深部开采冲击矿压防治研究.pdf

文章编号 一一一 深部开采冲击矿压防治研究 窦林名 中国矿业大学 , 江苏徐州 摘要煤岩 动力灾害一冲击矿压是矿 井深 部开采的 重 大安全问题 。 我国煤 矿开采已进入深 部 , 而且以 每年 一的速度递增 。 煤炭储量理藏深度在 。 。 的 占总储量的以上 , 必须解决矿井深部开采的重 大 问题 。 冲击矿压 动力灾害主要从机理研究 、 危险性评价 与预测 预报和治理等三个方面进行 , 而且要 加大研 究力度 , 为深 部 资源开发中的 重 大灾害事故的发生提供科学的预 测 预报手段和防治技术 。 关键词深部开采岩爆冲击矿压灾害防治 中图分类号文献标识码 深部开采现状 深部资源开采顾名思义是在有益矿床埋藏深度大的情况下 , 将其开采出来 。包括我 国在内的世界各国 均已进入深部资源开采阶段 。 例如对于金属矿开采 , 我国的铜陵狮子山铜矿开采深度已达 , 山东玲 珑金矿 , 抚顺红透山矿 。 南非金矿超过岩爆事故发生频繁对于陆地钻井 ,“ 中国 大陆科学钻探工程 ”启动 深钻 江 苏东海县毛北镇 。 世界上最深 的是俄罗斯 的科拉超 深钻 , 达 对 于地 热开 发 , 美 国的地热开发深 度已达 旧 本达 , 德国达 , 英国达 。 而我国塔里木盆地 的石油开发 , 其开采深度达 。 。 煤矿开采也已进入 了深部 。 目前国有重点煤矿中采深大于的矿井有多处 , 而且以每年 的速度递增 。 沈阳采屯矿采深已达长广矿新仪孙村矿北票冠矿徐州张小楼 矿开滦赵各庄矿北京门头沟 。 而德国年平均采深 , 最大采深 俄罗斯 、英 国 、 波兰 、 日本 、 比利时等国家的煤矿开采深度也超过了 。 对于深部开采 , 目前还没有一个统一的划分标准 。 前苏联将采深的定义为深部矿井原西德 将采深为 。一 的定义为深部矿井 英国与波兰将采深的划分为深部矿井 日本则将采深 定义为深部矿井 。 我 国没有 明确的划分标准 。 一般认为 , 浅部矿井是指采深的矿井 , 中深 矿井的采深为一 , 深矿井的开采深度为 , 而特深矿井采深为 。 目前我国煤炭占能源总消费的左右 。 我国石油资源将在年耗尽 。 为了满足国民经济建设的 需要 , 在今后相当长的历史时期内仍需保证煤炭的高产稳产 。 而我国深部矿井 的储量占全部储量的环 以上 , 见表所示 。 随着开采深度的增加 , 采矿工程面临的问题更加复杂 , 由此产生的工程灾害事故更为严 重 , 例如矿压显现强烈 , 巷道维护困难 , 岩爆冲击地压危险加大 , 瓦斯涌 出量增加 , 地温升高 , 通风 、 提升和 勘探困难 , 开采条件恶化 , 生产技术效 果和经济效益下降等 。 因此 , 必须探索 表中国煤炭资源按深度分布的储量 有效的深部采矿 和 施 工技术 、 以及 防 埋藏深度 “ 一 , 一一 治工 程灾害的基础理论 和技术手段 , 煤炭储量 亿 以解决深部矿井开采问题 , 这对 于我 所占比例 国国民经济的发展意义重大 。 收稿日期 一一 翅矿山压力与顶板管理 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 深部开采 的冲击矿压 由原始沉积作用和后期构造作用造成的含煤岩系的非连续性和非均质性 , 随着煤炭采深的增加引起 的覆岩 自重压力的增大和构造应力的增强 , 表现为围岩发生剧烈变形 、 巷道和采场失稳 、 并易发生破坏性 的岩爆和冲击地压 , 给巷道支护和顶板管理带来许多困难 。 冲击矿压作为采矿诱发的地震 , 与大地地震相比 , 虽然震级不大 , 但由于其震 中距地表近 , 属浅表层地 震 , 其危害性非常严重 。 冲击矿压作为矿山震动的一种表现形式 , 对矿山井下巷道和工作面 、 井下工作的矿工以及对地表及其 建筑物将造成严重的影响 。 在采矿巷道中发生震动和冲击矿压 , 将会引起 巷道 、 工作面的破坏 , 人员的伤亡 , 其主要原因是地震波传播过程中动载荷脉冲的冲击 , 使煤层垮 落 , 动力抛 出煤岩体 。 表为我 国三河尖煤矿发生冲击矿压的情况 , 其破坏巷道最大达多 。 表三河尖煤矿冲击矿压显现表 编号发生时间发生位置 臂 顶板及 厚度 周边条件 破坏范围 冲击主要原因 材料道 一 材料道 一 材料道 一 材料道 一 材料道 一 运输道 一 材料道 一 材料道 一 材料道 一 材料道 一 下运道 一 降低道 一 一 面及两道 一 一 降道 一 一 面 一 一 两材料道 一 一 面 、两材料道 一 面 、 材料道 一 面 、材料道 一 运输道 一 面 、材料道 一 中砂岩多巷交岔面采动影响 , 地应力 中砂岩煤柱 面采动影响 , 地应力 中砂岩煤柱采后残余压力 , 地应力 中砂岩多巷交岔地应力 , 采空区顶板运动 细砂岩顶板活动残余压力 , 煤脆硬 、顶硬 细砂岩顶板活动残余压力 , 煤脆 、 顶硬 中砂岩多巷交岔采后残余压力 , 地应力 中砂岩多巷交岔采后残余压力 , 地应力 中砂岩断层三角煤柱采后残余压力 , 地应力 , 煤柱应力集中 中砂岩煤柱采后残余压力 , 地应力 细砂岩煤柱 已采 煤柱顶板断裂 中砂岩煤柱煤柱应力集中 , 放炮诱发 中砂岩多巷交岔 顶板垮落及放炮诱发 中砂岩多巷交岔 一 工作面顶板超前断裂 中砂岩多巷交岔卸压爆破时诱发 中砂岩多巷交岔 一 工作面顶板超前断裂 中砂岩多巷交岔 一 面顶板超前断裂采空区顶板失稳 中砂岩 北端头巷道工作面 应力集中 中砂岩 止端头巷道工作面 应力集中 、放炮诱发 中砂岩运输巷煤煤柱 、应力集中 中砂岩 址端头巷道工作面 应力集中 、顶板失稳、大范围运动 勺目一︸︸卜目一了︵从 ︺ “ 六,曰, 且︸ 刁 内月凸︸ ,止 ,走︸‘曰 今 ︺ 在较大能量 的震动和冲击矿 压发生时 , 地表产生振动 , 使建筑物产 生裂缝甚至倒塌 。 表为波兰几次大 的矿 震 和冲击矿压对地表的 影 响结 果 。 其 中 , 破坏最严重 的一次为 年月日在市下发生的 级的矿山震动造成了多幢建筑物 的损坏 。 我 国抚顺老虎台矿也存在这 样的问题 。 冲击矿压防治研究 表波兰矿山震动与冲击矿压对地表的影响 日期 地点震动能量震级建筑物破坏数量 月 了白曰 火︹ 乙︸匀 月任 任 几 尸︼, , 乃产尸工月寸月了讨八 ⋯ 几,八 ‘ 一 , 又 对于冲击矿压 防治问题的研究 , 主要集中在三个研究方 向上 。 一是冲击矿压发生机理的研究 二是冲 击矿压危险性评价 、 监测与预测预报技术的研究 三是冲击矿压治理措施的研究冲击矿压发生机理十分复 杂 。 各国学者在对冲击矿压现场调查及实验室研究的基础上 , 从不同角度相继提出了一系列 的重要理论 , 如强度理论 、 刚度理论 、 能量理论 、 冲击倾 向理论 、 三准则和变形系统失稳理论 、 弹塑脆性流变理论等 。五 十 年代提出的强度理论认为 , 产生冲击矿压时支架一围岩力学系统将达到力学极限状态 刚度理论认为 , 矿 山结构的刚度大于围岩一支架刚度是产生冲击矿 压的必要条件能量理论则认为矿 山开采中如果支架一 矿山压力与顶板 管理陋 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 围岩力学 系统在其力学平衡状 态破坏时的能量大于所消耗的能量时即发生冲击矿压冲击倾向性理论认 为煤岩层冲击倾向性是煤岩介质的固有属性 , 是产生冲击矿压的内在 因素稳定性理论则认为 , 煤岩体 内 部高应力区局部形成应变软化 , 与 尚未形成应变软化 的介质处于非稳定平衡状 态 , 在外界扰动下动力失 稳 , 形成冲击矿压弹塑脆性流变理论则认为 , 煤岩体是一弹塑脆性体 , 在载荷作用下 , 可能发生脆性破坏 冲击 , 也可能先产生流变 , 然后发生破坏 延时冲击 等 。 要 防治冲击矿压的发生 , 首先要对可能发生的冲击矿压危险进行评定 , 确定发生冲击矿压的危险等级 并进行预测预报 。 目前对于冲击矿压危险性评价 , 预测预报主要采用采矿方法 , 包括根据采矿地质条件确 定冲击矿压危险的综合指数法 , 数值模拟分析法 , 钻屑法 , 煤岩层冲击矿压倾向性分类法等采矿地球物理 方法 , 包括微震法 , 声发射法 , 电磁辐射法 , 振动法 , 重力法等 。通过 采用上述冲击矿压危险性评价及预测预 报方法 , 可以达到较准确预报冲击矿压可能发生的地点和位置 , 较准确地确定冲击矿压发生强度和震动释 放能量的大小 。 而对于冲击矿压的治理措施 , 主要从战略性的防御和主动解危两个方面进行 。 战略性和 防御性措施主 要有开采解放层 , 在进行开采设计时 , 选择合适的开采顺序 , 开采方法和采煤工艺 , 力争消除形成冲击矿压 发生的因素 。 冲击矿压的主动解危措施主要有卸压爆破 , 煤层注水 , 钻孔卸压 , 定向裂缝法等方法 。 这些方 法的应用 , 减弱或消除了冲击矿压的危险 , 取得 了很好的治理效果 。 因此 , 预报和防治冲击矿压的措施和步骤可按如下阶段进行 ① 冲击矿压危险性评评定和预测预报 ②选择 防治和限制冲击矿压危险性的措施和方法 ③冲击矿压防治措施的实施 ④检查和评定冲击矿压防治措施的有效性 , 检测冲击矿压危险状态降低与否 , 如没有降低 , 则继续采 取其他防治和解危措施 。 冲击矿压综合防治和解危技术体系 由冲击矿压的危险性评价方法和冲击矿压的治理方法组成 , 而冲 击矿压的治理效果控制方法则与危险性评价预测方法是一样的 。 虽然 目前已进行了许多探究岩爆冲击矿压发生原 因 、 预测岩爆成绩可以发生 、对其进行治理 的研究工 作 , 但 由于 问题 的复杂性 , 尚有许多 问题没有研究清楚 , 问题远远没有解决 。 结束语 深部资源开采是解决我 国能源及原材料需求的必经之路 。在我 国已有许多矿井进入深部开采 , 而且要 大规模进入深部资源开发开采前 , 必须解决矿井深部开采存在的问题 。 深部资源开采与地下工程是目前国内外采矿工程界一个十分重要的研究课题 。 目前我国东部矿井正 以每 年延深的速度发展 , 如果我们仍然习惯于浅部开采条件下的地质作用特征和矿山压 力显现规律来推断和分析深部开采的安全事故及相关现象 , 显然远远不够 。 因此 , 我们应予以高度重视并 广泛开展研究与探索 。 我 国是发展中国家 , 国民经济发展在相当长的一段时间内仍将依赖于能源工业的发展 。 一次性能源的 开发也对我国国防战略具有重要的影响作用 。 因此 , 深部开采的问题迟早会摆在我们面前 。 当代科学技术 的发展与相关学科的研究成果为深部开采研究也提供了可能 。 可以说 , 深部开采的技术问题 、 经济效益问题以及安全等相关问题很多 , 还等待着我们去研究和解决 。 参考文献 〔〕徐永祈 中国采煤方法图集〔〕徐州中国矿业大学出版社 , 「〕何学秋 含瓦斯煤岩流变动力学 「〕徐州中国矿业大学出版社 , 「 〕窦林名 , 何学秋 冲击矿压防治理论与技术〔 〕徐州中国矿业大学出版社 , 。 。工 「 」 陈炎光 , 钱鸣高 中国煤矿采场围岩控制〔 〕北京 煤炭工业出版社 , 「 〕 翟明华 , 樊银辉 , 王云海 三河尖煤矿冲击地压原因及分析「〕煤矿开采 ,, 仁窦林名 , 谷德钟 冲击矿压及其防治〔矿山压力与顶板管理 ,, 一 。 塑矿山压 力与项板管理 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.