煤礦深部開采主要問題與應對措施

文/黃學超，淮南礦業集團朱集東煤礦

1 引言

2 深部開采的定義

根據本國國情,一些采煤國家的學者對深井的界定提出的一些見解和論述。前蘇聯部分學者將采深超過600m的礦井歸于深井,而另部分學者則定為采深800m。原西德學者把采深800-1200m定為深部開采,把1200m以下稱為超深開采。英國與波蘭把煤礦深部開采的起點定為750m,日本定為600m。

3 煤礦深礦井開采的主要特征

3.1 高應力

3.1.1 原巖應力大。原巖應力包括自重應力、構造應力以及賦存在巖體中的水和瓦斯對巖體的壓力等。自重應力隨埋深的增加而增大。構造應力實際上是構造殘余應力,當開采深度大時,構造應力由于釋放困難,殘余構造應力大。地下水和瓦斯賦存在巖體中,其賦存量和壓力一般隨賦存深度增大而增大。因而,在深礦井開采中原巖應力大。

3.1.2 巖體塑性大。巖石的變形特性與受力狀態有關:當側壓由零(單向受力)逐漸增加時,巖石的塑性會逐漸增加。側向應力的增加使巖體的塑性增大。當開采到一定深度時,巖體進入完全塑性狀態,此時,原巖應力為三向等壓,即所謂的靜水壓力狀態。

3.1.3 礦山壓力顯現劇烈。礦壓顯現劇烈是深井開采中原巖應力大和巖體塑性大的主要表現。

3.2 高瓦斯

3.2.1 礦井瓦斯(絕對)涌出量大。礦井瓦斯(絕對)涌出量隨采深增加而增大。其原因是:①一般情況下,煤層埋藏深,煤層瓦斯含量大，這主要由瓦斯的賦存條件決定；②煤炭開采強度隨采深增加而增大，礦井開采深度增加,開采難度增大。

3.2.2 瓦斯突出(煤與瓦斯突出)頻度大,突出物量大。影響瓦斯突出的因素有:瓦斯賦存量和壓力；煤(巖)的物理力學性質和所受地壓；地質條件等。這些因素隨采深增加而增大。故一般情況下瓦斯突出的頻度和突出物量也隨采深增加而增大。

3.3 高地溫

地溫是指井下巖層的溫度。一般情況下,地溫隨深度增加而呈線性增加。地溫決定著井下采掘工作面的環境溫度,即礦井溫度。在深礦井開采中,礦井溫度一般都較高,會影響人體健康,有時甚至會遠高于人體所能承受的最高溫度。

4 深部開采存在的主要問題

4.1 生產費用增加,經濟效益下降

隨著采深的增加,勘探強度加大,地壓、地溫升高,沖擊地壓及煤與瓦斯突出危險增大,相應的要采取一系列措施,如增加設備,加強支護等。同時,井下需要維修的巷道長度增加,到工作地點的距離和時間增加,提升高度大、時間長,主副井提升系統、排水系統環節增多,通風系統趨于復雜。這些都導致煤炭生產成本增加,經濟效益迅速下降。

4.2 礦壓顯現加劇,巷道維護困難

隨著礦井開采向深部發展,礦井逐漸出現礦壓顯現強烈,巷道維護困難,地溫升高和勘探困難,開采條件惡化,生產技術效果和經濟效益下降等問題。一方面,巷道斷面必需加大,據統計,近10年間采深平均增加100m,巖石巷道斷面平均增加8.1%,煤、半煤巖巷平均增加32%；另方面,地壓增大,在深部高應力作用下,圍巖移動更劇烈,巷道產生變形破壞更嚴重。在超過700m的深井中,巷道礦壓問題普遍嚴重,底臌成為常見的地壓現象,特別在采準巷道中尤其嚴重。失修和嚴重失修巷道比例增加,井深1000m時巷道失修率約是同條件下500-600 m埋深巷道的3-15倍,部分礦井巷道失修和嚴重失修率達20%以上。且常常出現前掘后修、重復反修的現象。深井巷道維護問題已成為整個礦井生產系統中的最薄弱環節。

4.3 熱害問題增加,氣候條件惡化

隨著礦井向深部開采,許多國家都遇到了不同程度的熱害問題。德國、俄羅斯掘進頭溫高達50℃,部分高達60℃。礦井氣溫過高嚴重影響人體健康,引發各種疾病,造成事故率上升,勞動生產率下降,甚至被迫停產。

我國深井熱害問題相當嚴重,而我國熱害的治理工作由于缺乏技術、資金等問題,大部分礦井熱害治理僅靠通風降溫、灑水降溫,部分礦井采用機械制冷降溫方法。總的現狀是技術落后、效果較差,應引起有關方面的高度重視。

4.4 瓦斯壓力增高,煤與瓦斯突出危險嚴重

我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家之一,從國內外開采實踐看,礦井深部開采時瓦斯涌出量一般較大,煤與瓦斯突出的問題已成為深部開采中不容忽視的重要問題。我國煤與瓦斯突出均有隨采深增加而瓦斯壓力增高,瓦斯涌出量增大的趨勢。

5 應對措施

5.1 加強深部地質工作。充分了解復雜多變的煤巖體特征、瓦斯、水等災害分布，斷層的空間紿構、圍巖穩定狀態及與井巷工程之間的相互關系，從而為采取有效方案或技術途徑提供基礎條件。

5.2 改進圍巖控制技術，限制圍巖變形破壞。圍巖支護方式分為被動支護和主動支護，被動支護是限制圍巖的變形破壞和防護控制已經松動破壞的巖石，主動支護是以加固圍巖為目的，利用圍巖的自撐能力控制圍巖變形破壞。深部圍巖在掘進幾小時后就有可能發展成為碎裂體或松散體，支護對象是破裂后的剪脹變形圍巖。因此，深部地區采用錨網索主動支護方式，提高錨網索支護系統的強度和改善圍巖特性，可能取得較好的支護效果，地質不良地段復合支護效果可能會更好，應因地制宜。

5.3 對于深部開采的動力現象，應進一步研究其發生的條件、特點和規律，建立符合深部開采實際的預測預報理論以及防治措施。

6 結束語

煤礦深部開采面臨的一系列問題將是我國當前和今后煤礦安全生產中的重大問題，必須未雨綢繆，加大科技創新的力度．以期解決關鍵技術難題，采用先進的技術裝備，降低和防范深部開采帶來的風險，實現深部煤礦安全，高效、低成本開采。