煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的探讨.pdf

Va l u e Eng i n e e r i n g | | 2 95 煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的探讨 De e p M i ni n g Di s a s t e r a n d Co r r e s po nd i ng M e a s ur e s 梁军成 L i a n g J u n c h e n g ； 刘 美军 L i u Me ij u n 神 华集 团乌海 能 源天荣煤 炭 有限 责任公 司 ， 内蒙 古 7 5 0 3 2 9 S h e n h u a G r o u p Wu h a i E n e r g y T i a n r o n g C o a l C o ． ， L t d ． I I n n e r Mo n g o l i a 7 5 0 3 2 9 ， C h i n a 摘要 随着煤炭资源的开采向深部延伸，部分矿井已经出现或将 出现 高温 、 高突、 高地应力、 高岩溶水压、 高瓦斯等 灾害问题 。结合深部地质 灾害的特点， 本文提出了一些深部开采出现的问题以及应对这些 问题所采取的措施。 Ab s t r a c t W i t h t h e d e e p e x t e n s i o n s o f mi n i n g o f c o al r e s o u r c e s ， p a r t o f m i n e h a s b e e n o r wi l l a p p e a r h i s h t e mp e r a t u r e ， h i g h a x o n ， h i s h g e o s t r e s s ， h i g h k a r s t wa t e r p r e s s u r e ， h i g h g a s ． Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s of d e e p g e o l o g i c al d i s a s t e r s ， t h i s p a p e r p u t s f o r w ard t h e p r o b l e ms i n d e e p mi n i n g a n d me a s u r e s t O de a l wi t h the s e p r o b l e ms ． 关键词 深部开采； 五高； 灾害； 应对措施 Ke y wor ds d e e p mi ni n g ； fi v e” h i g h” ； d i s ast e r s ； me a s u r e s 中图分类号 T D 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 3 l l 2 0 1 2 1 1 - 0 2 9 5 0 2 1 我 国煤矿开采现状 1 ． 1开采深度据预测 ，我国 已探明的煤炭 总储 量中有 6 5 ％以 上 的煤炭埋深在 1 0 0 0 m以下 ， 随着采煤机 械化程度的提高 ， 我国煤 矿 目前正 以每 1 0年 1 0 0 ～ 3 0 0 m 的速 度 向下延深 。预 计在 未来 1 O 年 ， 很多煤矿 的开采深度将达 1 0 0 0 ～ 1 2 0 0 m。 表 1 我国煤矿深部开 采深度的变化趋势 时间 ／ a l 9 8 0 1 9 9 5 2 O o o 2 0 1 - 2 0 2 0 开采深度， m 2 8 8 4 2 8 5 o o 7 0 0 1 2 0 o 1 ． 2高温 地 温是指煤矿井下岩层 的温度。一般情况下 ， 地温随 开采深度的增加 而增加。地温决定着 井下采 掘工作面 的环境温度 ， 即矿井温度。矿 井深度 的变化 ， 使 空气 受到 的压力状态也随之而改 变。当风流沿井巷向下流动时 ， 空气 的压力值 增大， 空气的压缩会 出 现放热 ， 从而使矿井温度升高。 根据测量 ， 越往地下深处， 地温越高 ， 这一指标 由地热梯度来表 现。近地表处的地热梯度则因地而异， 一般 为每 千米 2 O ～ 5 O ℃不等 ， 平均地热梯度是每千米 2 5 ℃，大于 这个数字的为地热梯度 异常 区， 如断层附近或导热率高的异常局部地 区， 地温梯度可高达 2 0 0 C ／ k m 。 地温值大小与所在地 区的大地 热流 量成正比， 与热流所经岩体 的热 导率成反 比。因此， 地热梯度 的区域性 变化 可能来源于热流量 的变 化 ， 也可能来源于近地表岩体 的热导率的变化。总得来看， 在整个地 球内部地温梯度是随深度 的增加逐渐降低， 但岩层温度是随深度 的 增加而增大。 随着矿 井向深部开采， 井下作 业环境条件在逐 步恶化 ， 岩层温 度将达到摄 氏几十度。由于缺乏技术 、 资金等问题 ， 许多矿 井热害治 理 仍然在靠通风、 洒水等简单的物理降温方法进行 降温。 1 ． 3高瓦斯 我 国所有煤矿均 为瓦斯矿井。大中型煤矿 中， 高 瓦 斯矿 井占 2 0 ． 3 4 ％， 突出矿井占 l 9 ． 7 7 ％。小型煤矿 中， 高瓦斯矿井 占 1 5 ％左右 ， 随着开采深度 的不断增加 ， 机械化程度 的不 断提高 ， 开采 强度 的不断增强， 瓦斯涌出量还会进一步增 大。 因此造成 的瓦斯灾 害事故频繁发生。 近年来 ， 由于 瓦斯突出和爆 炸引起 的死亡 1 0人 以 上 的煤矿事故有 7 O ％出现在开采深度 6 0 0 m 以下的矿区。 同时 ， 我 国原始 煤层 瓦斯含量大 ， 瓦斯涌 出强度高 ， 瓦斯压力也随着煤 矿开 采 深度 的增 加而加大 ， 若煤层的原 始透气性差 ， 抽放瓦斯将 更加 困 难。 另一 方面 ， 深部煤层处于较 高的温度环境 下， 更易引起煤层的 自 燃发火 ， 触发矿井火灾和 瓦斯爆炸事故的发生。 1 ． 4高突随着煤矿开采深度的增加， 地压增强 ， 以及煤层瓦斯 压力大、 含量高、 煤质松软、 透气性低 ， 煤层 瓦斯不易在采前抽采 ， 导 致在掘进、 回采过程中瓦斯放散量 大、 放散速度快 ， 再加上开采煤层 地 质条件复杂 ， 发生高强度的煤 与瓦斯突出灾害 日趋严重。 上 个世纪 8 0年代 ， 南桐矿务 局开采深度 2 0 0 6 3 0 m， 平均开采 深度 3 8 0 m， 瓦斯压力 1 ． 5 6 ． O MP a ； 淮南矿务局开采深度 3 4 0 5 7 0 m， 作者简介 梁军成 1 9 8 3 一 ， 男 ， 甘肃泾川人 ， 助理工程 师， 研 究方向为煤炭开 采技术。 平均开采深度 4 9 0 m， 瓦斯压力 1 ． 8 3 ． 6 MP a 。 目前 ， 南桐矿务局开采 深 度 已达 到 6 5 0 1 1 0 0 m，平 均 开 采 深 度 8 7 5 m， 瓦斯 压 力 5 ． 0 1 0 ． O MP a ， 所开采煤层 已大部 分成为强突 出危险煤层 淮南矿业集 团 开采深度增加到 6 0 0 一 l O 0 0 m，平均开采深度达到 8 0 0 m，瓦斯压力 4 ． 2 5 ． 6 M P a ， 现 有 9对生产矿 井全部为煤 与瓦斯突 出矿 井 ， 开采 的 煤层 8 0 ％已升级为突 出煤层 ， 原来无突 出危险的保护层也 已升级 为 突危险煤层。 1 ． 5高水压进入深部 以后 ， 随着地应力及地温升高 ， 同时会伴 随岩层 水压 的升 高。据 实测， 在采深 大于 l O 0 0 m后 ， 其岩溶水 的水 压 高达 7 M P a以上 ， 而且 随着 穿过 的含水层 增多 ， 水量也 会大大增 加 。矿 井岩溶水压的升高和涌水量 的增加 ， 使得矿 井突水灾害 更为 严 重。 1 ． 6高地应力地壳 内各点的应力状态不尽相 同 ，并且应力随 地表以下 深度的增加而线性地增加。进入深部开采以后 ， 仅 重力 引起 的垂直原 岩应力通 常就 超过工程 岩体 的抗 压强度 2 0 MP a ， 而由于工程开挖所 引起 的水平 应力 集中则远大于工程 岩体 的强度 4 0 MP a ， 由此造 成矿 井的高地应力。高地应力会 引起矿 井围岩、 支护变形和破坏 ， 并引起矿 井动力现 象， 是诱发 冲击地压 、 岩爆 、 煤 与瓦斯 突出等事故灾害的主要 因素之一。 据 山东科技大学用原位测 量原理于 2 0 0 7年在 赵楼 煤矿 当时此矿 采深 已达 到 1 0 0 0 m 所作 的 地应力 实测 报告 显示 ， 水平地应 力 已经 达到 3 6 ． 4 MP a ， 并 会随着采 深加大而增大。 2 现状所带来的问题 2 ． 1井下温度升 高、 作 业环境恶化 在 深部 开采 条件 下， 岩层 温 度将达 到摄 氏几十度的高温，如 目前我 国国有重点煤矿 中有 7 0多 处矿 井 的采 掘 工作 面 温度 超过 2 6 ℃，其 中 有 3 O多 处矿 井 超 过 3 0 ℃， 最高达 3 7 ℃， 这些热害 问题突 出的矿井有平项山八矿、 新汶协 庄矿及徐州三河尖矿等。 由于 井下工作面温度升高 ， 造 成井下 工人 身体不适、 注意力 分散、 劳动率减低 ， 甚至无法工作。同时， 井下温度 的升高也缩短 了煤层 自燃发火周期 ， 增大 了煤层 自燃 的危险性。 2 ．2高瓦斯矿 井数量增加瓦斯和水害是造成煤矿重特大 事故 的主要元 凶， 而相 比于透水 ， 瓦斯爆炸时间短、 威力大、 有毒有害气 体 多， 损失更为惨重。 随着煤矿 开采深度增加 ， 我 国煤矿开采深度平 均 每年将增加 1 0至 2 0米 ， 煤矿相 对瓦斯涌出量平均每年增加 1立 方米／ 吨 ， 很 多低 瓦斯矿 井也升级 为高 瓦斯或煤与 瓦斯 突出矿 井 ， 预 计在 未来 1 0年内，我国 的高瓦斯矿井将占到全国煤矿 总数 的二分 之一以上。2 0 o 8年以来 ， 通过政府部 门加强监 管， 强力推进 瓦斯综 合防治各项措施 的落实， 提升企业 装备水平 ， 使煤矿 瓦斯事故逐年 同 比明显下 降。如 2 0 1 0年全国煤矿瓦斯事故起数和 死亡人 数同比 分别下降 7 ． 6 ％和 1 7 ． 5 ％， 其 中， 特 别重大瓦斯事故起数和死亡人数 同比分别下 降 5 O ％和 7 0 ．9 ％。 但是 目前仍有一些煤矿企业 的瓦斯综 合治理技术相 对落后 ， 防治 措施 落实不到位， 使得 瓦斯灾害事故 仍 然 占到煤矿 事故 的 5 3 ． 8 ％以上 ， 并且 由于开 采深度 的增加 ， 也给 事 故救援增加 了难度。 2 9 6 价 值工 程 2 ． 3突出矿 井数 量增加随着我 国煤矿开采深度的增加 ，开采 强度 的不断增大 ， 煤与瓦斯突 出的危 险性也在增加 ， 突 出危 险区域 也在扩大 ， 部分原无突 出危险 的煤矿也开始 出现 动力 现象 ， 部 分不 是突出矿 井的煤矿也不得不按突出煤矿 管理。 据统计， 截止 1 9 9 9年 底 ， 我国大中型煤矿 中共有突 出矿 井 1 0 4处， 而至 2 0 0 8年底 ， 煤与 瓦斯突出矿井 已达到 7 5 4处。随着突 出矿井数量的增 多， 煤与瓦斯 突出事故也呈逐渐增多趋势 ， 而且现 阶段世界上也没有彻底把煤与 瓦斯突 出的机理完 全掌握 ， 同样 的防治措施在 不同的矿 井、 不同的 地质 条件下 ， 取得 的效果也不尽相 同， 使得突出灾害不能彻底杜绝 ， 同时也增加 了矿井生产成本。 2 ． 4透水 突水 事故趋于严重透水 突水 是造成煤矿 重大人 员伤亡和财产损失的主要原 因之一。 自 1 9 8 4年 6月 2日河北开滦 矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害以来 ， 先后在淮 北杨庄矿 、 义马新安矿、 峰峰梧桐 矿、 皖北任楼矿 、 徐州张集矿 又相 继发生特 大型奥灰岩岩溶突水淹井事故 ， 近年来又发生 了内蒙古神 华乌海能源公司骆驼 山煤矿特 大奥 陶纪灰岩层透水事故和 山西华 晋公司王家岭煤矿特大透水 事故。 这些事故都造成 了极大的人员伤 亡和经济损失。 2 ． 5矿压显现剧烈，岩爆频率和强度均 明显增加有关统计 资 料表明 ， 岩爆多发生在强度高、 厚度大 的坚硬岩 煤 层中 ， 主要影 Ⅱ 向 因素 包括煤层 顶底 板条件、 原岩应力 、 埋深、 煤层物理力学特性 、 厚 度及倾角等。目前 的统计资料显示 ， 尽 管在极浅的硬 煤层 中 深度小 于 1 0 0 m， 有的甚至在 3 0 ～ 5 0 m 也有发生 岩爆的记载 ， 但总 的来 看， 岩爆与采深有密切关系 ， 即随着开采深度的增加 ， 岩爆的发生次数、 强度和规模也会随之上升。 随着采深的增加 ， 矿压特征愈发明显 ， 如巷道围岩变形加快、 变 形量增大 ， 巷道周围变形范 围扩大。有些矿井表现为巷道从正常使 用期间维护困难到掘进期间就 困难 ， 并致使有些矿 井巷道刚 掘进 完 成后就废 弃， 即使 未废弃 ， 巷道 的长期维护费用也会造 成企业 的额 外负担。 据煤炭行业 的有关资料表 明， 近 1 0年巷道 支护成本增加 了 l 1 4倍 ， 巷道翻修 量占整个巷道掘进量 的 4 0 ％。另外 ， 浅部围岩在 临 近破坏时往往 出现加速变形的现 象， 工程技术人员常常根据 这一现 象进行破坏之前的预测预报 ， 且浅部围岩 的破坏一般发生在局部范 围内， 而深部 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 ， 从而造 成深部 围岩的破坏往往 是大面积 的， 并具有区域性。如巷道大面积 的冒顶、 垮落、 底鼓等。 3 现有研究相关理论及采取措施 3 ． 1地热 防治针对矿井地温问题 ，一般 降温措施 一是 改变通 风系统， 缩短工作面的入风流 程， 将常用的 U型通风系统改为 Y型 或 W 型 二是在进风巷隔离或减少矿井热源； 三是选择适宜的开采 顺序 ， 如采用采 区掘进前进式、 工作面回采 后退 式， 缩短工作 面距离 等 四是安装矿井空调制冷设备降温。国内第一套集 中式矿井降温 系统是山东菏泽赵楼矿 的井下降温系统 ，该降温系统从德 国引进。 我国在 2 0世纪 7 0年代就 曾研制过压气引射器 和涡流 管制冷 装置。 1 9 9 3年 7月 ，平顶山矿务局科研所和原 中国航空工业总公司联合 研制成 K K L 1 0 1矿用无 氟空气制冷机 ，用于 防治煤矿 井下 地热 问 题。 近年来 ， 矿井空调调节系统渐趋成熟 ， 这是 以后深井防治地热主 要 方向。 3 ． 2瓦斯防治瓦斯防治除通 常采用加大风量、 提高 风速 外 ， 还 有开采上部或下部解放层释放瓦斯 ； 采取抽放 瓦斯措施并 对瓦斯加 以利用 采取煤层注水用以改变煤的物理力学性质 ， 降低瓦斯应力。 对于开采深度较大瓦斯涌出量大 的矿井， 可以改变通常 的 U型 通风系统为 Y型、 Z型及 W 型通风系统 ，除了可以有效 冲淡 瓦斯 、 减小风 速、 避免 瓦斯积 聚、 降低工作面 温度 外 ， 还可 以减 少含 尘量 ， 有利于提高安全生产水平。 针对“ U” 形通风 方式 的弊病 ， 深部开采区导水断水层防水煤柱 合理留设探析 中提出“ J E ” 型混合通风方式并投入使用， 有效解决 了高瓦斯综 放工作面 瓦斯涌 出量较 大和 上隅角 瓦斯积聚 的问题 ， 保证了高产高效工作面 的安全生产。 3 ． 3煤与 斯突出防治目前 ，我国在防治煤与 瓦斯突出方面 ， 主要是按照 防治煤与瓦斯突出规定 中的两个“ 四位一体” 综合防突 措施进行防治 ， 具体 分为区域综合防突措施和局部综合防突措施。 区域防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯两大类。 开 采 保护层 就是首先开采与突 出煤层邻 近而又无突 出危 险或突 出危 险 性较 小的煤层 即保护层 ， 由于采动影 响而 使突出煤层 瓦斯压 力、 瓦斯含量大幅降低 ， 煤层 透气性显著提高 ， 大量高压瓦斯释放 ， 从 而 消除突 出煤层的突出危 险性。 也就是说 ， 先开采无突出危 险的煤层 ， 使其下部突出危险性较高煤层 中的瓦斯 ， 通过采动裂 隙向保护层大 量释放 ， 或者 向临近层施工钻 孔预抽 瓦斯 ， 从而达到开采一层煤、 解 放一层煤 的区域性瓦斯治理的 目的。 开采保护层是迄今 为止防突上 最 有效、 最经济 的区域性措施 ； 瓦斯预 抽就是对煤层 中赋 存的瓦斯 提前进行抽放 ， 使其瓦斯压力和含量降低 ， 以消 除煤层 的突出危 险 性。 按 照工程类别分为地面井抽放、 穿层钻孔预抽和顺层钻孔预抽。 局部综合 防突措施又称为工作面 防突措施 ，主 要包括预抽 瓦 斯 、 钻孔排放 、 水 力冲孔、 金属 骨架、 煤体 固化、 深孔松动爆破等。工 作面防突措施与区域综合防突措施原理基本一致 ， 最大 区别就在于 区域措施 的作用范围更大一些。 3 ． 4突水 透水 防治针对深部开采 突水 透水 问题 ， 首先需 要做 好水文地质基础工作 ， 了解矿井深部 岩层含水层及 其它溶洞含 水情况； 二是采取技术措施进行防治， 按照 煤矿安全规程 规定， 有 留设隔离煤柱、 设 置防水闸门及“ 探、 防、 疏、 排、 截” 等技术措施。 各深井煤矿实施的措施有 ①地面防治水。 做好地面裂隙、 沉陷 区及雨季防水调查 、 检查及回填、 封堵 等工作 ， 防止地面河流 、 洪水 等进入 井下 ， 造成水害事故。 ② 井下探放水。 坚持 “ 有疑必探 ， 先探后 掘” 的探放水原则。在巷道掘进前 ， 必须进行超前探放。充分利用物 探和井下钻探 等手段 ， 分析工作面 项底板 的富水 性 ， 加强矿 井防 治 水的针对性和虿效性。对于接近强含水层的部位， 可以采取边探边 掘边注 浆边掘进的方法 ， 以便顺利通过含水层。对于接 近含水 断层 的部 位， 要首先查清断层的位置、 含水性及导水性 ， 并通过地 面钻 孔 的水位观测及水质 分析 ， 确定其是否会导通 强含水 层 ， 以便及 时采 取相应的防治措施。 ③探放老空水。 工作面开采后， 在某些采空区有 可能造成局部积水 ， 当在其下 方进行掘进施 工时 ， 这些老空积水 有 可能进入 下方工作面 ， 造成突水事故。 因此必须对有突水可能的工 作面进行 探放水工作。 ④ 疏水降压。 对于带压开采的工作面 ， 在开采 前对含水层进行疏 放 ， 将其水压 降低到安 全水压 之下 ， 以达到安 全 开采的要求。 ⑤注浆堵水。 通过此法可以阻断含水层的补给， 减少排 水量 ， 变含水层为隔水层 ， 以增加煤层顶底板 有效保护层的厚 度。 3 ． 5高 地应力 防治高地应 力 的主要结果 是 引起深 井岩爆 灾 害， 在 深部开采岩爆及采空区与地应力关系的研究 中提出的采空 区隔离技 术， 是 对采 空区用钢 筋混凝土结构隔离 有一定高 度和 足 够长度 ， 在 垂直方 向以水平构筑 ， 在水 平方 向以垂直 构筑 ， 那 么采 空区位移范 围 比较 小 ， 可以保持采空区稳定 ， 也可 以使采 空区形成 的应力集 中不会往下传递 ， 从而减少岩爆发生的频率和强度。 高地应力引起另一个结果主要是巷道变形严重。 阜新矿业公司采 取了让压 支护技术 ，该技术主要是采用高强让压锚杆 金属 网 w 型 钢带 锚索进行联合支护 ， 支护后的巷道变形量明显减小， 支护效果明 显， 支护巷道成本低， 同时减少了维修、 翻修的人力、 物力和财力。 4 结论 深层煤矿床赋存规律、开采地质条件与精细探测基础研究 ， 既 是一个重大基础性前瞻科学 问题 ， 又是保证我国煤炭 工业可持续 发 展的现实课题 ， 与 国家经济发展和社 会需求密切相 关。 它对于揭 示 深层煤矿床 的构造应力场、 地温场、 煤层 瓦斯、 深都 岩溶水 的赋存和 运动规律 ， 探讨深层煤矿床动力地质灾 害的机理 ， 发展 煤 田地质 与 勘探理论 ， 保障 未来深部煤炭 资源的安 全高效开发 ， 具有重要 的科 学意义。 参考文献 『 1 1 台东风 ， 刘听成． 煤矿开采深度现状及发展趋势． 煤 ， 1 9 9 7 ，6 6 3 8 4 1 ． 『 2 】 张永平． 矿井深部开采 问题探讨0 噪炭科 技． 2 0 0 3 ， 3 ． 【 3 ] 付建华 ， 程远平． 中国煤矿煤与瓦斯突 出现状 及防治 对策． 采矿与安全 工程学报．2 0 0 7 ， 3 ． f 4 1 朱刘娟， 栗红喜， 陈俊杰． 煤矿深部开采存在的问题及对策探讨． 煤炭 技术 ， 2 0 0 7 ， 2 6 6 1 4 6 1 4 7 ． 『 5 ] 彭苏萍． 深部煤炭 资源赋存规律 与开 发地质评价 研究现状 及今 后发 展趋势． 煤． 2 0 0 8 ， 1 7 ． [ 6 ] 防治煤与瓦斯突出规定 2 o o 9 ． 8 ． 1 ． 『 7 ] 国家煤矿安全监察局网站．