深部復雜條件開采技術探索

摘 要：煤炭生產已經經歷了多年，特別是近年來開采量迅速增加，大型礦井不斷投產，這勢必造成煤炭開采深度會不斷增加。隨著我國經濟快速發展對能源需求量也不斷加大，礦井延深速度快，不少煤礦已經進入深部開采。所以，深部復雜條件的開采技術是煤炭行業亟待研究解決的難題。

關鍵詞：煤炭生產；深部開發；問題

1 深部開采面臨的困難

1.1 礦壓顯現明顯，巷道維護量劇增

由于采深的增加受自然重力的原因，礦壓必然增大，礦壓顯現要遠比淺部開采明顯，所以深部巷道維護量增大。在深部底臌、巷幫變形、支護的錨桿崩斷、鋼梁彎曲或折斷都成為常見的地壓現象。這就必然需要投入大量的精力對巷道進行維護。

1.2 煤巖破壞過程強化，沖擊地壓危險性增加

隨著開采深度的增加，煤巖體應力升高，沖擊地壓發生的頻率、強度和破壞程度都會顯著增加。

1.3 瓦斯壓力增高，突出的可能性增加

在深部的煤層中，瓦斯賦存的條件會比較好，會更容易造成瓦斯含量及瓦斯壓力增加，并增加瓦斯突出的可能性。

1.4 地熱增加，氣候條件惡化

普遍來說隨著深度的增加，溫度將不斷升高。使得工人的工作環境惡化同時也對機械設備造成較大的影響。

1.5 水文地質條件復雜，圍巖軟化

隨著深度的增加礦井勢必要穿過更多的含水層，其中個別地區可能會遇到富水層。另外，隨著開采深度的增加礦井會接近奧灰水，奧灰水的水量、壓力對礦井可能造成嚴重影響。所以如何解決水的問題也至關重要。同時隨著圍巖含水的增加，巖石也將被軟化對巷道支護等造成一定的影響，可能影響支護效果。

1.6 生產成本升高，經濟效益下降

在開采深部的煤炭資源時，要實現安全順利生產就必須要解決上述面臨的困難，通常采取一系列措施，這些都會導致生產成本升高，經濟效益下降。

2 礦壓顯現的特點

在深部進行煤炭開采，面臨的最主要的影響就是礦山壓力。在高應力作用下，圍巖移動更為劇烈，巷道產生的變形和破壞也更為嚴重。巷道變形速度快、變形量大、影響范圍廣。巷道在從使用期間維護困難發展到掘進期間維護困難，巷道掘好后不久將失穩，巷道穩定性隨深度增加逐漸惡化，使深部巷道的維護費用劇增。

2.1 變形量大

深井巷道礦壓顯現的顯著特點就是巷道在掘進期間就產生大的變形量。

經過調查，隨開采深度的加大，巷道變形量呈近似線性關系增大，從600米開始，開采深度每增加100米，巷道頂底板相對移近量平均增加10%以上。如果支護參數選擇的不合理，巷道變形、破壞程度將會更加嚴重。

2.2 變形速度快

深井巷道礦壓顯現的另一個顯著特點是，巷道剛掘出時的變形速度很快。這也增加了巷道維護的難度和維護工作量。

2.3 巷道底臌量大

底臌量大是深井巷道礦壓顯現的又一個顯著特點。底臌量與開采深度有很大關系，隨開采深度的增加，發生底臌的巷道比重也會越來越大，同樣底臌量也會隨著開采深度的增加而增大。

2.4 導致沖擊地壓發生

通過調查了解，煤礦沖擊地壓的發生、發生的頻率和沖擊強度與開采深度有密切的關系。隨開采深度增加，煤、巖體因變形而積聚的能量呈二次方關系增加。因此，在深部開采條件下，煤、巖體中積聚了巨大的能量，當采礦活動引起的能量釋放速度大于煤、巖體破壞消耗的能量速度時，導致沖擊地壓的發生。而發生沖擊的概率明顯比淺部要大得多。

3 支護技術探討

3.1 礦井開拓布局

礦井的生產開拓布局對以后的生產是否順利、效率高低、巷道維修工作量及安全管理都關系很大。所以如何最優的進行開拓布局是非常關鍵的。通過了解分析，可采取的措施主要有：

3.1.1 主副井的井筒支護方式一定要恰當。

3.1.2 大巷及井底車場的層位選擇和支護強度要恰當。

3.1.3 要合理安排工作面的接續及沿空掘巷煤柱尺寸。

3.1.4 選擇好軌道、皮帶、回風三條大巷的位置關系。

3.2 巷道支護形式

對于解決巷道大變形的辦法一般有兩種：一是預留變形，大斷面巷道，二是抵抗變形，小斷面高強剛性支護巷道。

3.2.1 預留變形，大斷面巷道

據了解有一些礦井是采取了大斷面預留變形的形式來應對巷道的大變形。當巷道圍巖移近量非常大，特別是工作面兩順槽在回采期間需進行多次臥底，于是采用了預留變形、大斷面巷道的設計思路。巷道高度達4.2-4.6米，巷道寬度達4.8-5.0米或者更大，并預留部分底煤以便進行臥底工作。

巷道支護形式多為錨網（索）支護，通過加強支護強度和支護范圍來盡量控制巷道的變形。但由于深部礦壓非常大，巷道變形難以抵抗，故采用大斷面巷道只是在巷道變形至影響使用前將工作面推出，如工作面推進較慢或巷道變形量太快、太大仍需對巷道進行處理修護。

在巷道初期的支護強度非常關鍵。所以要盡量加大巷道掘進期間的支護強度。在支護參數上可采用高強錨桿（索），恒阻大變形錨桿及錨網索-桁架耦合技術等。

3.2.2 抵抗變形，小斷面巷道

通過調研，有一些礦井的巷道支護形式則是采用小斷面抵抗變形的形式。他們采用的巷道支護方式一般為：雙層錨網噴梁反底拱支護，噴厚130-150mm；U型鋼棚、直墻半圓拱斷面噴漿灌注，灌注厚度300mm和砌碹支護方式。巷道斷面多為3.8*3.5米的半圓拱巷道。

這幾種支護方式支護強度較大或者說被動支護的強度較大。但主動支護強度不是太大。這和其礦區的地質條件有很大關系。

采用這種支護方式能抵抗一定的巷道變形，但仍不能完全保證巷道無變形且采取此支護方式巷道修護比較困難，增加了巷修的難度。

無論采取何種支護方式，都要根據各礦井的實際地質條件進行選擇，要結合安全、生產、材料、工作習慣以及礦井的提升、運輸系統等進行全面分析考慮。

3.3 回采工作面管理

3.3.1 工作面的特點

隨著埋藏深度的增加，頂板巖層有逐漸變碎和強度降低的趨勢；同時工作面遇到的斷層、裂隙、層理和節理逐漸發育，同一層位的巖層分層厚度逐漸變薄，弱面增多，采場頂板懸頂長度逐漸減小，由不容易垮落變得容易垮落；在頂板巖層變碎和強度有所降低的情況下，深部的采煤工作面出現漏、冒頂事故的可能性加大。

3.3.2 工作面頂板控制

（1）對工作面前方已產生裂隙的煤、巖體（特別是工作面的兩個出口處），可采取超前注漿的辦法，使煤巖體固化，提高其自身強度，保證它的穩定性；（2）盡量縮小端面空頂距，減小無支護面積；（3）提高前梁支撐力，并及時進行移架，減小新暴露頂板的無支護時間；（4）從設計上要盡量避免應力重合或人為的造成應力集中；（5）合理安排工作面接續，優化采掘作業的時間和空間，避免在不穩定區域進行采掘作業；（6）做好礦壓觀測工作，掌握初次垮落、初次來壓、周期來壓步距、超前支承壓力的影響范圍、支柱載荷及巷道圍巖變形規律；（7）加強現場職工的合理操作，避免由于煤機司機和支架工配合不好或支架工自身操作造成頂板事故；（8）要根據現場情況及時采取可靠地措施，如上網、上木料、鋼梁等避免事故擴大。

3.3.3 工作面兩道超前支護

通常工作面兩道超前支護的方式有：使用單體液壓支柱托鉸接梁（十字鉸接梁等）支護巷道，使用超前液壓支架進行超前支護，再就是兩者混合使用的方式。超前支護的范圍要根據平時觀測的巷道變形情況而定，必要時打設密集支柱進行加強支護。應該說使用單體和超前支架兩種方式各有優缺點，各礦還要根據各礦井自身條件進行科學合理的使用。

作者簡介：李哲（1980，2-），男，畢業于河北建筑科技學院，采礦工程專業，工程師，工作在大屯煤電公司生產技術部。