淺析煤礦深部開采技術(shù)問題與創(chuàng)新

馮振明

（中國平煤神馬集團(tuán)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(biāo)。近幾年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速穩(wěn)定發(fā)展,能源需求旺盛,煤炭產(chǎn)量大幅度增加,2001年我國煤炭產(chǎn)量為10.98億噸,2003年達(dá)到16億噸,2004年達(dá)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(jìn)一步加大,一些中老礦井及深部礦井,已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段,東北及中東部地區(qū)的多數(shù)礦區(qū)開采歷史長,開采深度大,如平煤集團(tuán)十二礦深部已經(jīng)達(dá)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(huán)境也將發(fā)生不利的變化,給煤礦生產(chǎn)與安全帶來了極大的問題。

礦壓大、溫度高,潛伏著難以預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害,如突水、巖爆、沖擊地壓等。然而用淺部開采條件下的地質(zhì)等特征和規(guī)律來分析處理深部問題,無疑遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,并且蘊含著極大的風(fēng)險。因此,對深部開采條件下面臨的問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究,為深部煤炭安全、經(jīng)濟(jì)、高效開采提供科學(xué)的技術(shù)途徑具有重要意義。

一、深部開采面臨的主要技術(shù)問題

（一）巷道圍巖變形問題

隨開采深度增大,地應(yīng)力顯著增大,巷道周圍應(yīng)力增高,在淺部相對較硬的圍巖,到達(dá)深部后成為“工程軟巖”,表現(xiàn)出強烈的擴(kuò)容性和應(yīng)變軟化特征[1],巷道巖體強度降低,巷道與支護(hù)體破壞嚴(yán)重,特別是不良巖層巷道掘進(jìn)與支護(hù)困難。據(jù)部分統(tǒng)計,深部巷道實際返修比例高達(dá)90%以上。這不僅使巷道維護(hù)費用大大增加,而且導(dǎo)致了礦井生產(chǎn)系統(tǒng)不暢,運輸能力不足,風(fēng)、水、電系統(tǒng)脆弱等一系列問題,是礦井安全生產(chǎn)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(zhuǎn)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(fù)雜,所有礦井均為瓦斯礦井,在中東部地區(qū),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(chǎn)的首要問題。

（三）礦井水災(zāi)問題

地下水在滲流場中,常規(guī)條件下,裂隙巖體水的滲流符合達(dá)西定理,但是,在礦井深部的巖體,由于高應(yīng)力和高地溫的作用,其特征發(fā)生明顯變化,高滲透壓力可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜,特別是水文地質(zhì)條件復(fù)雜,奧灰水壓持續(xù)升高,承壓水問題十分嚴(yán)重,突水機(jī)率也隨之增加。

（四）礦井高溫?zé)岷栴}

高溫會使職工注意力不集中,從而嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率,并且人身事故率和機(jī)電設(shè)備事故率大大增高,無法保證采掘工作面安全生產(chǎn)。《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定：采掘工作面空氣溫度不得超過26℃,機(jī)電硐室的空氣溫度不得超過30℃,當(dāng)上述兩工作地點的空氣溫度超過30℃和34℃時,必須停止作業(yè)。《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測量若干規(guī)定》指出：平均地溫梯度不超過3℃/100m的地區(qū)為地溫正常區(qū);超過3℃/100m為高溫異常區(qū)。我國不少礦井面臨高溫?zé)岷Φ膰?yán)重威脅。

二、針對深部開采需要的應(yīng)對措施

（一）加強深部地質(zhì)工作,充分了解復(fù)雜多變的煤巖體特征、知道瓦斯、水等分布,斷層的空間結(jié)構(gòu)、圍巖穩(wěn)定的狀態(tài)及與井巷工程之間的相互關(guān)系,為采取有效方案或技術(shù)途徑提供基礎(chǔ)條件。

（二）對深部開采統(tǒng)籌規(guī)劃

巷道要布置在穩(wěn)定的巖層內(nèi);巷道方向盡可能與本區(qū)最大主應(yīng)力方向一致,減小其應(yīng)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(qū)下;采取上部煤層預(yù)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(guī)劃開采順序避免采掘在相鄰的區(qū)段內(nèi)同時進(jìn)行。研究快速有效的局部高應(yīng)力卸壓技術(shù),對于防止由于局部應(yīng)力集中而引起的巷道失穩(wěn)和動力災(zāi)害具有實際意義。

（三）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。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(wǎng)索主動支護(hù)方式,提高錨網(wǎng)索支護(hù)系統(tǒng)的強度和改善圍巖特性,可能取得較好的支護(hù)效果。而在地質(zhì)不良地段復(fù)合支護(hù)效果可能會更好,宜因地制宜。

（四）加強深井熱害治理技術(shù)研究,在進(jìn)行通風(fēng)降溫和局部井下制冷技術(shù)研究與應(yīng)用的同時,要開辟新的思路，研究可行的技術(shù)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(fā)經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)境友好的礦井降溫新技術(shù)與新材料,是保障深部采礦順利開展的技術(shù)方法。

三、結(jié)語

煤礦深部開采面臨的一系列問題將是我國當(dāng)前和今后煤礦開發(fā)與安全生產(chǎn)中的重大問題。只有未雨綢繆,加大科技創(chuàng)新的力度,用先進(jìn)的技術(shù)裝備,才能防范并降低深部開采帶來的風(fēng)險,實現(xiàn)深部煤礦安全、高效、低成本的開采。