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透视我国千米深井生态 透视我国千米深井生态 中国煤炭报2013-8-19 随着开采强度的不断加大，我国煤矿开采深度以每年 8 米至 12 米的速度增加，一大批煤 矿快速进入深部开采阶段，采深超过千米的煤矿已有 47 处。 煤矿进入深部开采后，岩层压力大、涌水量大、地温高等现象普遍存在，开采技术难度 不断增大。最新的煤炭产业政策（修订稿）明确将限制 1000 米以深新井建设。但是，很 多老矿井既是当地煤炭生产的主力矿井，又是经济支柱和主要就业单位，一时间又不得不进 入深部开采。 如何对千米深井开采作出合理的长期规划，如何能够安全、高效、低成本地开采深部煤 炭资源，已是我国煤炭行业必须面对的问题。 千米深井现状 据统计，我国煤矿目前平均采深为 500 多米。由于开采强度大，一些开采年限较长的矿 井，浅部资源基本开采完毕，剩余资源多集中在深部，其中以 1000 米以深居多。 国有重点煤矿中，东北、华北、华东地区的 43 家煤炭企业近 300 处矿井开采深度超过 600 米。其中，河北开滦、山东新汶、辽宁沈阳、黑龙江鸡西、江苏徐州等矿区近 200 处矿 井开采深度超过 800 米。 千米深井最多的是山东省，有 21 处，占千米深井总量的 44.7。剩下的分布在 7 个省， 江苏 7 处，安徽 6 处，河南 4 处，河北 4 处，黑龙江 2 处，吉林 2 处，辽宁 1 处。 47 处千米深井平均深度为 1086 米，其中井深超过 1200 米的有 7 处。目前，全国最深的 矿井是山东能源新矿集团孙村煤矿，其开采深度已达到 1501 米。孙村煤矿是目前亚洲采深最 深的煤矿。 47 处千米深井年产能 9456 万吨，平均年产能 201 万吨。其中，45的矿井年产能集中在 100 万吨至 200 万吨，年产能最大的是安徽淮南矿业集团顾桥煤矿，2010 年原煤产量为 1230 万吨。 这些矿井平均剩余服务年限为 33.73 年，剩余服务年限在 40 年以下的占 63.8。 2004 年，我国的千米深井仅有 8 处，不到 10 年时间，已经增加了 39 处。预计在未来 20 年内，很多矿井的开采深度将达到 1000 米至 1500 米。 深部资源情况 据有关预测， 目前我国垂深 2000 米以内的煤炭资源总量为 5.57 万亿吨， 其中埋深在 1000 米以深的煤炭资源量为 2.64 万亿吨，占煤炭资源总量的 47.4。 河北冀中能源集团的研究数据表明，当前，河北、山西、江苏、安徽、山东、河南等重 要产煤省，由于长时间开采，埋藏较浅的煤炭资源日渐减少，而埋深 1000 米以深的资源占这 些省预测总量的 65至 92.4。 中国矿业大学教授张农表示，我国探明煤炭资源中，60埋藏深于 800 米，且浅部资源已 有较大消耗。我国煤矿开采深度正以每年 8 米至 12 米的速度增加，中东部矿区以每年 10 米 至 25 米的速度进入深部开采，从资源赋存特点和开采延伸速度看，深部开采势在必行。 中国煤炭工业协会提供的煤矿千米深井开采技术与现状指出，与国内外煤田赋存特 征比较，千米深井集中分布的我国东部矿区具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏深、基底为奥陶 系承压含水层的特点，煤层厚度稳定，煤质优良。 由于这些煤层形成时期受到印度支那运动、燕山运动、喜马拉雅运动以及新构造运动的 影响，煤层赋存的地质条件极为复杂，煤层倾角变化大，褶皱断层多。比如安徽淮南矿区开 采范围内已探明的落差 5 米以上断层有 1900 余条，平均每平方千米 1.1 条。 千米深井集中的矿区煤层瓦斯含量高，区域内超过半数的矿井为高瓦斯矿井。由于大多 数矿区瓦斯储层具有低压力、低渗透率、低饱和度以及非均质性强的“三低一强”特性，抽 采极为困难。 千米深井集中的矿区底部煤层常常受到其基底岩溶水的威胁。河北、山东、安徽等地， 矿井占有储量为 384.5 亿吨，而受水威胁的煤炭储量高达 149.7 亿吨，占 39。 东部地区煤层埋藏较深及构造运动活跃，导致部分地区矿井冲击地压灾害严重。 深井存废争议 与浅部开采相比，深部开采危险系数更高，热害、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、矿 压、煤层自燃等灾害不仅给安全生产带来挑战，还大大提高了采矿成本。 此外，因井深太深，紧急情况下撤人，将是个严峻的问题。目前，千米深井将人员撤出 一般需要两三个小时。 最新的煤炭产业政策（修订稿）明确将限制 1000 米以深新井建设。 业内也有一种观点，井深不能无限延伸，千米深井要控制。 但对于一些老矿区，又有非常现实的情况，例如千米深井最多的山东省。据山东省煤炭 工业局局长乔乃琛介绍，山东省现有煤矿生产矿井 200 处，其中采深 900 米以上的 26 处，千 米深井 21 处。千米深井核定年产能 3142 万吨，占全省总产能的 17.8。千米以深煤炭储量 20.6 亿吨，占全省总储量的 43。 “千米深井，加上 900 米以深的矿井，是山东省的生产主力井，也是资源主力井。”乔 乃琛说。 山东省是全国资源消耗大省，每年需要调入 1 亿多吨煤。受资源限制，山东省早就主动 控制煤炭产量。但如果这些深井都关停，即使资源保障问题靠加大外部调入力度能解决，这 么多老矿井的职工再就业，矿区民生保障，地方经济发展等问题，也是不容回避的。 因而，完全限制千米深井，对于某些区域，尤其是东部开采时间较长的老矿区，难度较 大。业内专家还有一种较折中的观点，对新建的千米深井，提高准入门槛，严格准入；对于 老矿井必要的延伸，要简化系统，改进装备，加强技术研究，保障安全生产。 深井开采灾害及防治 已有的开采实践表明，深部开采面临六大灾害高温热害、冲击地压、煤与瓦斯突出、 突水、软岩变形和煤层自燃。近年来，我国在深井开采与灾害治理方面取得了积极进展。 地温升高，作业环境恶化 煤矿安全规程规定，采掘工作面气温不得超过 26℃，硐室的气温不得超过 30℃。 一般情况下，地温随深度增加而呈线性上升。山东新汶矿区矿井每向下延伸 100 米，地 温上升 2.22℃至 2.70℃。 在国外，南非西部矿井在深度 3300 米处气温达到 50℃；俄罗斯千米深井平均地温为 30 ℃至 40℃，个别地温达 52℃。山东能源新矿集团孙村煤矿在深度 800 米处部分工作面气温达 30℃至 33℃，巨野矿区龙固矿井在深度 850 米处所有工作面气温达 34℃至 36℃。 有些千米矿井的岩石温度已超过 40℃，甚至达到 50℃，地温高并伴有热水涌出。很多采 掘工作面气温达到 30℃， 部分矿井采掘工作面气温达 35℃以上， 空气相对湿度为 90至 100。 气温升高造成井下工人注意力分散，严重影响人体健康，引发各种疾病，造成事故率上 升，劳动生产率下降等。 防治技术目前国内外矿井降温措施一是非人工制冷措施，即通过增加通风量等方式 降温。二是人工制冷降温，此技术可分为水冷却系统和冰冷却系统，水冷却系统是矿井空调 技术的应用，而冰冷却系统是将冰块洒向工作面来达到降温的目的。 冲击地压频率提高，强度加大 冲击地压是深井开采中常见的一种自然灾害，是围岩失稳现象中最强烈的一种。随着采 深的增加，最直接的表现是地应力增大，矿压显现剧烈。 山东能源新矿集团协庄煤矿采深在 500 米至 700 米时， 实测地应力为 15 兆帕至 25 兆帕； 采深在 900 米至 1100 米时，实测地应力为 30 兆帕至 39.5 兆帕。 江苏徐州矿务集团徐州本部自 1991 年首次发生冲击地压以来，先后有 5 处矿井发生了 54 次冲击地压，其中 53 次发生在深部。 在深部高地应力复杂地质条件下，冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用，多种因素相互交 织，在事故孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，互相强化，或产生共振效应，使灾害的 预测及防治变得更为复杂和困难。 防治技术在防治冲击地压方面，国内外采取了预测预报、解危、效果检验、安全防护 “四位一体”的综合防治措施。 煤与瓦斯突出危险性增加 深部高应力作用下，煤层内瓦斯气体压缩达到极限，煤岩体中积聚了大量的气体能量， 由于工程扰动的作用，造成压缩气体的突然、急剧、猛烈释放，导致工作面或巷道的煤岩层 结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出，使浅部不存在煤与瓦斯突出倾向的非突矿井，进入深部 以后转变为煤与瓦斯突出灾害频发的突出矿井。 随着采深的增加，中国平煤神马集团十二矿、八矿、十矿先后转为煤与瓦斯突出矿井。 河北开滦集团赵各庄煤矿十水平以上未发生煤与瓦斯突出，十水平以下却发生了煤与瓦斯突 出。 防治技术国内外主要采取开采保护层、瓦斯地面和井下预抽的方法治理煤与瓦斯突出 灾害。 突水危险性增加 随着采深的增加，由于高应力和高地温的作用，水在裂隙中的流动特征发生明显变化， 奥灰水压持续升高，承压水问题突出，突水几率随之提高。 河南几个矿区均存在承压水上开采问题，且水压高，水量充沛；河南义马煤业集团生产 矿井采区工作面煤层承受的底板水压普遍在 2 兆帕以上，底板灰岩突水灾害曾多次发生；河 南煤业化工集团赵固矿水压高达 6 兆帕，突水威胁性大。 防治技术国内目前采用地面瞬变电磁法探测和井下高密度探测相结合、物探与钻探相结合， 深入研究深部煤层开采的水文地质特征。针对深部水压高的特点，采取水文补勘、超前探放 水、疏水降压、带压开采等措施；完善水沟、沉淀池等防淤、清淤设施，确保疏排水系统可 靠。 采场矿压显现强烈 高应力环境下，岩体储备了较高的能量，巷道开挖后的卸荷作用，使岩体中积聚的能量 在较短时间释放出来。同等条件下煤层巷道从 500 米开始，埋深每增加 100 米，巷道变形速 度和变形量平均增加 20至 30；井深 1000 米时的巷道失修率约是井深 500 米至 600 米时的 3 倍至 15 倍，底鼓成为巷道失稳破坏的主要形式。 浅部岩性变化对巷道变形影响较小，一般情况下，同一巷道不同岩性常采用相同支护方 式和参数即能保持巷道长期稳定；到深部后，不同岩性围岩变形差异大大增加，岩性成为巷 道位置选择的主导因素，同一巷道不同岩性的非等强支护方法成为巷道维护的主要手段。 浅部巷道掘进影响期一般为 3 天至 5 天，之后能基本稳定下来；深部巷道掘进后，巷道 一直难以稳定，当支护不合理时，其变形可使巷道完全闭合。深部围岩在破坏之前几乎处于 不变形状态，破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难。 据不完全统计，深部巷道实际返修率高达 90以上，这使巷道维护费用大大增加，并造 成矿井生产系统不畅，运输能力不足等问题。 防治技术目前，国内外主要有被动支护、主动支护和联合支护三种形式。棚式金属支 架通过提供被动的径向支护阻力，直接作用于巷道围岩表面，从而约束围岩变形。锚杆（索） 支护通过对巷道围岩的表面施加托锚力从而起到支护作用。联合支护技术逐渐由简单的支护 方式叠加，改进为多种支护方式的联合、耦合，且在软岩巷道工程实践中进行了大量应用。 煤层自燃倾向强烈 研究表明，在深部较高的温度环境下，更易引起煤层的自然发火。自然发火危险矿井几 乎在所有矿区都存在，因自燃而造成的经济损失每年达数十亿元。如河南多数矿井煤层具有 自然发火倾向性，河南义马、平顶山、鹤壁等矿区煤层自然发火期较短，达到深部开采后， 煤炭自然发火问题将比浅部更严重。同时，自然发火容易引发矿井火灾、瓦斯爆炸事故。 防治技术对地温影响显著的自然发火矿井，应从深部矿井开拓开采系统、采煤工艺方 法、通风系统、监测检测技术、阻化技术等全方位多管齐下。 链接 国外深井开采现状 世界主要采煤国家中，美国、澳大利亚、德国、英国、波兰、俄罗斯等采矿业较为发达， 原西德和前苏联较早进入深部开采。 20世纪60年代初， 原西德埃森北部煤田中的巴尔巴拉矿开采深度超过1000米， 达到1200 米。1960 年至 1990 年，原西德煤矿的平均开采深度从 730 米增加到 900 米以上，最深开采 深度从 1200 米延伸到 1500 米。 前苏联在解体前的 20 年中，煤矿的开采深度以每年 10 米至 12 米左右的速度递增。在俄 罗斯，仅顿巴斯矿区就有 30 处矿井的开采深度达到 1200 米至 1350 米。 波兰煤矿的平均采深为 690 米，最深已达 1300 米。日本和英国的煤矿开采深度曾分别达 到过 1125 米和 1100 米。