位，通过支护的耦合而使巷道围岩变形协调，从而限制围岩产生的有害变形和损伤，实现围岩—支护一体化、载荷均匀化，从而达到巷道稳定的目的。

联合支护技术最初仅为各类支护体的简单叠加，当随着联合支护理论研究的不断深入，逐渐由简单的支护方式叠加，改进为多种支护方式的联合、耦合，且在软岩巷道工程实践中进行了大量应用。

目前，联合支护技术在支护方式的选择上主要集中在各种主动支护方式联合，如锚杆+锚索、
锚杆+锚注等等；在特殊情况下时亦有主被动方式的联合，如碹体+锚杆（索）、金属支架+锚杆（索）、金属支架+锚注等。

针对深部巷道围岩的变形破坏特点，已形成以锚杆支护体系为主，以锚索和注浆动态迭加，辅助架棚和卸压等技术为辅的深部巷道围岩支护技术，同时也强调破碎软弱结构等关键部位进行加强支护的方法。

4.3 采掘技术
进入深部开采以后，各个矿井因地质条件和煤层赋存的不同而采用不同的采煤工艺。

目前我国千米深井中有93%的矿井采煤工艺基本都使用综采或综采与炮采、普采、水采等相结合的采煤工艺，少数矿井使用炮采、水采、综放等工艺。

在掘进工艺方面，有78.72%的矿井都采用综掘或综掘与普掘、炮掘相结合的掘进工艺，其中又以综掘与炮掘相结合为主，占59.57%。

与浅部开采相比，深井开采的采掘工艺并无明显的区别。

图我国千米深井掘进方式统计图
4.4 提升方式与分级排水
深部开采对矿井井筒提升能力和排水能力带来了巨大
的挑战，调查结果显示只有76.6%的矿井采用一级提升、38.3%的矿井采用一级排水，说明很多矿井是由于浅部煤层采完后开拓延伸到目前的深度，河北省开滦集团赵各庄煤矿采用5级提升。

但随着矿井提升技术的发展，建设中的5对千米深矿井均采用一级提升和一级排水。

4.5 热害治理技术
目前国内外的矿井降温，主要有两个方面的措施：一是非人工制冷措施，即通过改善通风方式，加大通风量等方式来进行降温，这种措施虽然经济实用，但是降温幅度有限，且受到诸多因素的制约；二是人工制冷降温，此技术可以分为水冷却系统和冰冷却系统，水冷却系统就是矿井空调技术的应用，而冰冷却系统则是将冰块洒向工作面来达到降温的目的。

国外在矿井降温方面起步较早，采用的方法主要有几种：机械制冷、利用电厂余热的溴化锂机组制冷、矿井瓦斯发电余热或直燃式溴化锂机组制冷等方法，德国和南非等国家的降温技术较为领先，德国气冷式降温技术和南非冰冷式降温技术比较有代表性。

早在20世纪70年代，我国就开始矿用制冷设备的研制工作，但进展相对缓慢。

80年代后，随着矿井开采深度的加深，矿井热害已经严重影响到了煤矿的正常生产。

1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机，并且在平煤五矿己三轨道下山掘进工作面实施局部制冷降温，可使掘进
工作面的气温降低5～8℃。

1996后又与相关单位合作，用LSLGF-300、1000、500螺杆式水冷机组对工作面降温，效果明显。

近两年，随着对矿用机械制冷设备需求量的增加，国内一些厂家也开始对矿用制冷设备的研制，国内企业合作开发的ZJL-500矿用大气降温装置已经通过安标国家中心的矿用产品安全标志认证。

孙村煤矿，采深达1501米，是亚洲最深的矿井，也是国内受高温热害影响最严重的矿井之一，在许多采掘工作地点，岩石温度达到45摄氏度以上。

山东能源在世界上首家自主研发并成功投用了冰冷低温辐射降温技术，使采掘地点温度下降5至10摄氏度，能够控制在26摄氏度以下。

目前，该矿已建成国内最大的矿井降温技术研发基地，承担了国内31个矿井的降温工程。

4.6 冲击地压防治技术
目前，在冲击地压防治方面，国内外普遍采取预测预报、解危措施、效果检验、安全防护“四位一体”的综合防治措施。

利用开采保护层、合理采区布置等方法降低应力集中程度。

通过煤层预注水、高压注水、卸压钻孔、卸压爆破等措施，改变煤岩体的物理力学性能，减弱积聚弹性能的能力和释放速率。

（1）煤层注水工程。

水能显著降低煤的冲击倾向性，煤层注水防治冲击地压的原理是：通过煤层注水，煤的结构发生改变、强度下降、变形特性明显“塑化”，煤体中积聚弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗弹性能的增加，煤的冲击倾向性大为减弱，甚至完全失去冲击能力。