深部开采的问题.ppt

深部开采动力现象及应对技术,黄建功,四川师范大学工学院四川煤矿安全技术培训中心,一、何谓深部开采,深部开采指矿层采深达到一定深度以下的开采。,深部,前苏联＞600m（＞800m）德国800m---1200m（＞1200m超深部）英国、波兰＞750m日本＞600m,中国,浅矿井＜400m中深矿井400m---800m深矿井800m1200m特深矿井＞1200m,国外煤矿现有开采深度,英国平均700m最深1000m德国平均947m最深1713m波兰平均690m最深1300m俄罗斯多为1200----1400m的矿井南非平均2450m,中国煤矿现有开采深度,根据对国有重点煤矿统计开采深度大于700m的矿井约占9开采深度大于800m的矿井25对，主要分布在开滦、鸡西、北京、沈阳、抚顺、徐州、新汶、长广等国有重点煤矿企业,如平煤集团十二矿深部已经达到1150m,沈阳彩屯煤矿开采深度1198m开滦赵各庄矿开采深度1160m新汶孙庄煤矿开采深度1008m冠山煤矿开采深度1058m北京门头沟矿开采深度1008m,目前开采深度接近1000m的矿井还有开滦唐山矿、马家沟、林西北票台吉、新汶华丰、阜新王家营等矿井。,我国煤炭预测总储量中73.2埋深在1000m以下,浅部储量较少。目前,我国东部煤矿正以每10年100～250m的速度发展,预计在未来20年,很多煤矿的开采深度将达1000～1500m。,随着开采深度的增加,岩层与地表移动问题十分复杂,也带来了新的地表沉陷预测与控制问题。同时,深部开采中遇到的“三下采煤”、保护煤柱留设、矿压、地热、瓦斯等主要技术问题日益增多,对当前的煤矿生产和今后矿井建设的影响日趋严重,需要对其进行深入系统的研究。,,二、煤矿开采引起的矿山压力,1、岩石的物理性质岩石的空隙性、碎胀性、软化性。,2、岩石的力学性质,a、岩石的变形性质岩石受力后同时出现弹性变形和塑性变形。（有“记忆材料”之说）,脆性岩石、塑性岩石。,b.岩石的强度,三向等压抗压强度＞三向不等压抗压强度＞双向抗压强度＞单向抗压强度＞抗剪强度＞抗弯强度＞单向抗拉强度。,岩石的抗破坏能力与受力状态有关。,地层原岩应力,a.自重应力,式中σγH,b.构造应力水平力为主;力的方向变化大.,c、地下水压力,d、气体压力,e、地温引起的压力,矿山压力,支承压力,矿山压力显现,三、深部开采的主要问题,由于深部开采，岩体力学性质的改变、原岩应力增大、地下温度的增大引起开采过程中的矿山压力动力现象增加，表现为瓦斯增加甚至发生瓦斯突出、冲击地压等动力现象增大。,与浅部开采相比,深部开采不仅大大地提高采矿成本,而且随着深度的增加,采矿环境也将发生不利的变化,给煤矿生产和安全带来了极大的问题.,深部开采面临的主要技术问题,1巷道围岩变形开采深度增大,地应力显著增大,巷道周围应力增高,在浅部相对较硬的围岩,到达深部后成为“工程软岩”,表现出强烈的扩容性和应变软化特征,巷道岩体强度降低,巷道与支护体破坏严重,特别是不良岩层巷道掘进与支护困难.不仅使巷道维护费用大大增加,而且造成矿井生产系统不畅,运输能力不足,风、水、电系统脆弱等一系列问题,成为矿井安全生产的重大隐患.具体表现为,巷道变形速度快、变形量大,底鼓严重.,深部高应力环境下,岩体储备了较高的能量,巷道开挖后卸荷作用,使岩体中积聚的能量在较短的时间释放出来.深部围岩最大与最小主应力差有增大趋势。,如平煤地应力测量表明,800m深处最大主应力为29.7MPa；最小主应力为6.6MPa。,主应力差高达23.1MPa。,煤层巷道从500m开始,埋深每增加100m,巷道变形速度和变形量平均增加20～30左右;井深1km时的巷道失修率约是500～600m时的3～15倍,底鼓成为巷道失稳破坏的主要形式.如某矿掘进埋深1.1km的煤层巷道时,底鼓量达到0.8m/d;深部回采巷道,前掘修拉底已成为巷道施工的基本工序.,2岩性对巷道稳定性的影响更加显著.浅部岩性变化对巷道变形影响较小,一般情况下,决定巷道位置时,岩性不是主导因素,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.,3掘进后巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征.浅部巷道掘进影响期一般为3～5d,之后能基本稳定下来;深部巷道掘进后,巷道一直难以稳定,当护不合理时,其变形可直至巷道完全闭合.特别是当受动压影响时,其敏感程度更高,影响范围更大.煤柱稳定宽度增大,留煤柱护巷在技术和经济上更加不合理.,随矿井开采深度增加,煤层瓦斯压力增加,2矿井煤与瓦斯突出和冲击地压,不少原来浅部为非突出的矿井煤层,转化为突出矿井,突出强度和频度随深度增加明显增大.我国煤矿开采条件复杂,所有矿井均为瓦斯矿井,在中东部地区,一半以上矿井为高瓦斯、突出矿井,瓦斯问题已成为安全生产的首要问题.,低瓦斯矿井向高瓦斯矿井的转变在深部高应力作用下,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,从而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。近年来,对我国煤矿煤与瓦斯突出的大量统计研究表明,瓦斯突出随采深增加而瓦斯压力增高,瓦斯涌出量增大的趋势。随着矿井延深,不仅发生了突出,而且次数、强度不断增大。,平顶山矿务局1989年以来,随着采深的逐年增加,十二矿、八矿、十矿先后上升为煤与瓦斯突出矿井。开滦局赵各庄矿十水平-822m以上未发生煤与瓦斯突出,十水平以下却出现了煤与瓦斯突出。矿井向深部开采,瓦斯涌出量显著增加。,赵各庄矿实测和预计瓦斯诵出量与开采深度关系如表所示,近年来由于开采深度增加,应力增高,义马矿及平煤、焦作等矿区不同程度出现了冲击地压现象.同时由于采深增加有可能和煤与瓦斯突出、承压水问题等灾害相互叠加、相互作用,互为诱因,或产生“共振”效应,使灾害的预测及防治更为复杂困难.,2煤岩破坏过程加剧,冲击地压日渐突出.,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。随着采深的增加,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,并易发生破坏性的冲出地压,给顶板管理带来了困难。巷道维护困难,造成深部开采生产技术效果和经济效益下降等问题。其主要表现是一方面,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;,另一方面,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,底鼓成为常见的地压现象,失修和严重失修巷道比例增加。据开滦矿务局调查统计,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。其中,井深1000m时,巷道失修率约是同条件下500～600m埋深巷道失修率的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。,3矿井水灾,地下水在渗流场中,常规条件下,裂隙岩体水的渗流符合达西定理。但是,矿井深部的岩体，因高应力和高地温的作用，其特征发生明显变化，高渗透压力可能产生地质灾害。我国煤矿地质条件复杂，特别是水文地质条件复杂，奥灰水压持续，承压水问题十分严重，突水机率也随之增加。,如河南的几个主要矿区均存在承压水上开采问题,且水压高承压水压力为2～6MPa,水量充沛;义煤集团公司生产矿井采区工作面煤层承受的底板水压普遍在2.0MPa以上,突水系数大于0.06MPa/m,底板灰岩突水灾害曾多次发生,其中奥灰突水灾害3次;郑煤集团所属主要矿井的奥灰水位标高为125～150m,焦煤集团赵固煤矿水压高达6MPa,突水威胁性大.,煤矿安全规程明确规定采掘工作面空气温度不得超过26℃,机电硐室的空气温度不得超过30℃,当上述两工作地点的空气温度超过30℃和34℃时,必须停止作业.,4矿井高温热害,平均地温梯度不超过3℃/100m的地区为地温正常区;超过3℃/100m为高温异常区,原始岩温高于31℃的地区为一级热害区,原始岩温高于37℃的地区为二级热害区.,煤炭资源地质勘探地温测量若干规定,地下温度100米深度要岩石温度35度，当1000米时围岩温度35度以上。岩石在温度的压力作用下，不但内部产生到的压力，同时也使岩石的内部裂纹发展破坏，同时还给部了岩石的力学特征。,我国不少矿井高温热害威胁严重,1999年70处大中型井工煤矿的采掘工作面最高气温超煤矿安全规程的要求,其中26处超过30℃高达到37℃.随着采深的增加,高温热害矿井数不断增加,进入21世纪,将有越来越多的矿井步深部开采行列.,以平煤集团五矿为例采深800～900m温达到34.5℃,平均地温梯度3.7℃/100m,地热并伴有热水涌出。在标高-450m处的岩温42℃,在标高-650m处的岩温高达50℃.采掘工作面温全年都超过28℃,夏季一般为31～34℃,个别达35℃,空气相对湿度94～100;平煤集团矿采深800～900m时岩温达到35.5℃,平均地梯度3.1℃/100m。随采深增加围岩温度也随之增加,高温热害问题将更加严重成为制约部分矿井安全生产的主要因素。,研究表明,随采深增加,地温增高,地温越高,煤层原始温度越高,导致围岩层温度越高,改善了自燃的蓄热条件,导致煤体与环境风流温差较大,增大了漏风供氧动力热风压,导致煤体自身的耗氧速度和氧化放热强度即煤体氧化放热性能增强,最终导致煤体自燃危险性增大.因此,在深部较高的温度环境下,更易引起煤层的自然发火.,5煤层自燃,到深部开采后,煤炭自然发火问题将较浅部更为严重.同时,自然发火容易触发矿井火灾、瓦斯爆炸事故的发生.,我国煤层自然发火危险性严重,比例大、覆盖面广.根据2002年统计,原国有重点煤矿中有自然发火危险的矿井占51.3.自然发火危险矿井几乎在所有矿区都存在,因自燃而造成煤炭资源的破坏,每年达数十亿元的经济损失.,1我国多数矿区进行地表沉陷预测与控制设计所用的参数是利用采深小于300m的观测站资料求得的,严格说来,这些参数只适用于采深小于300m情况下地表沉陷预测与控制。在建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中给出的移动角,大多是浅部开采条件下的实测值。,6地表沉陷预测与控制,2对于同一个矿区来说,目前规程中给出的移动角值是一定值,而大量的实测资料和开采沉陷理论证明,在深部开采条件下,该移动角值是否仍为一定值,都没有实测资料和开采沉陷理论予以证明。3目前,通过建立地表移动观测站,尤其是在深部开采条件下进行实测求取岩层移动角的方法越来越困难;同时,大量重复建立地表移动观测站实测求取岩层移动角的方法不仅耗费大量的人力、财力,且周期长,甚至半途而废。,四、积极应对深部开采的技术难题,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,断层的空间结构、围岩稳定状态及与井巷工程之间的相互关系,对深部开采进行统筹规划，合理开拓开采部署，尽可能防止采动和煤柱应力叠加；,1加强深部地质工作,2对深部开采统筹规划,合理开拓开采,尽可能防止采动和煤柱应力叠加造成的应力升高.,巷道布置在稳定的岩层内;巷道方向尽可能与本区最大主应力方向一致,减小其应力对巷道的作用;避免开采引起的支承压力的强烈作用,将巷道布置在已采的采空区下;,采取上部煤层预先开采,跨巷回采等方法,避开上部开采遗留煤柱的影响,且与煤柱边沿保持一定的距离;避免相邻巷道之间的相互影响;合理开采顺序以避免采掘在相邻的区段内同时进行等.研究快速有效的局部高应力卸压技术,对于防止由于局部应力集中而引起的巷道失稳和动力灾害具有实际意义.,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.试验表明,岩石的峰值强度和残余强度对围压很敏感,较小的围压就可以较大地提高围岩的强度,因此,在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.,3改进围岩控制技术,限制围岩变形破坏.,在进行通风降温和局部井下制冷技术研究与应用的同时,开辟新的思路和研究可行的技术途径,变热害为地下热能源利用,变害为利.另外,采用高科技成果,研发经济高效且环境友好的矿井降温新技术与新材料,是保障深部采矿顺利开展的技术方法.,4加强深井热害治理技术研究,,深部开采条件下,工程岩体的动力稳定性问题是岩层与地表控制与预测的关键性因素。工程岩体的动力稳定性是指煤柱、上覆或下伏岩层力学系统在外力作用下,在随时间流逝的过程中能否保持原来的平衡或运动状态和内部结构功能的性质。与浅部开采不同,在深部开采条件下,开采工程动力稳定性问题是研究开采围岩破坏后与支护系统相互作用达到二次稳定的复杂力学问题,包括深部矿层采动引起顶板破断后,采场局部顶板结构与支架相互作用,达到二次稳定的作用机理以及与采场相配套的巷道围岩产生塑性大变形后与支护体系相互作用达到二次稳定的作用机理。,5积极开展深部开采工程动力稳定性研究,深部开采工程动力稳定性研究的重点是系统深入研究深部开采煤柱动力稳定性的主要影响因素,根据深部煤柱和上覆岩体与下伏岩体的物理力学性质,对深部开采工程岩体动力学模型进行研究；建立深部开采煤柱变形、破坏、滑动等稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法,找出影响深部煤柱动力系统稳定性的控制变量,并研究控制变量的变化规律。解决深部开采地表与岩体预测与控制技术难题应从工程岩体的动力稳定性规律入手,研究深部开采煤层系统稳定性,奠定其理论与技术基础。,研究表明,煤层瓦斯含量、瓦斯压力、地应力、煤岩物理力学性质、煤的变质程度等与开采深度都存在一定的关系。在深部开采条件下,深部岩体的组织结构、基本行为特征等均发生了根本性变化,是导致深部开采中灾变事故出现多发性和突发性的根本原因所在。因此,应系统研究我国深井矿区灾害发生机理的特点,探讨采深与主要影响因素之间的内在联系,揭示不同条件下灾害发生的规律,以作为深部灾害治理的前提和基础,从而提出预测方法、指标和防治措施。对于解决随着开采深度的增加,以岩爆、突水、煤与瓦斯突出、顶板大面积来压和采空区失稳为代表的工程灾害防治问题具有重要意义。,6）深部工程灾害发生机理研究,深井巷道矿压问题是深井开采中对生产和安全影响最严重的问题,解决巷道矿压与支护问题对发展我国煤炭生产和建设具有重要的实际意义。深井巷道矿压基础理论研究是解决深部巷道工程的基础和依据,只有深刻认识深部巷道围岩的变形破坏规律,才能使深井巷道围岩控制建立在坚实的科学基础上。,7）深入开展深井巷道矿压基础研究,我国冲击地压的研究与防治工作经过多年大规模的科研攻关,取得了突破性进展。但随着开采深度的增加,应力的逐渐增高,开采条件进一步复杂化。因此,应在现有的基础上.进一步研究深部冲击地压发生的规律及特点,对我国主要深矿井进行全面的工程地质调查,运用现场观测、模拟实验、现代数学方法等方法和手段,建立主要影响因素与巷道矿压之间的定量关系,提出符合深部开采下矿压预测预报指标和防范措施,为我国深井巷道设计、支护形式、支护参数选择、巷道保护提供科学的方法和手段。,深部开采巷道稳定性问题是影响矿井生产的问题,应作为深矿井设计的主要问题考虑,并认真加以研究。针对深部开采巷道稳定性特点,应改革浅部的巷道布置方式,力求避开应力高峰区,优化开采程序,尽量减少动压对巷道的影响;根据巷道围岩条件、用途、开采条件,合理选取巷道断面形状,巷道支护结构等。,8、加强深矿井巷道布置与底鼓防治研究,底鼓是深井巷道失稳的主要形式,防治底鼓是深井巷道维护的重要课题之一。除了加强深井巷道底鼓机理研究外,应大力开展底鼓防治技术研究。目前,大部分深井有底鼓的回采巷道未采取任何措施,需经常性的起底翻修,这样不仅巷道维护状况差,且对生产影响大。因此,应结合卸压加固技术,研究新的底鼓防治措施和方法。,地下水是宝贵的资源，实施深部保水开采具有重要的资源和环境价值，近年来以底板加固为主导技术的保水开采取得了长足进展，产生了良好的社会和经济效益，今后这方面研究还应进一步加强和拓宽，特别是将探测、监测与治理技术同步发展，确保高水压及复杂水文地质条件下安全生产。,9）深部保水开采研究,10）开辟新的思路和研究可行的技术途径，变热害为地下热能源利用等的多资源研究开发利用思路。,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,综合治理,从而建立起有效的防治技术体系.,11）加大科技创新的力度，解决关键技术难题，采用先进的技术和装备，降低和防范深部开采带来的安全风险。,矿山进入深部开采后，地质力学环境更加复杂，巷道围岩的稳定性是突出问题。,国内研究松动圈理论、大弧板理论、联合支护理论,其实矿山岩体进入非线性大变形阶段的塑性力学过程,研究例子,夹河煤矿深部开采时，回采巷道围岩同时出现破碎、松软、风化严重、粘土矿物变化等不利现象，顶板岩层为岩性较差的复合顶板。由于深部开采，自重应力大，构造应力明显，加上采动压力的影响等因素，采用简单的锚网索支护技术仍然出现围岩变形大、支护体破坏严重等非线性大变形破坏的现象。,巷道压力的治理,该矿与科研院所联合研究了锚网索耦合支护技术，针对这样的深部软岩巷道围岩，通过锚网围岩以及锚索围岩关键部位的耦合技术使支架与围岩的变形协调。从而限制有害变形损伤，实现支护一体化、载荷均匀化，达到巷道稳定的效果。,耦合支护的基本特征围岩与支护体在强度、刚度、结构上的耦合。,强度耦合支护与围岩的强度耦合时，充分释放膨胀能，防止非均匀的载荷作用在等强的支护体上而形成局部过载，产生局部破坏导致支护系统的破坏。,刚度耦合支护体与围岩的刚度实现耦合既防止支护体刚度小于围岩刚度而引起围岩变形过量，岩体强度降低，支护体载荷加重而导致支护体破坏；又防止支护体刚度比围岩刚度大引起的围岩膨胀性能量局部的聚集，导致局部载荷过大而发生支护体的破坏。,结构变形耦合是支护体与围岩结构变形的耦合，加强对围岩中结构面（岩体中的软弱夹层、层理面、断层面、节理面等）不连续变形部位的支护，让支护体产生均匀变形，防止支护体局部发生破坏。,锚网索耦合支护非线性设计方法以软岩非线性大变形力学设计理论为基础，首先进行地质力学评估，确定软岩类型及变形力学机制，采用耦合对策设计、耦合过程设计、耦合支护参数设计以及反馈设计，最终确定的支护方案。,耦合支护参数巷道断面只破伪顶的梯形巷道断面宽4.3M高2.65M，予留100mm的变形空间。锚杆锚索参数顶板用22mm2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆,配套使用120mm120mm10mm蝶型托盘及快速安装防松螺母.两帮用22mm2200mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆.顶和帮的锚杆间距700mm700mm,锚索直径18.9mm,长度7300mm,2-1-2布置,间距1200mm排距1400mm,钢筋梯梁和网钢筋梯梁直径12mm圆钢,宽度70mm.采用刚度大的直径6mm焊接钢筋平网,网孔70mm70mm.,底角锚杆,底角锚杆18mm直径2米长的左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆,与水平成45度倾角,打在巷道底角,每排各打4根.间距500mm,排距700mm.,巷道底角锚杆可以减小底角处的应力集中,使集中应力象深部转移,并切断来自两帮的重力滑移线场,从而防底鼓.,