淺析煤礦深部開采技術問題與創新

馮振明

（中國平煤神馬集團十一礦，河南 平頂山 467000）

礦井開采深度是反映礦井開采難易程度的綜合性指標。近幾年來,隨著我國經濟持續高速穩定發展,能源需求旺盛,煤炭產量大幅度增加,2001年我國煤炭產量為10.98億噸,2003年達到16億噸,2004年達到19億噸,2005年接近22億噸。這使得礦井開采延伸速度加快,采深進一步加大,一些中老礦井及深部礦井,已經進入深部開采階段,東北及中東部地區的多數礦區開采歷史長,開采深度大,如平煤集團十二礦深部已經達到1150m。與淺部開采相比,深部開采不僅大大地提高采礦成本,而且隨著深度的增加,采礦環境也將發生不利的變化,給煤礦生產與安全帶來了極大的問題。

礦壓大、溫度高,潛伏著難以預料的地質災害,如突水、巖爆、沖擊地壓等。然而用淺部開采條件下的地質等特征和規律來分析處理深部問題,無疑遠遠不夠,并且蘊含著極大的風險。因此,對深部開采條件下面臨的問題進行系統的研究,為深部煤炭安全、經濟、高效開采提供科學的技術途徑具有重要意義。

一、深部開采面臨的主要技術問題

（一）巷道圍巖變形問題

隨開采深度增大,地應力顯著增大,巷道周圍應力增高,在淺部相對較硬的圍巖,到達深部后成為“工程軟巖”,表現出強烈的擴容性和應變軟化特征[1],巷道巖體強度降低,巷道與支護體破壞嚴重,特別是不良巖層巷道掘進與支護困難。據部分統計,深部巷道實際返修比例高達90%以上。這不僅使巷道維護費用大大增加,而且導致了礦井生產系統不暢,運輸能力不足,風、水、電系統脆弱等一系列問題,是礦井安全生產的重大隱患。

（二）礦井煤與瓦斯突出和沖擊地壓問題

隨礦井開采深度增加,煤層瓦斯壓力增加,不少原來淺部為非突出的礦井(煤層),轉化為突出礦井,突出強度和頻度隨深度增加明顯增大。我國煤礦開采條件復雜,所有礦井均為瓦斯礦井,在中東部地區,一半以上礦井為高瓦斯、突出礦井,瓦斯問題已成為安全生產的首要問題。

（三）礦井水災問題

地下水在滲流場中,常規條件下,裂隙巖體水的滲流符合達西定理,但是,在礦井深部的巖體,由于高應力和高地溫的作用,其特征發生明顯變化,高滲透壓力可能產生地質災害。我國煤礦地質條件復雜,特別是水文地質條件復雜,奧灰水壓持續升高,承壓水問題十分嚴重,突水機率也隨之增加。

（四）礦井高溫熱害問題

高溫會使職工注意力不集中,從而嚴重影響了生產效率,并且人身事故率和機電設備事故率大大增高,無法保證采掘工作面安全生產。《煤礦安全規程》明確規定：采掘工作面空氣溫度不得超過26℃,機電硐室的空氣溫度不得超過30℃,當上述兩工作地點的空氣溫度超過30℃和34℃時,必須停止作業。《煤炭資源地質勘探地溫測量若干規定》指出：平均地溫梯度不超過3℃/100m的地區為地溫正常區;超過3℃/100m為高溫異常區。我國不少礦井面臨高溫熱害的嚴重威脅。

二、針對深部開采需要的應對措施

（一）加強深部地質工作,充分了解復雜多變的煤巖體特征、知道瓦斯、水等分布,斷層的空間結構、圍巖穩定的狀態及與井巷工程之間的相互關系,為采取有效方案或技術途徑提供基礎條件。

（二）對深部開采統籌規劃

巷道要布置在穩定的巖層內;巷道方向盡可能與本區最大主應力方向一致,減小其應力對巷道的作用;避免開采引起的支承壓力的強烈作用,將巷道布置在已采的采空區下;采取上部煤層預先開采,跨巷回采等方法,避開上部開采遺留煤柱的影響,且與煤柱邊沿保持一定的距離;避免相鄰巷道之間的相互影響;合理規劃開采順序避免采掘在相鄰的區段內同時進行。研究快速有效的局部高應力卸壓技術,對于防止由于局部應力集中而引起的巷道失穩和動力災害具有實際意義。

（三）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。試驗表明,巖石的峰值強度和殘余強度對圍壓很敏感,較小的圍壓就可以較大地提高圍巖的強度。因此,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。而在地質不良地段復合支護效果可能會更好,宜因地制宜。

（四）加強深井熱害治理技術研究,在進行通風降溫和局部井下制冷技術研究與應用的同時,要開辟新的思路，研究可行的技術途徑,變熱害為地下熱能源利用,變害為利。另外,采用高科技成果,研發經濟高效且環境友好的礦井降溫新技術與新材料,是保障深部采礦順利開展的技術方法。

三、結語

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開發與安全生產中的重大問題。只有未雨綢繆,加大科技創新的力度,用先進的技術裝備,才能防范并降低深部開采帶來的風險,實現深部煤礦安全、高效、低成本的開采。