开滦矿区深部开采问题探讨.pdf

2 0 1 3 年第 1 期 中州煤炭 总第 2 0 5期 开滦矿 区深 部开采 问题 探讨 杨 忠东 开滦 集 团 有 限责任公司 ， 河北 唐山0 6 3 0 0 0 摘要 以开滦某矿为例 ， 针对该矿井深部开采 的特 点， 从冲 击地 压 、 煤 与瓦斯突 出、 巷道 围岩变形 、 底板突水 等 方面对深井开采面临 的问题进行深入研 究， 并提 出相 应治理措 施。形成 了深部高 应力条件 下独具特 色 的开 采技 术 。 关键词 深部开采 ； 冲击地压 ； 应变软化 ； 变形机理 ； 断层 中图分 类号 T D 3 2 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 0 1 0 0 2 9 0 3 随着 我 国经济 的高 速 发 展 ， 能 源 需 求 量 持 续 增 大 ， 煤炭 的需 求量 也相 继增 加 。据不 完全 统计 ， 我 国 东部 地 区一些 大 型煤 矿 采 深正 以每 年 1 0～2 5 m 的 速度 递增 。我 国一 般把 采 深大 于等 于 8 0 0 m 的矿 井 称为 深井 。开采 深度 的增 加 ， 不仅 大大 提 高 了开 采 成本 ， 同时矿 井深 部 开 采 成 为 我 国煤 矿 井 工 开 采 面 临 的重 大技术 课 题 之 一 。相 关 数 据 表 明 ， 矿 井 深 部 开采 普遍 存在 高 地 温 、 高 形 变 、 高 冲击 地 压 、 高 涌 水 和 高瓦 斯突 出等 潜 在威 胁 ， 严 重 制 约着 我 国煤 炭 经 济 的可 持续 发展 。 本 文 以 开滦 某 矿 为 例 ， 介 绍 了矿 井 深 部 开采 所 面 临 的一些 问题 以及 相应 的治 理 措施 。该 矿深 部边 界最 深 处标 高 一1 2 0 0 m， 开采 深度 的增加 造 成 巷道 变 形量 大 ， 矿压 控制 、 瓦 斯治 理等 技术 问题 变得 尤 为 突出 ， 制约 着矿 区 战略发 展 。 l 矿井地质构造及 生产条 件 该 矿 井地 质构 造复 杂 ， 其 中以断 层最 为显 著 ， 褶 皱 次 之 ， 对 采 掘 影 响 较 大 。煤 层 走 向 1 2 0 。 ， 煤 层 倾 角 2 5 。～4 0 。 ， 随着 开 采 深 度 的增 加 ， 煤 层 倾 角逐 渐 变小 。该 矿 可 采 煤 层 共 7层 ， 平 均 厚 2 1 ． 9 0 m。煤 层 顶 底板 平 整 ， 全 区 稳 定 ， 仅 个 别 煤 层 局 部 凹 凸 不 平 ， 但 对全 局影 响不 大 。矿 井 的水 文 地 质 条 件 极 其 复杂 ， 奥灰水压大 ， 突水危险性大 ， 断层或断层破碎 带是 最 易发生 底板 奥灰 突 水 的部位 。开 采深 度 的增 加 ， 也 增 加 了断层 突水 的危 险 。 该矿 为 瓦斯 突 出矿 井 ， 十水 平 西翼 9道 半石 门 、 收 稿 日期 2 0 1 21 02 5 作者简介 杨忠 东 1 9 6 4 一 ， 男 ， 河北 东 光人 ， 硕 士 ， 高 级工 程 师 2 0 0 6年毕业于河北理工大学 ， 现任开滦集 团公 司副总经理 。 十一水 平 西翼 7道 半 石 门 、 十二 水 平 西 翼 6道半 石 门 以东及 以下 水平 属 于 突 出危 险 区 ； 其 他 地 点 为无 突出危险区 ， 按 高瓦斯 区域管理。所开采 的煤层均 有 煤 尘 爆 炸 危 险 性 ， 其 爆 炸 指 数 为 3 0 ． 4 7 ％ ～ 5 6． 6 8％ 。 由于矿 井 地 质 构造 较 为 复 杂 ， 煤层 赋 存 条 件 变 化大 ， 该 矿井 所采 用采 煤方 法较 多 ， 如单 一走 向长 壁 采煤 法 、 倾 斜 分层 走 向长壁 采煤 法 、 伪倾斜 柔 性掩 护 支架 采煤 法 等 ， 全 部垮 落法 控制 顶板 。 2 深部 开采面临的主要 问题及应对措施 2 ． 1冲 击地 压 冲 击地 压是 世界 范 围煤矿 开采 中的动力 灾 害之 一 。作 为一 种特 殊 的 矿 山压 力 现 象 ， 冲击 地 压 严 重 威胁 着 矿井 的安 全生 产 。煤岩 体 由于 开挖卸 载 导致 应力高度集 中， 当煤岩体蓄积的能量值达到极限时 ， 为 了释 放 弹性能 ， 煤 和岩 石 以突 然 、 急 剧 、 猛 烈 的形 式 被抛 出 ， 形成 煤 岩 炮 或煤 岩 抛 出或片 帮 。矿 井 标高 在 一 9 0 0～ 一1 0 0 0 m 之 间 发 生 了 近 2 0次 较 大 的煤 炮 、 5 0多次 中小 煤炮 ， 严 重影 响 了安全 生产 。 3 1 3 7工作 面位 于 1 3水 平西 翼 1石 门 1 2煤 层 ， 平 均埋 深 1 1 3 7 m； 煤 厚 9 ． 7 m； 煤 层 倾 角 9 。 ～3 2 。 ， 平 均 2 0 。 ； 煤岩 层 裂 隙 发 育 ， 面 内小 构 造 发 育 ； 属 于 典 型 深部 孤 岛开采 ， 地应 力 集 中 ， 存 在较 大冲 击地压 危险性 。 依 据 3 1 3 7工作 面 区域 情 况 以及 矿井 开 采 历 史 悠久 的现 实情 况 ， 采用 钻屑 法 、 电磁 辐射 相结 合 的监 测方 法 进 行 趋 势 预 测 。采 用 松 动 爆 破 卸 压 技 术 进行 防治 ， 取 得 了 良好 的效 果 ， 保 证 了安 全生 产 。 2 ． 2煤 与瓦斯 突 出 矿井 几 十年 生 产 期 间共 发 生 煤 与 瓦 斯 突 出 2 3 ． 29 2 0 1 3年第 1 期 中 州 煤炭 第 2 0 5期 次 ， 其 中有 记 录 的 1 9次 ， 全 部发 生 在 9煤 层 。9煤 层 煤体孔 隙率 低 ， 渗 透 性差 ， 煤 体 破 碎 ， 顶 板 厚 度 大 且 坚硬 ， 属 于 “ 两 硬 夹 一 软 ” 煤 层 ， 在 构 造 应 力 作 用 下 煤层结 构 发生破 坏 ， 这 些 都 为 瓦斯 的存 在 提 供 了 必 要条 件 。 通 过对 9煤层 1 0水 平 、 1 1水平 、 1 2水平 、 l 3水 平 的监 测 ， 可 以 清 楚 地 了 解 各 水 平 突 出 的 危 险性 图 1 一 图 4 。纵 观 图 1 一 图 4 ， 可 以发 现 l 0水 平 突 出分布 区域 最为广 泛 。 二 测点 图 1 1 0水 平 绝 对 瓦 斯 压 力 曲线 摄 图 2 1 l水 平 绝对 瓦斯 压 力 曲线 测点 图 3 1 2水 平绝 对 瓦 斯 压 力 曲线 二 二 ／ ／ ＼ ＼ ．／／ ＼ ／ - 、 3 0 测点 图 4 1 3水 平 绝 对 瓦斯 压 力 曲线 经过 实时监 测 ， 准确 确 定 了 突 出 区域 。该 区域 以抽 放为 主 ， 同时 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 孑 L 抽 采 等 多 种 抽放 方 式 ， 有 效 抑 制了煤与瓦斯的突出。 2 ． 3巷道 围岩 变形量 大 随开 采深度 增加 ， 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 。 该 矿 1 0水平 以上 的采 区 和 回采巷 道 普 遍 采 用 u型钢 支 护 ， 随着 采 深 增 加 ， 进 入 1 3水 平 一1 1 0 0 m 以后 ， 由于 矿 压增 大 导 致 支 护 变 形 报 废 ， 巷 道 返 修量大， 增加了支护成本。原因为 ①支架不能及时 向 围岩 提供 足够 的 支护 阻 力 ， 支 护 阻 力与 断 面 收 缩 率 成负 指数关 系 图 5 ； ② 支 架 受力 与巷 道 的变形 量 不协 调 图 6 ； ③ 支架独 立作 用 ， 相邻 支 架无 相 互 作用关 系 ； ④ 对底 板没 有进 行必要 的支 护 。 图 5 U 型 钢 支 护 阻 力 和 巷 道 断 面 收 缩 率 曲线 图 6巷 道载 荷分 布 单位 k N 通 过 对巷 道受 力 和 变 形分 析 ， 对 深 部 巷道 的变 形 机理 有 了充 分认 识 。在此 基础上 ， 该 矿采 用锚杆 、 锚 杆 锚索 、 锚 杆 架棚 等一 系列 措施 ， 提高 了岩 体 2 0 1 3年第 1 期 杨 忠东 开滦 矿 区深部 开 采 问题 探 讨 第 2 0 5期 的整体刚度 ， 增强了岩体抵抗变形的能力 ， 改善了岩 体 的整 体性 ， 有效 抑制 了深部 矿井 巷道 的变 形 。 2 ． 4底 板突 水严 重 矿 井 1 4水平 1 2 ， 煤层 底板 一1 2 0 0 m 奥灰 水 压 达 1 1 ． 7 6 MP a ， 主采 的 1 2 ， 煤 层 至底 板奥 灰 的距离 即隔水 层 的厚 度 一 般为 1 0 5～1 4 0 m， 隔水 层 主要 由 中 砂 岩 1 4 ． 2 ％ 、 粉 砂 岩 1 8 ． 8 ％ 、 砂 质 页 岩 4 0 ． 3 ％ 、 石 灰岩 4 ． 7 ％ 和 铝 土页岩 9 ． 2 ％ 等组 成 。隔水层 的最下段 是 铝 土页 岩 ， 厚 约 1 2 m。经过 岩 体破 裂条 件评 价及 阻水 系数 评 价 的双 重 组 合 ， 1 2 煤层 底 板在 “ 正 常完 整 ” 情况 下 ， 底 板 不 会 有 破坏 性 突 水 的危 险 。但 是 l 4水 平 底 板 覆 盖 大 量 裂 隙破 碎 带 ， 而 1 2 ， 煤 层 底 板 岩 层 突 水 类 型 属 于 断 层 采 动 型 ， 这种类 型 的岩 层 由于采 掘 面 的推 移 引 起底 板 和煤 岩体 的移 动 ， 从 而 引发 断层 的相 对位 移 ， 发生滞 后 突水 事 故 。 该 矿 突水 原 因 是在 断 层 附 近 ， 由于充 填 物 强 度 不 够 ， 有较 大 的地 应 力 和构 造 应 力 的作 用 使 岩 体 出 现错 动位 移 ， 从 而发 生 突水 事故 。 以此为 基础 ， 该矿 核准 断层 产状 、 位 置 ， 分 析 断层 带 的富 导 水性 ， 掘 进 巷 道接 近 主要 断层时 ， 必 须超前 探 水 ， 超前 距离 应 为 3 0～ 5 0 m。通过 注浆 封堵 出水 通道 ， 断层 或 断 层 带 内的巷 道采 用砌 喧支 护 ， 并 进 行 巷 道 围岩 注 浆 封 闭 ， 提 高 围岩强 度 及 完 整 性 。 回采 过 程 中 的断 裂 带 采用截流堵水 、 疏水降压 和留设断层防水煤柱 ， 避开 出水 地段 ， 以保证 安全 生产 。 动应 力 变 化 与 工 作 面 推 进 步 距 存 在 “ 有 限 协 同 效 应” ， 即随工作面推进步距的增加， 超前支承压力峰 值 、 影 响范 围 、 峰 值 位 置 距 煤 壁 距 离 都 会 有 相 应 增 加 。在 开采 过程 中 ， 增 加 超前 支护 长度 、 提高 端 头支 护 强度 等措 施 的实施 ， 有 力保 护 了工作 面 的 回采 ， 有 效控 制 了 回采工 作 面的深 井矿 压 。 塞 垂 季 6 4 5 6 4 8 4 O 3 2 2 4 1 6 8 0 8 O 7 2 6 4 5 6 4 8 4 0 3 2 2 4 1 6 8 距煤壁距离／ m 距煤壁距离， m a 1 应力计 b 2 应力计 M 0 n L 一 j 0 L ．． ． ． 7 2 6 4 5 6 4 8 4 O 3 2 2 4 l 6 8 0 6 4 5 6 4 8 4 0 3 2 2 4 1 6 8 0 距煤壁距离／ m 距煤壁距离， m c 3 应力计 d 4 应力计 图 7巷 道 支 承 压 力分 布情 况 4 结 语 开滦 矿 区深部 开采 正 面临着 高应 力 、 冲击 地压 、 巷 道变 形 量大 、 底 板 突水 以及 煤 与 瓦 斯 突 出 等一 系 列 问题 ， 要 实现 深部 矿体 安全 、 高效 、 低 成本 开采 ， 必 须 加大 科 技创 新力 度 ， 以解 决关键 技 术难 题 ， 为深部 矿井 开采 工艺 开辟 一条 崭新 之路 。 3 矿压控 制 参考文献 矿井 l 2水 平 2 3 3 7 E工 作 面东 部为原 生 煤层 ， 西 部 已开 采顶 分层 ， 煤层 顶板 依 次为 5 ． 2 6 m 厚 的黑 色 腐 泥质 黏土 岩 、 1 ． 9 9 m 厚 的深 灰 色 黏 土 岩 、 1 ． 4 6 m 厚 灰色 细砂 岩 、 0 ． 1 5 m厚 的小 煤 线 、 8 m厚 的灰 白色 中砂 岩 及 0 ． 8 8 m厚 的灰 色粉 砂岩 ， 底 板为 灰 色细砂 岩 和灰 色粉 砂岩 。煤 体强 度较 高 值在 2 ． 0以上 。 为 了得 到 lT作 面 回采过 程 中 的超前 应 力 值 ， 在 胶 带运 输巷 距离 工作 面 8 0 n l 处 依 次 安 装 了 4组 5 m深 的 钻孑 L 应 力 计 ， 工作 面 每推 进 2 m记 录 1次 应 力值 ， 得 到 了 随 工 作 面 推 进 的 支 承 压 力 分 布 情 况 图 7 。 分 析 可 知 ， 工 作 面 前 方 最 大 支 承 压 力 约 5 0 MP a ， 距离煤 壁约 1 7 m处 ， 内应 力场最 大值 为 3 2 MP a ， 超前 支 承压力 影 响范 围为 6 0～6 5 m。 矿 井 在 千米 深 井 开 采过 程 中 ， 应 充 分 意 识 到采 [ 1 ] 潘立友 ， 张立俊 ， 刘先贵． 冲击地压预测与 防治实用技术 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]L I H u a m i n ． T h e b a s i c c o n c e p t i o n a n d d i ff e r e n t i a t i n g c r i t e r i o n o f d e e p mi n e[ J ] ． C o l l ie r y D e s i g n s ， 1 9 9 9 1 0 5 - 7 ． [ 3 ] 施青龙 ， 韩进． 底板突水机理及预测预报 [ M] ． 徐州 中国矿业 大 学 出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 丁 自伟 ， 赵志强 ， 高洋 ， 等． 赵各庄矿深 部开采底板 突水特征及 防治技术 [ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 0 1 2 7 2 -7 5 ． 责任 编辑 刘光 雨 31