深矿井开采

深矿井开采技术一、绪论1、国内外煤矿深井开采的现状煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水平提高加速了生产矿井向深部发展。

煤矿深井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，我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速度快，一些国有煤矿已开始转向或即将进入深部开采。

由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异、以及在深部开采中出现问题的程度不同。

因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标准。

根据本国国情以及地质条件的实际情况，不同的国家有不同的标准。

一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述。

苏联的一部分学者将采深超过600m的矿井归于深井，而另一部分学者把采深800m 作为统计深井的标准。

德国学者把采深800～1200m定为深部开采，把1200m以下称为超深开采。

英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750m，日本定为600m。

我国对深井的界定无明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划分为4类，各类的深度范围如表1。

在世界主要采煤国家中，德国、英国、波兰、俄罗斯、日本等都有深部开采矿井。

英国煤矿的平均采深为700m，最深的达1000m。

德国煤矿矿井的平均采深为947m，最深的达1713m。

波兰煤矿的平均采深为690m，最深的达1300m。

俄罗斯已经有许多矿井采深达到1200～1400m。

我国国有煤矿生产矿井中，采深大于700m的有50处,占总数的8.35％，采深已超过800m的矿井有25处，分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶和徐州等开采历史较长的老矿区，特别是东部矿区。

在采深超过1000m的矿井中，有沈阳彩屯矿(1199m)、开滦赵各庄矿(1160m)、新汶孙村矿(1055m)、北票冠山矿(1059m)和北京门头沟矿(1008m)。

开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿、北票台吉矿、新汶华丰矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近1000m。

预计10～20年后，开采深度大于700m的矿井将不断增加。

由此可见，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。

2、煤矿深井开采的主要特征深矿井开采就是指埋藏在距地表一定深度(一般大于800m)的煤炭，具有如下主要特征。

1)地压大主要表现在以下几个方面：(1)原岩应力大。

原岩应力包括自重应力、构造应力以及赋存在岩体中的水和瓦斯对岩体的压力等。

自重应力随埋藏深度的增加而增大。

构造应力实际上是构造残余应力，当开采深度大时，构造应力由于释放困难，残余构造应力大。

地下水和瓦斯赋存在岩体中，一般情况下，其赋存量和压力随赋存深度增大而增大。

因而，在深矿井开采中原岩应力大。

(2)岩体塑性大。

岩石的变形特性与受力状态有关：当侧向压力由零(单向受力)逐渐增加时，岩石的塑性会逐渐增加。

在深矿井开采中，由于原岩应力大，主要是侧向应力的增加使岩体的塑性增大。

当开采到一定深度时，岩体会进入完全塑性状态，此时，原岩应力为三向等压，即所谓的静水压力状态。

(3)矿山压力显现剧烈。

矿山压力显现剧烈是深矿井开采中原岩应力大和岩体塑性大的主要表现。

矿山压力显现剧烈表现为：①围岩移动量大，移动速度快。

巷道围岩移近量，巷道顶底板移近率随采深增大而增大，尤其底臌量所占比重随采深增大而增大，甚至有些巷道在掘出后在很短时间内就无法使用。

②冲击地压发生频度高，冲击能量大。

冲击地压是发生在巷道或采场围岩中的一种复杂的动力现象，以围岩的突然破坏为特征，当岩石受力达到岩石强度极限时，岩石将出现破坏，对于脆性大的岩石，其破坏伴随着弹性能的突然释放，而这种弹性能的突然释放，又会加速岩石的破坏，形成煤(岩)炮或煤(岩)抛出或片帮。

这就是冲击地压发生的机理和冲击地压显现。

在深矿井开采中岩体受力大，在脆性大的岩层，就可能发生冲击地压。

2)地温高地温是指井下岩层的温度。

一般情况下，地温随深度增加而呈线性增加，其增高率用温度梯度(℃／hm，hm＝100m)表示。

地温决定着井下采掘工作面的环境温度，即矿井温度。

在深矿井开采中，矿井温度一般都比较高，会影响人体健康，有时甚至会远高于人体所能承受的最高温度。

3)矿井瓦斯大（1）矿井瓦斯(绝对)涌出量大。

矿井瓦斯(绝对)涌出量随开采深度增加而增大，其原因是：①一般情况下，煤层埋藏深，煤层瓦斯含量大。

②煤炭开采强度随采深增加而增大。

（2）瓦斯突出(煤与瓦斯突出)频度大，突出的量大。

影响瓦斯突出的因素有：瓦斯赋存量和压力；煤（岩）的物理力学性质和所受地压；地质条件等。

这些因素随开采深度增加而增大。

因此，一般情况下，瓦斯突出的频度和突出物量也随采深增加而增大。

3、煤矿深井开采存在的问题1）、矿压显现加剧，巷道维护困难随着矿井采深的不断增加,矿井逐渐出现矿压显现强烈，巷道维护困难，地温升高和勘探困难，开采条件恶化，生产技术效果和经济效益下降等问题。

一方面,巷道断面必需加大,据对开滦矿区统计,近10年间采深平均增加100m,岩石巷道断面平均增加8.1％，煤、半煤岩巷平均增加32％；另一方面,地压增大,在深部高应力作用下，围岩移动更为剧烈,巷道产生变形破坏更为严重。

在调查的超过700m的深井中，巷道矿压问题普遍严重，底臌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,井深1000m时巷道失修率约是同条件下500～600m埋深巷道失修率的3～15倍,部分矿井巷道失修和严重失修率达20％以上。

深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节。

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深度在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。

发生冲击地压矿井50年代为7个,60年代为22个,目前已增加到33个。

经调查发现,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。

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,截止1986年,已发生突出的矿井200多个,突出次数约为12000次,约占世界发生总突出次数的1/3。

从国内外开采实践上看，矿井深部开采时瓦斯涌出量一般比较大,煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。

经研究表明,我国煤矿煤与瓦斯突出有随采深增加而瓦斯压力增高,瓦斯涌出量增大的趋势。

4）、深热矿井增加，气候条件恶化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。

德国、俄罗斯掘进工作面温高达50℃,部分高达60℃。

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。

我国深井热害问题相当严重,而我国热害的治理工作由于缺乏技术、资金等问题,大部分矿井热害治理仅靠通风降温、洒水降温,部分矿井采用机械制冷降温方法。

总的现状是技术落后、效果较差,应引起有关方面的高度重视。

5）、矿井生产费用升高，经济效益下降随着采深的增加，勘探强度加大，地压、地温升高，冲击地压及煤与瓦斯突出危险增大，相应的要采取一系列措施，如增加设备，加强支护等。

同时，井下需要维修的巷道长度增加，到工作地点的距离和时间增加，提升高度大、时间长，主副井提升系统、排水系统环节增多，通风系统趋于复杂。

这些都导致煤炭生产成本增加，吨煤成本生产费用提高，经济效益迅速下降。

4、煤矿深井开采的发展前景煤矿深井开采技术是当今世界主要深井开采国家（如德国、俄罗斯、波兰等）十分关注的问题之一。

目前，德国的开采深度最大，波兰、俄罗斯、英国等次之。

这些国家同时也是对深矿井开采研究较早、较多的国家。

它们在深矿井开采的地压控制、制冷降温以及瓦斯管理等方面做了大量研究，并取得了许多成功的经验。

我国是世界第一产煤大国，据煤炭资源开发和资源保护研究指出,在我国预测总储量中73.2％埋深在1000m以下,浅部储量较少。

随着我国煤矿开采规模的扩大,开采深度的逐渐增加,深部开采已经成为煤矿生产的必然过程。

深部开采中遇到的矿压、地热、瓦斯等主要技术问题日益增多,对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重。

因此,如何面对深部开采的复杂地质条件,及时解决深部开采所涉及的技术性问题，从长远看，它将对安全、经济、合理地开发深部煤炭资源有重要的战略意义。

二、深矿井开采的支护技术（一）、煤矿深井开采矿压显现规律与控制1、煤矿深井开采矿压显现的基本特点开采深度的增加是矿井生产的自然规律，随之而产生岩石温度增加，地压增大，岩石破坏过程强化，巷道围岩变形剧烈，冲击地压强度增大和频度增加等自然现象。

它将严重影响着煤矿的安全生产和经济效益。

深部煤层开采复杂化的主要影响因素是矿山压力，在高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生变形和破坏也更为严重，巷道围岩变形速度快、变形量大，巷道周边变形范围大；巷道对支架的工作特性要求高，初撑力、工作阻力和可缩量均大，即使开掘在底板岩石中的巷道，用拱形金属支架和各种结构封闭式支护的巷道有时也遭巨大变形。

巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期间维护困难，掘出后废弃的巷道增多，巷道掘好后不久将失稳，围岩收缩变形较大，其巷道稳定性随深度增加而逐渐恶化，使深部巷道的维护费用剧增。

2、煤矿深井巷道矿压显现特点1）、巷道变形量大深井巷道矿压显现的显著特点之一是巷道开挖就产生大的收敛变形量。

这一特点是由深井巷道围岩处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决定的。

苏联的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600m开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量平均增加10％～11％，如图1所示。

理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，如图2所示，开采深度每增加100m的巷道变形增量与岩体强度有关。

国内外深部开采的实践表明，开采深度为800～1000m时，巷道变形量可达1000～1500mm甚至更大，与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。

由于深井巷道变形量大，若支护不合理(如采用刚性支架或支架的可缩量不足)时，巷道变形、破坏严重，因此，深井巷道的维修工作量大，维护费用高。

实践表明，深部开采的巷道翻修率(损坏率)可达40％～80％(部分是由于支护不当造成的)，甚至高达100％,与开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数，特别是可缩量等有关。

图2 巷道变形量随采深变化的理论曲线*2）、掘巷初期变形速度大深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。

根据现场观测表明，深井巷道刚开挖时的变形速度可达50mm/d以上。

观测巷道为赵各庄矿13水平东翼阶段运输巷(现场称为电车道)，埋深1159m，围岩为煤至半煤岩，锚喷网支护。