煤礦深部開采主要問題與應(yīng)對措施

文/黃學(xué)超，淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集東煤礦

1 引言

2 深部開采的定義

根據(jù)本國國情,一些采煤國家的學(xué)者對深井的界定提出的一些見解和論述。前蘇聯(lián)部分學(xué)者將采深超過600m的礦井歸于深井,而另部分學(xué)者則定為采深800m。原西德學(xué)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(diǎn)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(yīng)力

3.1.1 原巖應(yīng)力大。原巖應(yīng)力包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及賦存在巖體中的水和瓦斯對巖體的壓力等。自重應(yīng)力隨埋深的增加而增大。構(gòu)造應(yīng)力實(shí)際上是構(gòu)造殘余應(yīng)力,當(dāng)開采深度大時(shí),構(gòu)造應(yīng)力由于釋放困難,殘余構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力大。

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

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

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(qiáng)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(xué)性質(zhì)和所受地壓；地質(zhì)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(huán)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(shí)甚至?xí)h(yuǎn)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(chǎn)費(fèi)用增加,經(jīng)濟(jì)效益下降

隨著采深的增加,勘探強(qiáng)度加大,地壓、地溫升高,沖擊地壓及煤與瓦斯突出危險(xiǎn)增大,相應(yīng)的要采取一系列措施,如增加設(shè)備,加強(qiáng)支護(hù)等。同時(shí),井下需要維修的巷道長度增加,到工作地點(diǎn)的距離和時(shí)間增加,提升高度大、時(shí)間長,主副井提升系統(tǒng)、排水系統(tǒng)環(huán)節(jié)增多,通風(fēng)系統(tǒng)趨于復(fù)雜。這些都導(dǎo)致煤炭生產(chǎn)成本增加,經(jīng)濟(jì)效益迅速下降。

4.2 礦壓顯現(xiàn)加劇,巷道維護(hù)困難

隨著礦井開采向深部發(fā)展,礦井逐漸出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,巷道維護(hù)困難,地溫升高和勘探困難,開采條件惡化,生產(chǎn)技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益下降等問題。一方面,巷道斷面必需加大,據(jù)統(tǒng)計(jì),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(yīng)力作用下,圍巖移動更劇烈,巷道產(chǎn)生變形破壞更嚴(yán)重。在超過700m的深井中,巷道礦壓問題普遍嚴(yán)重,底臌成為常見的地壓現(xiàn)象,特別在采準(zhǔn)巷道中尤其嚴(yán)重。失修和嚴(yán)重失修巷道比例增加,井深1000m時(shí)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(yán)重失修率達(dá)20%以上。且常常出現(xiàn)前掘后修、重復(fù)反修的現(xiàn)象。深井巷道維護(hù)問題已成為整個(gè)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)。

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(jìn)頭溫高達(dá)50℃,部分高達(dá)60℃。礦井氣溫過高嚴(yán)重影響人體健康,引發(fā)各種疾病,造成事故率上升,勞動生產(chǎn)率下降,甚至被迫停產(chǎn)。

我國深井熱害問題相當(dāng)嚴(yán)重,而我國熱害的治理工作由于缺乏技術(shù)、資金等問題,大部分礦井熱害治理僅靠通風(fēng)降溫、灑水降溫,部分礦井采用機(jī)械制冷降溫方法。總的現(xiàn)狀是技術(shù)落后、效果較差,應(yīng)引起有關(guān)方面的高度重視。

4.4 瓦斯壓力增高,煤與瓦斯突出危險(xiǎn)嚴(yán)重

我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴(yán)重的國家之一,從國內(nèi)外開采實(shí)踐看,礦井深部開采時(shí)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(yīng)對措施

5.1 加強(qiáng)深部地質(zhì)工作。充分了解復(fù)雜多變的煤巖體特征、瓦斯、水等災(zāi)害分布，斷層的空間紿構(gòu)、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)及與井巷工程之間的相互關(guān)系，從而為采取有效方案或技術(shù)途徑提供基礎(chǔ)條件。

5.2 改進(jìn)圍巖控制技術(shù)，限制圍巖變形破壞。圍巖支護(hù)方式分為被動支護(hù)和主動支護(hù)，被動支護(hù)是限制圍巖的變形破壞和防護(hù)控制已經(jīng)松動破壞的巖石，主動支護(hù)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(jìn)幾小時(shí)后就有可能發(fā)展成為碎裂體或松散體，支護(hù)對象是破裂后的剪脹變形圍巖。因此，深部地區(qū)采用錨網(wǎng)索主動支護(hù)方式，提高錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和改善圍巖特性，可能取得較好的支護(hù)效果，地質(zhì)不良地段復(fù)合支護(hù)效果可能會更好，應(yīng)因地制宜。

5.3 對于深部開采的動力現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)一步研究其發(fā)生的條件、特點(diǎn)和規(guī)律，建立符合深部開采實(shí)際的預(yù)測預(yù)報(bào)理論以及防治措施。

6 結(jié)束語

煤礦深部開采面臨的一系列問題將是我國當(dāng)前和今后煤礦安全生產(chǎn)中的重大問題，必須未雨綢繆，加大科技創(chuàng)新的力度．以期解決關(guān)鍵技術(shù)難題，采用先進(jìn)的技術(shù)裝備，降低和防范深部開采帶來的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)深部煤礦安全，高效、低成本開采。