对深部矿井开采存在问题的研究

对深部矿井开采存在问题的研究
【摘要】本文总结分析了煤矿深部开采所面临的主要问题，并就解决这些问题提供了一些措施。

【关键词】深部开采；矿井；煤炭；瓦斯
一、前言
随着社会对煤炭需求量的日益增加，开采能力的不断提高，开采深度不断的增加是井工开采的必然趋势。

我国淮南、徐州、新汶、开滦、鹤岗、鸡西、抚顺、平顶山等煤矿已进入深部开采阶段，平煤集团十二矿深部已达1150m。

开采深度的增加将使开采难度增大，开采环境也将发生很多不利的变化，如地应力增大、地温升高、煤层自然、冲击地压、煤与瓦斯突出、煤岩巷道变形、地下水灾等。

矿井进入深部开采以后，煤层薄，还存在采用留煤柱方法护巷采出率低、工作人员施工困难等缺点。

目前，我国煤炭形势不容乐观，分析形势萧条的原因，开采成本高居于首位，而研究煤矿深部开采所面临的问题，对于煤炭安全、经济、高效的生产极为重要。

二、深部开采主要面临的问题
2.1地应力与煤与瓦斯突出
（1）地应力
随着开采深度的增加，地应力会增大，一定深度之后会非线性的增大（包括主应力和侧应力）。

地应力不仅包括岩体自重应力、地质构造应力或残余构造应力，还包括因地温、地下水及岩石矿物
转化变质等作用而产生的应力。

尽管地应力的组成比较复杂，但大都以岩体自重应力、地质构造应力或残余构造应力为主，本文只介绍重力引起的地应力。

研究及实践已经证明，在未受构造运动影响的地区，处于某一深度的岩层中，覆盖岩层重量所引起的垂直压应力为
σ（y）=γh
式中σ（y）——作用于该点的垂直压应力，pa；
h——该点距地表深度，m；
γ——覆盖岩层的平均重力密度，kn/m.。

假设该岩层是基本均质的弹性体，其弹性模量用e来表示，则即
σ（x）- μ[σ（y） + σ（z） ]= 0
由此可得该点在垂直压力的作用下产生水平的压应力为
式中μ——岩石的泊松比（横向变形系数）；
λ——测压系数。

显然，μ值越大，该岩石的垂直压力作用下产生的水平压力（侧向压力）也愈大。

在一般采深条件下井下常见岩石的泊松比：
岩石在高压下进入塑性状态或遭到破坏后，其μ值将明显增大，并迅速向λ=1的静水压力状态转化。

现场实践证明，处于浅部μ值很小的高强度岩层（例如砂岩）
在埋藏深度超过1500m的条件下，其μ值就接近0.5，即λ值将趋近于1。

由此可见：当采深深度超过一定的值时，不仅垂直应力增加，水平压力（侧压力）随也随开采深度的增加而增加，并且往往呈非线性增加。

地应力增大，对煤与瓦斯突出、巷道围岩变形、地下水的活动等产生巨大的影响。

因此，地应力增大是煤矿深部开采的一大难题。

（2）煤与瓦斯突出
煤与瓦斯突出是指煤矿采掘过程中煤与瓦斯在一定条件下的突然喷出，即从煤层深部排出大量的煤和瓦斯，并伴有强烈的声响[1]。

这种喷出在较短的时间内（数十秒至数分钟）会产生很大的冲击力，破坏工作面煤壁。

突出机理
前苏联学者霍多特提出“能量假说”，认为突出是煤体的变形潜能w与瓦斯热力学能q突然释放所引起的工作面附近媒体的高速破碎。

氏平通过实验发现瓦斯压力梯度是导致煤体拉应变增高从而破坏的直接原因，采用有限元方法分析了突出暴露面附近的有效应力场，证明瓦斯压力梯度增大可引起有效拉应力增加[2]。

而拉应力增加将导致煤体或岩体破坏，从而有机会形成煤与瓦斯突出。

地应力是煤与瓦斯突出的动力来源，地应力对煤与瓦斯突出有以下作用：
①围岩或煤体的弹性变形潜能做功。

②地应力控制瓦斯压力场，促进瓦斯在破坏煤体中的作用。

③围岩中应力增加决定了煤层的低透气性，造成了瓦斯压力梯度增高，煤体一旦破坏就会形成对煤与瓦斯突出有力的条件。

我国发生的煤与瓦斯突出事故无论是从数量上还是从规模上均居世界首位，是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家，仅2002年至2003年全国煤矿就发生一次死亡3人以上的重大突出事故29起，死亡人数达213人。

煤与瓦斯突出是煤矿最为严重的自然灾害之一[3]。

近年来，随着开采深度的增加、开采条件的的日趋复杂和生产机械化程度的提高，煤与瓦斯突出发生的强度及造成的人员伤亡呈增长趋势[4]。

因此，解决瓦斯突出问题是煤矿深部开采所面临的一个重大问题。

2.2巷道围岩变形
根据弹塑性极限平衡理论，可以求出静水压力状态下，圆形巷道塑性区半径，周边围岩塑性位移量。

式中 r——塑性区半径
a——圆形巷道半径
h——巷道埋深
c——围岩内聚力
φ——内摩擦角
g——围岩剪切弹性模量
u——围岩塑性位移量
pi——径向支护阻力
由上式可知：静压巷道围岩稳定性和周边位移主要取决于巷道埋深、围岩性质（c·ctgφ）、巷道径向支护阻力、巷道半径。

在支护一定的条件下，随着采深的增加，原岩应力升高，同一岩性的巷道围岩塑性区半径增大，周边围岩位移增加——即：随着开采深度增大，地应力显著增大，在前部相对较硬的围岩，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[5]，巷道岩体强度降低，巷道与支护体破坏严重，巷道掘进与支护困难。

这样，不仅支护费用高，而且巷道变形速度快会引起通风、行人不畅，支架易损坏等问题。

因此，埋深引起的巷道围岩变形是煤矿开采的一个难题。

2.3煤的自燃
煤炭自燃的条件
①有自燃倾向的煤被开采后成破碎状态，堆及厚度一般要大于
0.4m。

②有较好的蓄热条件。

③有较好的通风供氧。

④以上三个条件共同存在的时间大于煤炭的自燃发火期。

实验表明，随着采深的增加，地温升高，地温越高，煤层原始
温度越高，导致围岩层温度越高，改善了自然的蓄热条件，导致煤体与环境风流温差较大，增加了漏风供氧动力——热风压，导致煤体自身耗氧速度和氧化放热强度即煤体氧化放热性能增强，最终导致煤体自然危险性增大[6]。

我国是个发生煤矿火灾事故比较多的国家，比如兴隆庄、九龙山、下石节、宏远、苏邦等煤矿都发生过火灾事故。

到了深部以后，如果不采取有效的措施，火灾事故还会加剧。

因此，深部开采火灾是一个需要解决的问题。

2.4冲击地压
冲击地压，也称岩爆。

它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。

岩爆-产生的条件
①近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；
②围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；
③埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；
④地下水较少，岩体干燥；
⑤开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。

经验公式：σ1/σc>0.165～0.35（或σc/σ1>6.06～2.86）的脆性岩体最易发生岩爆。

可见开采深度增大，将导致围岩应力集中，易产生岩爆。

2011年11月3日19时45分，义马煤业集团公司千秋煤矿发生冲击地压事故，造成4名矿工遇难；3013年3月15日5时20分，黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司峻德煤矿综采一队工作面发生了冲击地压
事故，造成3人死亡。

冲击地压还可能与突水、美誉瓦斯突出一起发生，所以深部开采煤炭，解决冲击地压问题也是关键。

2.5水害和高温高热
（1）水害
矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾。

矿井水灾（通常称为透水），是煤矿常见的主要灾害之一。

一旦发生透水，不但影响矿井正常生产，而且有时还会造成人员伤亡，淹没矿井和采区，危害十分严重。

2005年全国煤矿一次死亡三人以上的事故中，水害事故为46起，占事故总数的17.2%；一次死亡10人以上的事故中，水害事故为13起，占事故总数的22.4%。

随着我国煤炭产量的不断增加，开采深度的不断加大，一些特殊条件下的开采活动增多，煤矿突水事故、特别是重大突水事故有明显增加趋势。

据不完全统计，在过去的20年里，有250多个矿井被水淹没，死亡1700多人，经济损失高达350多亿人民币。

1984年，开滦范各庄煤矿发
生特大突水事故，最大涌水量高达2053m/min，为有记载的世界采矿史上突水水量之最，造成经济损失近5亿元，损失煤炭产量近8.5mt。

因此，突水事故也是煤矿要解决的问题。

（2）高温高热
有数据表明，矿井开采最深的是南非金矿，开采深度超过3000m，最深达3892m，原岩应力温度达36～58℃，最高的普列登斯汀原岩温度达63℃。

德国煤矿是世界煤矿业开采最深的，1993年平均采深930m，最深的依本比伦矿采深已达1530m，矿井岩温平均43℃，最高达60℃。

俄罗斯的煤矿平均采深为650m，许多矿井采深已达1200～1400m，岩温45～50℃，最高的52℃。

比利时有五对高温矿井平均采深达1400m，平均原岩温度达51℃。

在亚洲，以日本、中国和印度的矿井高温比较突出，日本的赤平煤矿采深350～693m，原岩温度35～52℃。

印度的两个高温矿井平均采深2500～3000m，原岩温度57～66℃。

我国已有140于对矿井出现了不同程度的高温问题，其中采掘采掘工作面温度超过30℃的矿井已达60余对。

由此可见，采深越大地温一定增高。

随着开采深度的增加，高温矿井还会继续增加。

而采掘工作面温度高于26℃是不适合人正常工作的，高温不仅使劳动效率降低，还会促使围岩性质改变等。

因此，深井高温热害已经成为制约矿井安全开采的重大问题之一。

三、深部开采主要面临的问题的解决措施
3.1 解决围岩变形问题
（1）合理的选择巷道的位置和掘进时间
进入深部开采后，再采用留煤柱的方法进行维护巷道需要的煤柱宽度越来越大，不仅巷道维护困难、维护费用高，较宽的煤柱形成应力集中，使煤柱下方的巷道维护困难，诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害；而且煤炭采出率低[7]。

因此，进入深部开采以后，应尽量采用沿空掘巷、沿空护巷、沿空送巷。

合理的选择巷道的位置和时间，对于维护巷道维护有重要的意义。

就目前研究情况而看，巷道应选择在应力降低区，时间应在基本顶触矸以后沿空留巷或沿空掘巷或沿空送巷。

（2）合理的选择巷道断面形状
一般情况，作用在巷道上的地压大小和方向，是选择巷道断面形状的主要考虑因素。

当顶板和侧压均不大时，可采用矩形或梯形截面；当顶压较大、侧压较小时，则应选择直墙拱形断面（半圆拱形、圆弧拱形或三心拱形）；当顶压、侧压都很大，同时底鼓严重时，就需选用诸如马蹄形、椭圆形或圆形等封闭式断面[8]。

深部开采顶压、侧压都很大，应该根据实际情况合理的选择封闭式断面。

（3）采用合理的支护形式并对支护效果进行监测
深部开采，由于地应力大，围岩支护强度要求高，因此，要采用联合支护如：锚喷支护、锚网支护、锚杆桁架支护、预应力锚索支护、锚注支护等。

支护后要对支护过进行监测如岩体深部位移监测、围岩松动圈监测、顶板离层监测等等。

3.2解决煤与瓦斯突出问题
根据《防治煤与瓦斯突出细则》，采用“四位一体”的综合性防突措施，包括：突出危险性预测、防治突出措施、防突措施的效果检验和安全保护措施。

（1）开采保护层
开采保护层可以：减小地压，使其弹性潜能得以释放；煤层膨胀变形，形成裂隙与孔隙，透气系数增加；瓦斯涌出后，煤的强度增加。

（2）预抽采煤层瓦斯
通过一定时间的预先抽采瓦斯，降低突出危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，由此可以引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度增加等效应，使被抽采瓦斯的煤层丧失或减弱突出危险性。

（3）其他方法如：松动爆破、水利冲孔、金属骨架、超前钻孔、超前支架、卸压槽以及震动爆破等。

（4）利用威震仪进行预测。

3.3解决煤的自燃问题
（1）加快工作面的推进速度
按照漏风大小和遗煤发生自燃的可能性采空区可分为三带：散热带（宽度设为k）、自燃带（宽度设为l）和窒息带。

设自燃带的最大宽度为k+l，工作面推进速度为v，自燃发火期
为t，当t<=（k+l）/v时，说明有自燃危险，加快推进速度可以解决这一问题。

（2）减少漏风，可以减少供氧。

（3）合理的对煤体进行冷却，减小其热度。

（4）利用传感器监测煤的温度，以便于及时了解煤体的蓄热情况。

3.4解决冲击地压、高温高热问题
（1）一般来说，在较深的地层中，且岩体比较坚硬完整时，如花岗岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、石灰岩、硬煤等，容易发生岩爆。

据统计，大多数岩爆发生在工作面附近。

因此，可以打一定的超前钻孔，使洞壁围岩应力部分释放，避免岩爆发生。

（2）合理的的通风可以解决井下高温热害，也可以往井下输送冰块制冷。

另外，可以研发高新技术，例如利用瓦斯发热余热进行制冷，解决高温环境问题，或者把井下高温热通过某些方式输送到地面进行高效利用等。

3.5解决水害问题
井下水害主要包括煤层顶板水害、底板水害及老空区水害。

井下水害来势凶猛，俗有“水老虎”之称。

矿井可采用查、探、放、排、堵、截等6个方面的防水措施。

（1）查明矿井水源及矿区地下水化学成分，利用钻孔电磁波透视法探查岩溶积水
（2）对含水断层或可能有水的煤岩层进行探水
（3）疏放老空水、含水层的水
（4）留设煤柱截水
（5）注浆堵水等
（6）由于地下水是宝贵的资源，如果水质好，可以采取有效的技术措施，输送到地面加以利用。

3.6解决工人工作环境问题
由于深部煤层薄，大部分在1.5m左右，对于大部分工人来说，这种高度不适合工作。

要解决这个问题，需要合理设计巷道高度，或者设计合理的工具或者服装设备，使工人可以不必站着工作。

四、结论
煤矿深部开采面临的一系列问题都比浅部难解决，我国煤矿开采在从浅部向深部开采的过程中，应该积极的研发新技术，寻找合理的煤矿开采方法，对现有的煤炭资源进行合理的开采。

只有加强技术研发或技术改造力度才能解决深部矿井开采成本高、巷道维护难、水火瓦斯灾害难处理等问题。

【参考文献】
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