深部开采及其理论研究的现状和方向.pdf

第 2 4卷第 3期 2 0 0 4年 9月 山 西煤炭 S H NXI C AL Vo 1 ． 2 4 No ． 3 S e p ． 2 0 0 4 技术 研究 文 章 编 号 1 6 7 2 5 0 5 0 2 0 0 4 0 3 0 0 1 3 0 4 深部开采及其理论研究的现状和方向 柴肇云， 康天合 太原理工大学采煤工艺研 究所， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 基 于 国 内 外 大 量 而 广 泛 的 深部 开 采技 术 实践 与研 究 ， 全 面 概 括 分 析 了深 部 开 采 与 理 论 研 究 的 现 状 ， 指 出必 须 深 入 了解 深 部 岩 体 所 处 的 多场 、 多相 耦 合 环 境 才 能 有 效 研 究 和 解 决 深 部 开 采 存 在 的 关 键 问 题 。 关 键 词 深 部 开 采 ； 岩 爆 ； 高地 温 ； 渗 透 压 中 图 分 类 号 TD8 21 文 献 标 识 码 A 随着社会与经济发展需求的 日益增长和矿山工 程技术体系的进步和完善 ， 资源开采不断向深部发 展。然而用浅部开采条件下的地质作用特征和矿压 显现规律来推断深部开采地质状况， 无疑远远不够 且蕴含着极大的风险。因此 ， 应对深部高应力条件 下的资源开采与地下工程进行统一的 、 三维的 、 系统 的多元研究， 以揭示其中一系列基本规律 ， 提出新的 研究思路去研究和解决深部开采所面临的的难题和 发展 中的 问题 。 1 国外深部开采与理论研究发展现状 就 目前而言， 国外深部开采有较大的发展 ， 据不 完全统计 ， 国外开采深度超千米的金属矿山有 8 0多 座， 其中南非最多， 南非绝大多数金矿的开采水平都 在 1 0 0 0 m以下， 其中 A n g lo g o l d 有限公司的西部深 水平金矿， 采深达 3 7 0 0 m， We s t Dr ie f o v t e n金矿， 矿 体赋存地 下 6 0 0 m， 并一 直延伸 到 6 0 0 0 m 以下 。 俄罗斯的克里沃罗格铁矿区， 已有捷尔任斯基 、 基洛 夫 、 共产国际等 8座矿山采准深度达 9 1 0 IT I 开拓深 度到 l 5 7 0 m， 将来要达到 2 0 0 0 m～2 5 0 0 1T I ， 另外前 苏联、 英国 、 德国、 波兰、 澳大利亚的不少煤矿采深也 超 过 1 0 0 0 m。 1 ． 1 深部开采高应力引发岩爆机理及其预测研究 自从 1 7 3 8年在英国南史塔夫煤 田的莱 比锡煤 矿首次发生岩爆以来， 采矿界和岩体工程界的专家 、 学者对岩爆进行 了 2 6 0 a的研究， 对岩爆的发生机 理一般认为， 岩体的突然动力破坏 ， 导致岩爆和采矿 工作区的损伤有两种机理 采场工作面附近的“ 挤压 型” 事件和发生在软弱结构面上 的“ 剪切型” 事件。 任一事件的发生 ， 使过应力岩体必然出现不稳定平 衡状态 ， 导致岩石的突然破坏 ， 产生迅速应力降和矿 震事件。产生矿震的一个可能的原因就是因抵抗运 动受载岩体粗糙性的时效软化使采矿诱发的应力增 强。断层面上破坏的一种原因可以理解为 在一定 的围岩刚度下， 受正应力作用的断层产生滑移， 断层 的剪切强度降低 。如果刚度大 ， 控制滑移产生。如 果刚度小， 则系统处于不稳定状态 ， 滑移突然发生， 释放矿震能量。近几十年来， 国外学者在对岩爆形 成的机理方面的研究偏重于应力和能量。提出了多 种假设和判据 ， 主要有 以下几类 a ． 挪威的 R u e n e s 在 1 9 7 4年提出了岩爆烈度 分级方案 ， 并应用有限元法和 Kir s c h方程计算硐室 壁最大切向应力 G O ， 利用 G O 及其岩样点载荷强 度 值， 绘制出岩爆烈度与硐壁 和 的关 系 图， 用于预测岩爆 和判定岩爆等级 ， 把 换算成岩 石单轴抗压强度 tT c O 根据 R u s s e n e s 图可得 0 ． 2 ， 无岩爆； 0 ． 2≤ a o ／ c r 0 ． 3 ， 弱 岩爆 ； 0 ． 3≤ ／ 0 ． 5 5 ， 中岩爆 ； D 口 ／ D ≥ 0 ． 5 5 ， 强岩爆 。 b ． 前苏联的 T u r c h a n i n o v 根据科拉半 岛希宾地 区的矿井建设 经验 ， 提 出了岩爆 活 动性 由硐 室切 向 收稿 日期 2 0 0 4 0 4 1 2 作者简介 柴肇云 1 9 7 8 ， 男 ， 山西晋城人， 在读硕士， 研究方向 深部开采。 维普资讯 1 4 山西煤炭 第 2 4卷 应力0 “0 和轴向应力 0 “1 的和与单轴抗压强度 0 “c 之比确 定 。 0 o 1 ≤ 0． 3， 无岩爆 ； 0． 3 o 。 - I- o 1 ≤ 0 ． 5， 有岩爆 可能 ； 0 ． 5 0 ． 8， 有严重岩爆 。 c ． Ho c k 等人总结 了南非采矿巷道围岩破坏 的 观测结 果 ， 提 出了对岩爆 分级的判别式 0． 3 4 ， 少量 片帮 ； 0 ． 4 2 ， 严重片帮 ； 0 ． 5 6 ， 需重型支护 ； 0． 7 0 ， 严重岩爆 。 d ． 波兰学者 K i d y b in s k i 认为 ， 岩石 中积累的弹 性应变能是岩爆发生的内部主导因素。提出将岩石 试 件加载到 0 ． 7～ 0 ． 8 Rb ， 然后再卸 载到 0 ． 0 5 Rb 时， 卸载所释放的弹性应变能 S P 与耗损的弹性应 变能 S ，r 之比值 ， 定义为弹性能量指数 WE T ， 用于 判断和预测岩爆。 WE T s P ／ 盯 弹性能量指数也 称为冲击倾向指数 ， 其值越大 ， 破坏时释放的能量越 大 ， 因此它能较好地反映岩爆 的存在 ， 波兰 国家标 准 WF T 2 ． 0 ， 无岩爆 ； 2 ． 0≤ Wf 『 r 5 ． 0 ， 出现 中 、 低烈度 岩爆 ； W F T≥ 5 ． 0， 严重岩爆 。 1 ． 2 深部开采高地温 及其研 究 随着采深的增加， 地温呈增加趋势。地温值 的 大小受埋深 、 地下水 流动 、 地层 岩性 、 地 质构造 、 近期 岩浆活动等因素影响 ， 一般认为 ， 在地壳浅部理想状 态下， 地温随采深的增加呈线性变化。可用 以下公 式表述 T T0- I- h g r a d T 。 1 式中 T 巷道的埋深为 h处的地温值 ； rr n 地表地温值 ； g r a d T 地温梯度 。 英国诺丁汉大学 I a n S ． L o w n d e s 等人 ， 综合考 虑深部岩体的初始温度及其地层 、 水 、 采掘机械和通 风气流之间的热交换 ， 提 出在英 国煤矿深井建立通 风冷却系统 ， 采取快速掘进方式。 2 国内深部开采与理论研究发展现状 我国煤矿资源埋深在 1 0 0 0 IT I 以下的为 2 9 5 0 0 万亿 t ， 占煤炭资源总量的 5 3％。 目前煤矿开采深度 以每年 8 1T I ～ 1 2 1T I 的速度增加 ， 东部矿井以每 1 0 a 1 0 0 1T I ～2 5 0 1T I 的速度发展， 预计在未来 2 0 a 很多煤 矿将进入 1 0 0 0 IT I ～ I 5 0 0 1T I 的深度。 在我国， 一批煤 矿近年已进入深部开采， 例如新汶孙村矿为 1 0 5 5 1T I ， 北票冠山矿为 1 0 5 9 1T I ， 沈阳采屯矿为 1 1 9 7 1T I ， 长广煤 矿为 1 0 0 0 IT I ， 开滦赵各庄矿为 1 1 5 9 n -i ， 徐州张小楼矿 为 1 1 0 0 r n 。 2 ． 1 岩爆 机理及其预测研 究 一 般认为 ， 岩爆是 由开采过程诱发并伴随有微 震活动性和弹性能猛烈释放的岩体结构 的过程。 国 内在对公认深部开采诱发岩爆的研究基础之上 ， 提 出 以下假设 和判据 。 a ． 我国的陆家佑教授认为通常岩爆发生在致 密的硬岩 ， 影响岩爆 的最主要岩性是单轴抗压强度 和单轴抗拉强度 ， 当 G o ／ a 满足下式时发生岩爆 a o ／ a ≥ K 。 2 式中 o 。 单轴抗压强度， M．V a ； 单轴抗拉强度 ， M P a ； K 参数选取与岩石的单轴抗拉强度和单 轴抗压强度之比 G O ／ a 有关。 b ． 侯发亮教授在 1 9 8 9年提出岩爆临界深度判 据 ， 认为岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地 区， 但如果巷道埋深较大， 即使没有构造应力， 由于 上覆岩体效应 ， 巷道也可能会发生岩爆。侯发亮教 授根据弹性力学推导出仅考虑上覆岩体 自重情况下 发生岩爆的最小埋深 H 岩爆临界深的计算公 式 H 0 ． 3 1 8 Rb 1一／ 1 ／ 3～4 r。 3 式 中 H 岩爆最小埋 深 ， m； 岩石泊松比； r岩石重度 ， N 。 近年来一些现代最新的科学技术方法也被应用 到岩爆预测工作中来 王元汉等人采用模糊数学综 合评判方法来预测岩爆 ， 胡名标等人提出了多因素 综合模糊数学综合评判方法并且给出了解决各因素 的权重分配的数学方法 ； 冯夏庭 、 杨涛等人提出了使 用自适应模式识别方法 ， 利用人工神经 网络来预测 岩爆 ； 杨莹春等人尝试采用可拓学的综合评判方法 预测岩爆酌发生与否和烈度的大小； 贾明寿等人应 用系统论 ， 按照从定性到定量 的综合集成方法预测 岩爆 。 2 ． 2 深部开采的高地温引发热害的研究 我 国中部和北部地 区， 大部分高温矿井 约 占 9 0％ 是由于开采深度大， 岩温高所致。如徐州三 河尖矿采深 7 3 6 m， 岩温 3 7 ℃ ， 北票台吉矿采深 8 7 3 维普资讯 第 3 期 柴肇云等 深部开采及其理论研究的现状和方向 1 5 1T I 、 岩温 3 3 ． 4℃ ， 长广 煤炭 公 司七 矿采 深 9 2 0 1 T I ， 岩 温 4 0℃ ， 丰城新 建矿采 深 6 5 0 1T I 、 岩温 4 2℃ 。 但对深部开采高地温的研究较少 ， 主要有辽宁 工程技术大学张树光等人借助于地质学和热力学理 论， 建立热害矿井温度场的数学模型， 研究了巷道内 部温度场随埋深和通风风速的变化规律 ， 认为巷道 温度场对埋深的敏感度要高于风速 ， 温度随埋深的 增加而呈阶段性递增， 控制人 口温度是解决矿井热 害的关键。 西安交通大学郭兴明等人通过分析煤体氧化放 热性、 自 燃蓄热条件和供氧条件与地温的关系， 研究 了地温对煤层 自燃危险性的影响， 认为由于地温的作 用， 增强了煤体 自身的氧化放热性能， 同时改善了自 燃蓄热条件和供氧条件， 增大了煤体的自 燃危险性。 2 ． 3 深部开采高渗透压诱发瓦斯突出的研究 瓦斯 主要是在成煤过程 中产生 的。煤层 瓦斯含 量实 际上 就是 煤化作用 产生的瓦斯量与地质进 程 中 发生的瓦斯逸散量之间的差值 。瓦斯含量与煤层埋 藏深度有极其重要的关系 ， 因为煤化作用的程度与 煤层埋藏深度密切相关 ； 而成岩过程中的瓦斯逸散 量也与深度有关， 煤层埋藏深度增加， 透气性降低 ， 气体穿层逸散就会减少 ， 再加之 随着深度的增加原 岩应力增大， 瓦斯 的压缩量增大 ， 所储存 的势能增 大 因此瓦斯涌出量 和涌出速度与煤层埋藏深度密 切相关 ， 深部高瓦斯矿井更易发生煤和瓦斯突出。 目前国内的研究多集中在瓦斯涌出量的预测方 法和瓦斯抽放方面。 中国地质大学刘新喜等人在分析传统的瓦斯涌 出量预测方法 的基础上 ， 提 出应用灰色 系统 理论 G M 1 ， 1 和 B P人工神经网络预测瓦斯涌出量。 中国矿业大学谢 中明等人通过对煤体孔隙、 裂 隙、 裂缝的解析、 扩散 、 渗流规律及瓦斯三维浓度场 进行分析 ， 认为提高矿井瓦斯抽放及改造低渗透性 煤层应为研究努力的方向。 3 存在的问题及研究方向 3． 1 关于岩爆预测 的研究 几种理论预测方法都是基于不同的岩爆机理而 得出的， 由于影响岩爆发生 的因素多， 机制复杂 ， 目 前提出的各种岩爆机理还不能完全真实地反映岩爆 这一复杂事物的本质规律 ， 每一个预测判据只反映 了某个因素对岩爆 的影响， 预测的精度不能令人满 意 。 从 当前 研究 的现 状来看 ， 岩爆研 究 的发展趋 势 是检测技术在向遥测化发展 ； 研究对象从单一因素 向多种因素发展； 监测系统由单一的分散的监测点 向区域性 自动监测 网发展； 对岩体性态变化和岩爆 的检测 由间断的人工检测 、 预警向着进行智能式的 连续监测、 分析和预报发展。未来的岩爆 预测方法 应能随着挖掘工程进度而及时合理地改变施工方法 以适 应地下硐室 的应力分 布。 3 ． 2 关于防止高地温导致热害的研究 目前对高温矿井主要采取的措施有优化通风路 线 ， 加大通风量 ； 局部或全巷道机械制冷等。但是随 着采深的增加， 不同程度地遇到一些问题， 因而其发 展趋势应是研究一种工程实用的隔热材料 ， 喷射到 巷道表面阻止岩温的辐射 、 传导 ； 研究一种经济实用 的空气冷却工作服进行个体防护 ； 综合考虑各种因 素研制适用于深井的通风冷却系统以便寻求出一种 有效的防止热害的方法。 3 ． 3 关于瓦斯灾 害防治的研究 我国瓦斯灾害防治多集中在瓦斯抽放方面 ， 其 包括本煤层瓦斯抽放 、 利用尾巷排放或抽放上隅角 瓦斯 ， 利用顶板巷或高抽孔抽放瓦斯等。但是 由于 我国煤层的低渗透率和高可塑性 ， 使得沿煤层打钻 孔困难 ， 煤层采前预抽效果较差， 因此要想充分发挥 抽放功能应对煤层渗透性进行深入研究 ， 进一步研 究完善提高煤层渗透率的技术和钻孔技术， 研究井 下煤炭和瓦斯同采技术 以及煤矿瓦斯利用技术， 考 虑深部开采对环境的影响， 须建立高效环保 的开采 技术体系。 总之 ， 深部岩体处于地应力高、 温度高、 渗透压 高以及较强的时间效应， 使深部岩体的组织结构 、 基 本行为特征和工程响应均发生根本性变化， 也是导 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。深部岩体处于多场 、 多相耦合作用之下， 地下水 、 瓦斯、 温度均会对岩体的基本性质和工作响 应带来很大影响。因此深部开采本身的理论和技术 绝不能局限于 目前 的理 念 和技 术水 平 ， 应 当有 超前 的思维 ， 应 发 展新 的开 采 技 术 ， 引发 开 采 技术 的革 命， 并展开对新技术 的原理和理论进行广泛深入的 探索 。 参考文献 【 1 ] 姜繁智， 向晓东等． 国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势[ J ]工业安全与环保， 2 0 0 3 ， 2 9 8 1 9 --2 2 维普资讯 1 6 山西煤炭 第 2 4 卷 [ 2 ] l a n S ． L o w n d e s e t a l ， T h e v e n t i l a t i o n a n d c l im a t e m o d e l i n g o f r a p i d d e v e lo p me n t t u n n e l d r i v a g e s ， T u nne l l in g and U n d e r g r o u n d S r a c eT e c h n o l o g y 2 0 0 4 1 9 1 3 9 ～1 5 0 ． [ 3 ] G a yN． C ．e t a l ， R o c k e n g i n e e r i n g s t r a t e g i e s t o meet p r o d u c t i o n n e e d s o f S o u t hA f r i c an mi n i ng i n d u s t r y t y r t ， T h e j 0 u I 1 o f f h e Sou t h Af ric an I n s t i t u t e o f Mi r l u r g y． Ma y ／ J u n e 1 9 9 5 2 l 1 5～1 3 5． [ 4 ] 贾明涛 ， 潘长 良等． 开放的深井开采复杂巨系统中岩爆灾害研究方法[ J ] ． 中国工程科学 ， 2 0 0 3 ， 5 6 7 4 ～7 8 ． [ 5 ] 郭兴明， 徐精彩等． 地温对煤层自燃危险性的影响研究[ J ] ． 西安交通大学学报 ， 2 0 0 0 ， 3 4 1 1 2 3 --2 6 ． [ 6 ] 孙树光 ， 孙树魁等． 热害矿井巷道温度场分布规律研究 [ J ] ． 中国地质灾害与防治学报 ， 2 0 0 3 ， 1 4 9 9 ～1 1 ． [ 7 ] 刘新喜 ， 唐辉明． 基于开采强度的矿井瓦斯涌出量灰色预测方法[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 1 ， 2 9 5 4 8 --5 0 ． [ 8 ] 刘新喜 ， 木合塔尔扎 日等． 基于神经网络的矿井瓦斯涌出量预测[ J ] ． 安全与环境工程 ， 2 0 0 2 ， 9 3 3 4 ～3 6 ． [ 9 ] 胡千庭 ， 蒋时才等 ． 我国煤炭瓦斯灾害防治对策[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 0 ， 2 7 1 1 ～4 ． [ 1 0 ] 谢 中明， 张玉春等 ． 煤矿瓦斯储运机理研究[ J ] ． 煤炭科技 ， 2 0 0 3 2 1 --2 De e p M i ni n g -- I t s Th e o r e t i c a l Re s e a r c h S t a t u s a n d Re s e a r c h Or i e n t a t i o n CHAI Zh a o y u n，KANG Ti a p h e Mi n g Te c h n o l o g y I n s t i t u t e ， Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f T ech n o l o gy ， Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， Ch i n a Ab s t r a c t b a s e d o n t h e l a r g e a mo u n t o f t e c h n i c a l p r a c t i c e s a n d r e s e a r c h a c t i v i t i e s o n d e e p mi n i n g t e c h n o l o g y c a r r i e d o u t b o t h d o me s t i cal l y a n d i n t e r n a t i o n a l l y，t h i s a r t i c l e s u r mn a r i z e s t h e c u r r e n t s t a t u s o f t h e a p p l i c a t i o n a n d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o n d e e p mi n i n g t e c h n o l o g y．s t r e s s e s t h a t o n l y b y c o mp r e ～ h e n d i n g d e e p r o c k ma s s u n d e r t h e mu l t i 。 f i e l d a n d mu l t i 。 c o u p l i n g e n v i r o n me n t c o u l d t h e ke y p r o b l e m i n d e e p mi ni n g t e c h n o l o g y b e e f f e c t i v e l y s t u d i e d a n d t a c k l e d． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g； r ock b u r s t ； h i g h g r o u n d t e mp e r a t u r e ； p e n e t r a t e p r e s s ． 本 文责任 编辑徐树 文 上接 第 1 2页 场化运作 ， 共与邯郸煤矿设计院、 天 地公司唐山分公司等 1 4家相关科研 、 设计单位签订 技术合同 1 6 份 ， 合同金额 1 0 0 0余万元 ， 完成了矿 井 、 选煤厂 、 综放开采 、 铁路 自动化装车系统设计工 作 ； 引进了综采放顶煤 、 综掘、 巷道锚杆支护 、 瓦斯 自 动监控 、 重介质选煤等一系列国内一流先进技术 。 组织专 门人员对这些技术通过采取 自主学习 、 全员培训 、 团队学 习相结合的方式加快了公司的技 术积累， 同时积极借助国内一批实力雄厚 的高等院 校和科研院所的力量 ， 在推广应用现有科技成果的 过程中创新 ， 在产学研中提高， 进而逐步形成具有 自 主知识产权的新技术 ， 从而实现 由消化吸收应用型 创新到 自主创新再到知识管理的系列深层次转变。 4 建设过 程使公 司实现 了质 的飞跃 ， 初 步形成 了核心竞争力 概括的讲 ， 天地王坡煤业有限公司的核心竞争 力就是以战略管理为指导， 以“ 四大理念” “ 五条工作 原则” 为代表的企业文化做平台， 将公司各种资源有 机组合创新 ， 形成的别的企业无法模拟的、 可为公司 创造持久竞争优势 的竞争力， 这是市场经济竞争发 展的必然选择， 是知识时代的迫切要求 ， 实践证明， 这种初步形成的核心竞争力使公司在 2 0 0 3年之 中 取得了全面建设的极大进步， 也将为公司全面进入 市场经济竞争并取得持续胜利提供力量的源泉。 Pr a c t i c e a n d Co n s i d e r a t i o n o f Hi g h’ p r o d u c t i v e a n d Hi g h’ e f f i c i e n c y M i n e ZHAI W u - s uo S h a n x i Ti a n d i Wa n g p o C o a l mi n i n g L i mi t e d C o mp a n y ， J i n c h e n g S h a n x i 0 4 8 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th r o u g h t h e p r a c t i c e o f S h a n x i Ti a n d i W a n g p o c o a l mi n i n g l i mi t e d c o mp a n y t o c o n s t r u c t a h i g h p r o d u c t i v e a n d hi g h - e f f i c i e n c y mi n e i n s h o r t t i me， a n e w r e f o r m i d ea f o r s t a t e - r u n c o r p o r a t i o n s ． e s p e c i a l l y for mi n e s i s o f f e r e d． Ke y wo r d s h i g h p r od u c t i v e a n d h i g h e f f i c i e n c y； p r a c t i c e ； i n n o v a t i o n 本文责任编辑徐树文 维普资讯