矿井深部开采面临的主要问题及对策.pdf

2 0 1 0年第 7 期 煤炭 工程 矿井深部开采面临的主要问题及对策 赵 辉 ，熊祖强，王 文 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作4 5 4 0 摘要 文章介 绍了河南省煤炭资源赋存状 况、矿 井深部 开采情况 ，结合各矿 区的特点，分 析 了深部开采过程 中遇到的高地压、 高地温、高瓦斯、高水压及冲击地压等主要 问题。并针对河 南省矿 井深部开采所面临问题的共性和特殊性 ，提 出了解决河南省深部开采 问题的建议及对策。 关键词 深部开采 ；冲击地压 ；煤与 瓦斯 突出 中图分类号 T D 8 2 9 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 7 0 1 1 _ 3 煤炭是河南省的基础产业和支柱产业，为河南的经济发 展做出了重大贡献。目前 ，随着开采强度的不断加大，河南 省的大部分矿井逐渐进入深部开采，不仅提高了采矿成本， 而且采矿环境变的更加恶化，给煤矿生产和安全带来极大问 题，如地压大、地温高、突水、瓦斯大、冲击地压等。因 此，如何解决深部开采带来的一系列问题值得研究。 1 河南省矿井深部开采现状 在河南省一次能源消费总量构成中，煤炭 占7 0 ％以上。 目前已形成以平顶山、义马、郑州 、焦作、鹤壁、永城六 大国有重点煤炭企业为主体，地方国有煤矿、乡镇集体和 个体煤矿共同开发 的格局。截至 2 0 0 5年底，河南省垂深 2 0 0 0 m以内煤炭资源总量为 1 1 2 7 2 3 Mt ，其中保有资源储量 2 4 4 2 5 Mt ，且有近 9 0 ％的资源赋存深度超过 1 0 0 0 m，大部分 预测储量的埋藏较深⋯ 。而且开采深度以 8～1 2 r n ／ a的速度 增加 ，由此带来的高地压、高地温、高瓦斯、高水压和开 采扰动等问题突出。 平顶山矿区现有垂深大于 8 0 0 m的采掘工作面 3 6个 ， 采深以2 0 2 5 m ／ a的速度增加 ，随着时间的推移，出现了 高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性 的复杂现象， 突出的危险性增大。 焦作 、鹤壁等矿区浅部资源基 本开采殆尽 ，所剩 区域 大 多埋藏较深，标高都在 一 6 0 0～1 5 0 0 m之间，在 “ 临界深度” 以下。煤层底板承受的奥灰水压持续升高，突水机率增加； 义马、荥巩等矿区逐渐进入深部开采区，如跃进矿采深已超 过 1 0 0 0 m，多次发生冲击地压，动力现象频繁；永城、郑州 等矿区目前逐渐转入 6 0 0 m以下的采深，随着采深的增加， 将遇到冲击地压、煤与瓦斯突出等复杂问题。 2 深部开采面临的主要问题 2 ． 1 冲击地压频率和强度增加 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 ，严重威胁着矿井的正常生产、 设备财产以及人身安全 J 。如平煤十二矿三水平胶带下山 埋深 1 1 0 0 m，仅在 2 0 0 5年 3月 ，冲击地压累计发生了7 O余 次，给人员和设备带来 了极大的安全隐患。而且，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 害的预测及防治变的更为复杂和困难。 2 ． 2煤 与 瓦斯 突 出危 险性 增加 随着采深的增加，地应力增大 ，瓦斯含量和瓦斯压力 迅速增加 ，致使煤与瓦斯突出矿井数量增多。近年来，由 于瓦斯爆炸引起的死亡 1 0人 以上的事故 7 0 ％出现在采深 6 0 0 m以下的矿井。如平煤 己组煤层 瓦斯含量在 一8 0 0 m为 3 0 m ／ t ，瓦斯压力为 2 ． 5 5 MP a ，瓦斯压力及涌出量增加显 著，严重威胁矿井安全生产。 在深部高应力作用下，煤岩体中积聚了大量的瓦斯气 体能量，受工程扰动，压缩气体急剧释放，导致围岩结构 瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出 。深部开采的突出矿井数 不断增加 ，如平煤从 1 9 8 9年以来 ，随着采深增加 ，十二 矿、八矿、十矿先后上升为煤与瓦斯突出矿井。 2 ． 3采 场矿 压 显现 强烈 ，巷 道 围岩 变形量 大 随着采深的增加 ，采场矿压显现强烈 ，表现为围岩剧 烈变形、巷道和采场失稳，并发生破坏性 的冲击地压 ，加 大了顶板管理难度 ，增加 了支护成本。据煤炭行业相关资 料 ，近 1 0年巷道支护成本增加了 1 ． 4倍，巷道翻修量占整 个巷道掘进量的4 0 ％，这些特征在各矿区表现明显，如在 平煤八矿 一8 0 0 m最大主应力为 2 9 ． 7 MP a ，导致巷道掘进过 程中冒顶片帮机率和规模增大，巷道支护后支架变形迅速； 煤巷从 一 5 0 0 m开始 ，埋深每增加 1 0 0 m，巷道变形速度 和 变形量平均增加 2 0 ％ ～3 0 ％左右； ～1 k m时的巷道失修率 约是 一 5 0 0～～6 0 o m时的 3～1 5倍 J ，底鼓成为巷道失稳 收稿 日期 2 0 0 91 22 8 作者简介 赵辉 1 9 8 5一 ，男 ，安徽淮北人，2 0 0 8年毕业于安徽农业大学，现从事矿山压力及其控制方面的研究 。 1 1 煤炭工程 2 0 1 0年第7期 破坏的主要形式，如某矿掘进埋深 1 ． 1 k m的煤巷时，底鼓 速度达到0 ． 8 m ／ d ；深部回采巷道，经常需要前掘后修和重 复返修，且深部围岩破坏前兆不明显 ，致使围岩破坏预测 预报困难。 2 ． 4突水事故趋于严重 河南省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～ 6 MP a ，水量充沛。如义煤生产矿井采 区工作面煤层承受的底板水压普遍在2 ． O MP a以上，突水系 数大于0 ． 0 6 MP a ／ m，底板灰岩突水灾害曾多次发生；郑煤 所属主要矿井向奥灰水位标高为 1 2 5～1 5 0 m；焦煤赵固 煤矿水压高达6 MP a ，突水威胁性大 J 。 2 ． 5地温升高，作业环境恶化 在常温带 以下，岩层的温度将 以 3 ℃／ 1 0 0 m的梯度上 升，而深部开采时，岩层温度将达到摄 氏几十度 的高温。 如平煤五矿采深 8 0 09 0 0 m岩温达到 3 4 ． 5 C，平均地温梯 度 3 ． 7 C ／ 1 0 0 m，采掘工作面气温全年都超过 2 8 ℃ ，夏季一 般为3 1 3 4 C，个别高达 3 5 C。地温升高严重影响矿井的 正常生产和工人的身体健康。 3 深部开采的应对措施 3 ． 1 深部开采冲击地压控制 1 加强预测预报工作 ，可用地音监测法、矿压监测法 预测冲击危险时间；用钻屑法、钻孔应力法监测预报冲击 危险位置；用微震监测法确定记录冲击地压诸参数，实行 综合预报。 2 煤岩体应力集中是产生冲击地压的重要原因，应尽 量避免高应力集中区的形成，合理布置巷道和优化开采程 序。开采时防止形成孤岛煤柱和工作面相 向回采，推广无 煤柱护巷技术及跨上下山回采；巷道布置在稳定的岩层内 或采空区下，巷道方向尽量与最大主应力方向一致，还要 避免相邻巷道的相互影响而造成应力叠加。 3 采取预卸压措施，可在高应力区打孔径 8 9 mm或 1 0 8 m m、孔深 l O m的深孔爆破，释放应力 ；煤体或顶板钻 孔注水，增加煤体或顶板的可塑性，改善煤体应力分布状 态，一般孔深 3 0～5 0 m，孔距为 2 0 m，可采用分段分时注 水，在开采前3个月进行注水。 4 支护方式应侧重主动支护和 “ 让压”功能，如顺 槽可采用锚网联合支护方式，形成抗压圈以增加巷道抗冲 击地压能力；遇构造时采用可缩性支架加强支护，以缓解 和释放应力。 3 ． 2 瓦斯治理和煤与瓦斯 突出防治 1 瓦斯治理。以抽放为住，采取边抽边掘、煤层顶 底 板岩巷穿层抽采、高位钻孔瓦斯抽采、地面钻井预抽 煤层瓦斯和千米钻机钻孔抽采等多种抽放方式 ，执行 “ 先 抽后掘，先抽后采”的原则；采用煤层压裂、松动爆破、 水力冲孔、水力扩孔和水力割缝等煤层增透技术提高抽采 1 2 效果 ；优化通风系统、改善回采工艺，减少采空区瓦斯 向 采面涌出；倡导煤与瓦斯共采 ，积极开发利用煤层气。 2 突出防治。坚持 “ 区域防突措施先行、局部防突措 施补充”的原则；实行开采保护层同时抽采被保护层瓦斯， 无保护层开采时，强化预抽煤层瓦斯；实施超前排放钻孔、 松动爆破、水力冲孔、水力疏松和水力掏槽等局部防突措 施；研发能液化或稀释且瓦斯产生反应的物质 ，注入煤体 以降低瓦斯威胁；重视预测工作，可运用突出预报仪测定 突出危险陛参数，利用煤层钻屑量指标来预测突出危险程 度；研究瓦斯地质及深井 突出的机理和条件，提出对策， 防治结合。 3 ． 3 深部开采围岩控制 1 深部开采靠加大煤柱宽度来保持巷道稳定是困难 的，合理巷道布置，改革开采程序，使巷道尽可能避开动 压影响及应力集中区。巷道尽量布置在采空区下或岩体强 度较高的煤层底板 中，避开应力集中区；优化开采程序， 防止形成孤岛煤柱和相向回采；实行跨采区上下山开采和 无煤柱护巷技术 。 2 优化巷道设计，适当扩大巷道断面 ，断面形状要适 应地应力分布特点，以扁椭圆形、带反拱马蹄形、带反拱 矮墙半圆拱形或圆形为主。 3 可采用预应力树脂锚杆为主的锚网喷支护，如可采 用 I 2 22 5 0 0 m m的左旋螺纹超高强锚杆 B HR B 6 0 0钢 ， 初锚力为 8 0 k N_ 6 J ，并对两帮及底板加强支护、注浆加固， 提高两帮及底角破碎区围岩的强度和锚 固力 ，控制围岩变 形 ；加强临时支护 ，及时封闭围岩，防止 冒顶和风化，待 围岩充分卸压稳定后适时进行二次支护，并加强支护质量 的监 控- ， 。 3 ． 4深部 地温 治理 1 传统降温技术。除利用通风降温和人工机械制冷降 温技术之外 ，可采用巷道隔热材料降温技术隔绝高温围岩 ； 加强个体防护，条件允许可穿冷却服；疏放热水，改明水 沟为暗水沟以控制管道热；煤层注水预冷煤体，冷却回采 工作面周围的岩体。 2 现代降温技术。利用深井 H E MS降温系统提取出矿 井涌水的冷量与工作面高温空气进行换热降温；利用矿井 压气蒸发冷却技术 ，通过水分的蒸发吸热，实现降温；压 缩空气制冷技术，通过压缩空气在膨胀减压的过程中，降 低空气温度吸收环境热量；还可采用热管降温技术、热 一 电一乙二醇降温冷却技术，瓦斯发电制冷降温及通过空气 透平膨胀机膨胀降温 等技术。 3 ． 5深部 突水 治理 做好矿井地质 、水文地质勘查与观测工作，全面掌握 矿井充水条件 ，坚持先探后掘的防治水原则；阻断水路、 隔绝水源 ，井下设置防水闸门、防水墙等防水设施，采用 注浆堵水，对于井下渗水、淋水、透水、突水等地段进行 防、排、堵、躲、截和减压疏降等方法进行防治水；预先排 2 0 1 0年第 7期 煤炭 工程 热气溶胶预制灭火系统 的设计与应用 黄君来 中煤 国际工程设计研究总院 北京华宇工程有限公司 ，北京1 1 2 0 摘 要简述 了热气溶胶灭 火剂的发展经历 ，阐述 了热 气溶胶 灭火剂的灭 火机理、分类 ，并 对几种常用气体灭火剂的灭火性能指标进行了对比，系统地描述了热气溶胶预制灭火系统的设计 适用范围、构成、控制方式及灭火剂设计用量的计算等，指出了热气溶胶灭火技术在煤矿中应用 的前景 。 关键 词 热 气溶胶 灭 火剂 ；热 气溶胶 灭 火发 生 剂 ；灭 火机 理 ；热 气溶胶预 制 灭 火 系统 中图分类号 T D 7 5 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 O 7 _ O 1 3 _ 3 热气溶胶灭火剂作为一种气体灭火技术起步较晚，它 始于2 0世纪 6 0年代 ，是 由我国消防科研人员经过长期的 实践摸索，研制开发出具有自主知识产权的哈龙替代产品， 其具有灭火效率高、环保、维护管理简单、综合费用低等 优点。目前在信息行业的通信基站、数据交换机房、通信 机房，在电力行业的电缆廊道、电缆沟以及重要变电、开 关设备、控制设备场所等得以广泛应用。 1 热气溶胶灭火剂 1 ． 1 热 气溶胶 灭 火剂 的灭 火机 理 热气溶胶灭火剂是由热气溶胶灭火发生剂经过氧化还 原反应而生成的一种具有灭火性质的气溶胶体，其灭火机 理为冷却降温和化学抑制燃烧。一方面气溶胶中的高度分 散而细小的固体微粒在火场 中易于热熔、气化、分解，从 而吸收了火场的热量，使火场得以冷却降温抑制火灾的发 生；另一方面固体微粒对活性燃烧 自由基的高效吸收与中 和，消耗掉了大量的活性燃烧 自由基，使燃烧链式反应 中 断，抑制了燃烧的发生，起到化学抑制作用。 热气溶胶灭火发生剂一般是由氧化剂、还原剂、粘合 剂 ，燃速调节剂等物质构成的固体混合药剂。该 固体混合 药剂在启动电流或热引发下 ，经过燃烧反应 ，生成了以固 体微粒为分散质，以气体为分散介质具有灭火性质的胶体 体系，即热气溶胶。其固体微粒的主要成分是金属氧化物、 碳酸盐等 ，约占组成的4 0 ％ ，气体主要成分是 N ， 、C O ，和 水，疏干降压 ，在采掘前将危险水源排出，降低含水层或 老空区的水压 ，减少发生突水的可能性 J 。 4结语 深部开采问题是河南省 当前和今后面临的重要问题 ， 影响河南省经济的发展，须加以重视。该 问题 的解决 ，既 要充分重视、发展现有的研究成果 ，发挥现有的科学技术， 同时要学习和发展新 的理论 ，引入新的思维和研究方法， 加大科技创新力度 ，吸收和消化国内外先进技术和经验， 采用先进的技术装备，不断改进和优化生产工艺 ，从而实 现深部矿井安全、高效、低成本开采。 参考 文献 [ 1 ] 魏锦平，李化敏，等．河南省煤炭深部开采展望[ c ] ． 2 0 0 6 年促进 中部 崛起 专家论坛文集 ，2 0 0 6 ． [ 2 ] 侯玮 ，等 ．深部开 采冲击 地压发 生条 件及 预测 和防治 [ J ] ． 河北工程大学学 报 ，2 0 0 8 ，2 6 6 5～ 6 9 ． 朱刘娟，等 ．煤矿深部开采存在的问题及对策探讨[ J ] ．煤 炭技术 ，2 0 0 7，6 6 1 4 61 4 8 ． 谢和平 ．2 1 世纪 高新 技术与我 国矿业 的发展与展望 [ J ] ． 中 国矿业 ，2 0 0 2，1 1 1 1 5～2 2 ． 李化敏，付凯 ． 煤矿深部开采面l临的主要技术问题及对策 [ J ] ．采矿 与安全 工程学报 ，2 0 0 6，4 1 2 4 6 8～ 4 5 1 ． 张华 ，等．深部岩巷稳定性控制方法及实例研究 [ J ] ．岩石 力学 与工程学报 ，2 0 0 8， 9 ． 陈炎 光 ，陆士 良 ．中国煤 矿巷道围岩控制 [ M] ．徐州 中国 矿业大 学出版社 ，1 9 9 4 ． 刘锡 明，等 ．浅谈煤 矿高温热害防治技术 [ J ] ．煤 ，2 0 0 9，8 1 3 3 5～ 3 9 ． 李 金 凯 ．矿 井 岩 溶 水 防 治 [ M] ．北 京 煤 炭 工业 出 版 社 ，1 9 9 0 ． 责任编辑李泽荃 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 4 作者简介黄君来 1 9 6 5一 ，男，陕西咸阳人，高级工程师，注册设备工程师，注册监理工程师，现在中煤 国际工程 设计研究总院 北京华宇工程有限公司 从事给排水设计工作 。 1 3 ] j I ] _寸l