煤炭開采與巖層控制的時(shí)間尺度分析

紀(jì)寶玉

【摘?要】論述煤炭開采與巖層控制研究中涉及到的不同時(shí)間尺度，從全球最早的成煤地質(zhì)年代到超動(dòng)態(tài)的亞微秒級(jí)。包括不同成煤期，世界煤炭開采歷史，礦區(qū)、礦井的服務(wù)年限及開采參數(shù)，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)煤巖力學(xué)試驗(yàn)，煤巖破碎，圍巖變形與破壞及煤礦動(dòng)力災(zāi)害的時(shí)間尺度分布。指出煤炭開采與巖層控制研究的時(shí)間尺度集中分布在10-7～1016s，跨23個(gè)數(shù)量級(jí)。煤巖破碎、采掘空間維護(hù)是煤炭開采與巖層控制的兩大任務(wù)，前者涉及鑿巖、爆破、機(jī)械截割振動(dòng)等動(dòng)態(tài)問題，研究時(shí)間單位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采場(chǎng)與巷道圍巖控制。采場(chǎng)是 移動(dòng)場(chǎng)所，圍巖變形、破壞、垮落及支架阻力變化較快，常以分、小時(shí)為時(shí)間單位;巷道服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，圍巖變形與破壞的時(shí)效性較強(qiáng)，描述巷道變形與支護(hù)體受力變化的時(shí)間單位多為天、周及月。沖擊地壓等煤礦動(dòng)力災(zāi)害持續(xù)時(shí)間僅為幾秒到幾十秒，研究沖擊地壓發(fā)生、發(fā)展及破壞過程，煤炭開采實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)革命。但大規(guī)模煤炭開采也帶來(lái)一系列問題，如何繼續(xù)做好煤炭開采與巖層控制工作，需要新思路、新工藝、新技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】煤炭開采;巖層控制;時(shí)間尺度;靜態(tài);動(dòng)態(tài);圍巖變形;時(shí)效性

本文以時(shí)間為主線，介紹國(guó)內(nèi)外煤炭開發(fā)歷史，煤炭開采與巖層控制在不同時(shí)間尺度的主要研究?jī)?nèi)容，煤炭開采參數(shù)的時(shí)間尺度，煤巖力學(xué)試驗(yàn)時(shí)間尺度，及煤巖破碎、變形與破壞的時(shí)間尺度，以期對(duì)煤炭開采與巖層控制技術(shù)研究在時(shí)間上有一總體了解。

1. 成煤年代與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

成煤年代與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度煤是埋藏在地下的古代植物，經(jīng)過漫長(zhǎng)、極其復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化形成的固體可燃性有機(jī)巖。煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構(gòu)造密切相關(guān)。煤炭在整個(gè)地質(zhì)年代中，主要有三大成煤期。古生代的石炭紀(jì)是第1個(gè)重要的成煤期，與后續(xù)的二疊紀(jì)合并稱為石炭―二疊紀(jì)成煤期，該期的成煤植物主要是蕨類植物，煙煤和無(wú)煙煤為主要煤種;中生代的侏羅紀(jì)為第2個(gè)重要成煤期，接下來(lái)的白堊紀(jì)也有煤炭形成，該期成煤植物主要是裸子植物，主要煤種為褐煤和煙煤;新生代的古近紀(jì)和新近紀(jì)為第3個(gè)重要的成煤期，成煤植物主要是被子植物，煤種以褐煤為主，也存在年輕煙煤。可見，不同成煤期形成的煤種、煤的成分、煤化程度、煤的物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)等均有所不同。當(dāng)成煤環(huán)境溫度、壓力相近的情況下，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，煤化程度越高。成煤期的時(shí)間尺度為1013～1016s。從地質(zhì)年代的尺度，可分析研究時(shí)間對(duì)煤炭形成、演化過程的影響。

2.煤炭開采技術(shù)發(fā)展歷史

井工煤礦開采技術(shù)經(jīng)歷了手工開采、爆破開采、普通機(jī)械化開采到綜合機(jī)械化開采的發(fā)展過程，采煤工藝經(jīng)歷了巷式、柱式到壁式的發(fā)展過程;落煤方式經(jīng)歷了手工刨煤、爆破落煤、機(jī)械割煤、機(jī)械割煤+放頂煤的發(fā)展過程。古代的煤炭開采一般用平硐、斜井或小立井方式，自然通風(fēng)、人工排水，用鎬刨煤，籮筐背煤，采煤 與掘進(jìn)基本沒有區(qū)別，屬于手工開采。隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明及應(yīng)用，使煤炭開采進(jìn)入機(jī)器開采時(shí)代。蒸汽為提升、通風(fēng)及排水提供動(dòng)力，后來(lái)又發(fā)明了蒸汽驅(qū)動(dòng)的圓盤式截煤機(jī)，大幅提升了生產(chǎn)效率。氣動(dòng)沖擊式鑿巖機(jī)、安全炸藥的發(fā)明及在煤礦的應(yīng)用，革新了煤礦開采與掘進(jìn)技術(shù)。世界機(jī)械化采煤始于20世紀(jì)40年代。英國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)相繼研制出采煤機(jī)、刨煤機(jī)，使工作面落煤、裝煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。1954年，綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開采技術(shù)在英國(guó)問世，是世界采煤史上的一次重大技術(shù)革命。隨后德國(guó)、前蘇聯(lián)、波蘭等國(guó)家進(jìn)行了綜采技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用。美國(guó)一直大量采用房柱式開采，在20世紀(jì)50年代從德國(guó)引進(jìn)綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開采技術(shù)，70年代中期又從德國(guó)引進(jìn)掩護(hù)式液壓支架，使得長(zhǎng)壁綜采技術(shù)得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。目前，綜采已成為世界主要產(chǎn)煤國(guó)家的主體采煤技術(shù)。

3. 采場(chǎng)圍巖變形與破壞

采煤工作面是直接開采煤炭的場(chǎng)所，開采順序包括工作面安裝、初采、正常推進(jìn)、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特點(diǎn)是作業(yè)場(chǎng)所不斷移動(dòng)，頂板不斷處于暴露—支護(hù)—垮落的循環(huán)過程，液壓支架對(duì)頂板巖層的作用不斷處于加載與卸載的狀態(tài)。上述特點(diǎn)決定了采場(chǎng)圍巖變形與破壞隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨著工作面從開切眼不斷推進(jìn)，頂板巖層將依次出現(xiàn)直接頂垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，從而引起采場(chǎng)圍巖變形、應(yīng)力與支架阻力的不斷變化，這些變化均與時(shí)間有關(guān)。頂板下沉、圍巖應(yīng)力重新分布、頂板巖層與煤壁破壞及采空區(qū)矸石壓實(shí)均需要一定時(shí)間完成。如初次來(lái)壓的持續(xù)時(shí)間一般為1～3d，周期來(lái)壓持續(xù)時(shí)間一般較短。描述采場(chǎng)圍巖變形的參數(shù)有頂板下沉量、頂板下沉速度（mm/min，mm/h）等。頂板下沉量由落煤、放頂引起的下沉量及兩者間隔期間的下沉量組成，落煤與放頂造成的頂板下沉一般在較短的時(shí)間內(nèi)（1～2h）即可完成。頂板下沉速度從每小時(shí)幾毫米到幾十毫米不等，當(dāng)頂板發(fā)生突然垮落時(shí)，頂板下沉?xí)查g劇烈增加甚至出現(xiàn)壓死支架的現(xiàn)象。

4. 巷道圍巖變形與破壞

與采場(chǎng)相比，巷道開挖空間較小，但維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。維護(hù)時(shí)間最短的是工作面開切眼，從掘進(jìn)到工作面設(shè)備安裝完畢，少則1～2月，多則6個(gè)月。回采 巷道的維護(hù)時(shí)間一般為1～2a，當(dāng)服務(wù)兩個(gè)或多個(gè)工作面時(shí)（沿空留巷、多巷布置的留巷等），維護(hù)時(shí)間要成倍增加。即使對(duì)于同一條巷道，先掘的部分比后掘的部分維護(hù)時(shí)間要長(zhǎng)。如對(duì)于一條2000m的巷道，平均掘進(jìn)速度為300m/月，最先掘進(jìn)地段比最后掘進(jìn)地段的維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)6.7個(gè)月。采區(qū)集中巷的維護(hù)時(shí)間從幾年到十幾年不等，而大巷、主要硐室的維護(hù)時(shí)間多為十幾年到幾十年，有的與礦井服務(wù)年限相當(dāng)。

5. 結(jié)論

（1）煤炭開采與巖層控制研究的時(shí)間尺度集中分布在10-7～1016s之間，跨23個(gè)數(shù)量級(jí)。從地球上最早的成煤期到巖石動(dòng)載試驗(yàn)中的亞微秒量級(jí)。

（2）在地質(zhì)年代的時(shí)間尺度上，可研究煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構(gòu)造的關(guān)系;不同成煤期煤的種類、成分、煤化程度、煤的物理化學(xué)力學(xué)特性;構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤盆地形成與演化、煤層賦存條件與分布、煤巖體應(yīng)力場(chǎng)演化的影響等內(nèi)容。這些煤田地質(zhì)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容對(duì)煤炭開采的地質(zhì)保障具有重要作用。

（3）井工煤礦開采需要根據(jù)煤田分布，劃分成不同礦區(qū)、礦井、水平、采區(qū)、區(qū)段進(jìn)行，不同階段的時(shí)間尺度不同。一個(gè)礦區(qū)的開采年限一般為幾十年到二三百年，而采煤工作面的服務(wù)時(shí)間一般為幾個(gè)月到1～2a。煤炭開采的任何工序均需要一定的時(shí)間完成。煤炭開采涉及的很多參數(shù)與時(shí)間有關(guān)，如產(chǎn)量、進(jìn)尺、速度、能力、流量等，常用的時(shí)間尺度從毫秒到年。

（4）煤巖力學(xué)試驗(yàn)是煤炭開采與巖層控制的重要研究?jī)?nèi)容。按試驗(yàn)時(shí)間可將煤巖力學(xué)試驗(yàn)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，按照應(yīng)變率大小可細(xì)分為蠕變、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及超動(dòng)態(tài)。煤巖蠕變?cè)囼?yàn)加載時(shí)間可從1h到數(shù)月，有的甚至達(dá)幾十年，時(shí)間尺度范圍達(dá)103～109s。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要用于鑿巖、爆破、采掘機(jī)械振動(dòng)、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象的研究。當(dāng)應(yīng)變率達(dá)102s -1量級(jí)時(shí)，巖石的破壞時(shí)間僅為幾十微秒。最快的動(dòng)載加載時(shí)間可達(dá)到微秒、亞微秒量級(jí)。

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（作者單位：黑龍江龍煤礦業(yè)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）