煤矿深部开采主要问题与应对措施

文/黄学超，淮南矿业集团朱集东煤矿

1 引言

2 深部开采的定义

根据本国国情,一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述。前苏联部分学者将采深超过600m的矿井归于深井,而另部分学者则定为采深800m。原西德学者把采深800-1200m定为深部开采,把1200m以下称为超深开采。英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750m,日本定为600m。

3 煤矿深矿井开采的主要特征

3.1 高应力

3.1.1 原岩应力大。原岩应力包括自重应力、构造应力以及赋存在岩体中的水和瓦斯对岩体的压力等。自重应力随埋深的增加而增大。构造应力实际上是构造残余应力,当开采深度大时,构造应力由于释放困难,残余构造应力大。地下水和瓦斯赋存在岩体中,其赋存量和压力一般随赋存深度增大而增大。因而,在深矿井开采中原岩应力大。

3.1.2 岩体塑性大。岩石的变形特性与受力状态有关:当侧压由零(单向受力)逐渐增加时,岩石的塑性会逐渐增加。侧向应力的增加使岩体的塑性增大。当开采到一定深度时,岩体进入完全塑性状态,此时,原岩应力为三向等压,即所谓的静水压力状态。

3.1.3 矿山压力显现剧烈。矿压显现剧烈是深井开采中原岩应力大和岩体塑性大的主要表现。

3.2 高瓦斯

3.2.1 矿井瓦斯(绝对)涌出量大。矿井瓦斯(绝对)涌出量随采深增加而增大。其原因是:①一般情况下,煤层埋藏深,煤层瓦斯含量大，这主要由瓦斯的赋存条件决定；②煤炭开采强度随采深增加而增大，矿井开采深度增加,开采难度增大。

3.2.2 瓦斯突出(煤与瓦斯突出)频度大,突出物量大。影响瓦斯突出的因素有:瓦斯赋存量和压力；煤(岩)的物理力学性质和所受地压；地质条件等。这些因素随采深增加而增大。故一般情况下瓦斯突出的频度和突出物量也随采深增加而增大。

3.3 高地温

地温是指井下岩层的温度。一般情况下,地温随深度增加而呈线性增加。地温决定着井下采掘工作面的环境温度,即矿井温度。在深矿井开采中,矿井温度一般都较高,会影响人体健康,有时甚至会远高于人体所能承受的最高温度。

4 深部开采存在的主要问题

4.1 生产费用增加,经济效益下降

随着采深的增加,勘探强度加大,地压、地温升高,冲击地压及煤与瓦斯突出危险增大,相应的要采取一系列措施,如增加设备,加强支护等。同时,井下需要维修的巷道长度增加,到工作地点的距离和时间增加,提升高度大、时间长,主副井提升系统、排水系统环节增多,通风系统趋于复杂。这些都导致煤炭生产成本增加,经济效益迅速下降。

4.2 矿压显现加剧,巷道维护困难

随着矿井开采向深部发展,矿井逐渐出现矿压显现强烈,巷道维护困难,地温升高和勘探困难,开采条件恶化,生产技术效果和经济效益下降等问题。一方面,巷道断面必需加大,据统计,近10年间采深平均增加100m,岩石巷道断面平均增加8.1%,煤、半煤岩巷平均增加32%；另方面,地压增大,在深部高应力作用下,围岩移动更剧烈,巷道产生变形破坏更严重。在超过700m的深井中,巷道矿压问题普遍严重,底臌成为常见的地压现象,特别在采准巷道中尤其严重。失修和严重失修巷道比例增加,井深1000m时巷道失修率约是同条件下500-600 m埋深巷道的3-15倍,部分矿井巷道失修和严重失修率达20%以上。且常常出现前掘后修、重复反修的现象。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节。

4.3 热害问题增加,气候条件恶化

随着矿井向深部开采,许多国家都遇到了不同程度的热害问题。德国、俄罗斯掘进头温高达50℃,部分高达60℃。矿井气温过高严重影响人体健康,引发各种疾病,造成事故率上升,劳动生产率下降,甚至被迫停产。

我国深井热害问题相当严重,而我国热害的治理工作由于缺乏技术、资金等问题,大部分矿井热害治理仅靠通风降温、洒水降温,部分矿井采用机械制冷降温方法。总的现状是技术落后、效果较差,应引起有关方面的高度重视。

4.4 瓦斯压力增高,煤与瓦斯突出危险严重

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一,从国内外开采实践看,矿井深部开采时瓦斯涌出量一般较大,煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。我国煤与瓦斯突出均有随采深增加而瓦斯压力增高,瓦斯涌出量增大的趋势。

5 应对措施

5.1 加强深部地质工作。充分了解复杂多变的煤岩体特征、瓦斯、水等灾害分布，断层的空间绐构、围岩稳定状态及与井巷工程之间的相互关系，从而为采取有效方案或技术途径提供基础条件。

5.2 改进围岩控制技术，限制围岩变形破坏。围岩支护方式分为被动支护和主动支护，被动支护是限制围岩的变形破坏和防护控制已经松动破坏的岩石，主动支护是以加固围岩为目的，利用围岩的自撑能力控制围岩变形破坏。深部围岩在掘进几小时后就有可能发展成为碎裂体或松散体，支护对象是破裂后的剪胀变形围岩。因此，深部地区采用锚网索主动支护方式，提高锚网索支护系统的强度和改善围岩特性，可能取得较好的支护效果，地质不良地段复合支护效果可能会更好，应因地制宜。

5.3 对于深部开采的动力现象，应进一步研究其发生的条件、特点和规律，建立符合深部开采实际的预测预报理论以及防治措施。

6 结束语

煤矿深部开采面临的一系列问题将是我国当前和今后煤矿安全生产中的重大问题，必须未雨绸缪，加大科技创新的力度．以期解决关键技术难题，采用先进的技术装备，降低和防范深部开采带来的风险，实现深部煤矿安全，高效、低成本开采。