矿井深部开采动力灾害基本特征与现状分析.pdf

64雷 少 华 张 林 马 振 凯矿井深部开采动力灾害基本特征与现状分析 2017 ； 矿井部开米动力灾害基本 特征与现状分析 雷少华， 张 林 ， 马振凯 中 国 矿 业 大 学 安 全 工 程 学 院 ， 江 苏 徐 州221000 摘 要 摘 要 随着浅部资源的枯竭， 我国逐步进入深部开采的阶段， 伴随着深部开采过程， 冲击地压、 瓦 斯、 突水等动力灾害发生的可能性、 频率和强度将显著增加。通过综述矿井深部开采的基本概念， 对深部动力灾害发生特征进行了归纳， 并从技术、 理论等方面探讨了深部动力灾害的防治对策， 提 出需要以基础理论为目标， 创造性地研究出一套可以应用于深部的灾害防治机理和技术方法体系。 关键词关键词 深部开采;概念;动力灾害特征;理论技术现状 中图分类号中图分类号TD322 文献标识码322 文献标识码B 文章编号 1671 -749 文章编号 1671 -749X 2017 06 -0064 -03 2017 06 -0064 -03 Analysis on the basic characteristics and present conditions of dynamic disaster in mine deep mining LEI Shao-liua，ZHANG Lin，MA Zhen-kai School of Safety Engiiwering， China University of Mining characteristics of dynamic disaster； theory and technology status 0引 言 中国作为世界上最大的产煤国，同时也是世界 上最大的煤炭消费国家。随着我国经济的不断发展 能源需求扩大以及浅部煤炭的逐步枯竭，深部开采 将逐步成为主流。从地理分布来看，中国煤炭资源 分布极其不均，呈现西多东少的局面。大兴安岭一 太行山一雪峰山一线以西地区，已发现资源占全国 的8 9 8 9 ，而该线以东仅占全国的1111b [1] [1]。根据第三 次全国煤炭资源预测结果，我国埋深超过1 000 1 000 m 的煤炭资源超过2 2. 8 68 6 万 亿t，占煤炭资源总量的 收稿日期2017 - 03 -09 作者简介雷少华（1995） ， 男 ， 陕西渭南人， 中国矿业大学安全工 程专业在读， 研究方向安全工程。 51. 3451. 34b，其中山东、河南、陕西、江苏、内蒙古、河北、 山西的深部煤炭可占本省6060b 9 0 9 0 。中国超过 800 800 m的深部矿井主要分布在华东、华北和东北地 区，仅山东，河南，河北的深部矿井就占到了全国的 6060b左右。目前，我国煤矿平均采深在500 500 m左右， 并且开采深度以每年8 12 8 12 m的速度增加，随着开 采深度的不断增加，在未来一段时间内，我国多地煤 矿将全面进入深部开采阶段。随着开采深度的加 深，高地压、高水压、高瓦斯的地质条件使得地质灾 害加剧，并且深部矿井所具有的基本地质力学特征 之间相互影响，更加增大了深部矿井动力灾害发生 的可能性和灾害性，为了应对将要进入深部开采阶 段所遇到的灾害问题，有必要从技术，理论，装备方 面进行深部开采动力灾害特征与防治对策的研究和 第 6 期雷 少 华 张 林 马 振 凯矿井深部开采动力灾害基本特征与现状分析65 探索， 这也具有十分重要的实践意义。探索， 这也具有十分重要的实践意义。 表1东部部分采深过千米矿井 煤矿名称 开采深度/m 煤矿名称 开采深度/m 孙村煤矿1 350赵各庄煤矿1 156 煤矿1 199张小楼煤矿1 100 煤矿1 200平煤12煤矿1 100 ]1 150 煤矿1 000协庄煤矿1 000 1深 部 开 采 的 基 本 概 念 虽然目前国内外对于深部开采的种种问题非常虽然目前国内外对于深部开采的种种问题非常 重视， 但是由于对于深部开采深度的定义一直以来重视， 但是由于对于深部开采深度的定义一直以来 模糊不清， 在概念上差异较大， 导致在该领域内的一模糊不清， 在概念上差异较大， 导致在该领域内的一 些交流产生了阻碍。对于深部的定义主要分为两大些交流产生了阻碍。对于深部的定义主要分为两大 方面， 一方面是绝对的概念， 一方面是基于矿井的实方面， 一方面是绝对的概念， 一方面是基于矿井的实 际情况的相对概念。际情况的相对概念。 从绝对概念上来讲， 英国和波兰煤矿把深部开从绝对概念上来讲， 英国和波兰煤矿把深部开 采深度定义为750 采深度定义为750 m， 日本为600 ， 日本为600 m， 苏联为800 ， 苏联为800 m，， 南非、 加拿大为800 1 000 南非、 加拿大为800 1 000 m， 德国则达到800 ， 德国则达到800 1 200 1 200 m， 俄罗斯有学者将矿井深度划分为3 级 中， 俄罗斯有学者将矿井深度划分为3 级 中 深矿井、 深矿井、 超深矿井， 其中深矿井定义到1 000深矿井、 深矿井、 超深矿井， 其中深矿井定义到1 000 1 500 1 500 m[ 2]。国内学者根据目前的技术基础和安[ 2]。国内学者根据目前的技术基础和安 全需求将深部定义为700 1 000 全需求将深部定义为700 1 000 m。这些都是绝对。这些都是绝对 概念上的深部开采深度。概念上的深部开采深度。 从相对概念来讲， 国内学者对于深度开采的界从相对概念来讲， 国内学者对于深度开采的界 线也进行了大量的探讨。何满潮将最早开始出现非线也进行了大量的探讨。何满潮将最早开始出现非 线性力学现象的深度定义为深部， 并阐述了上下临线性力学现象的深度定义为深部， 并阐述了上下临 界深度的概念。梁政国则是通过综合采场中动力异界深度的概念。梁政国则是通过综合采场中动力异 常程度， 一次性支护适用程度， 煤岩自重应力接近煤常程度， 一次性支护适用程度， 煤岩自重应力接近煤 层弹性强度极限程度， 地温梯度显现程度将深部来层弹性强度极限程度， 地温梯度显现程度将深部来 进行定义;钱七虎则将分区破裂化现象作为深部岩进行定义;钱七虎则将分区破裂化现象作为深部岩 体工程响应的特征和标志;谢和平等则根据岩石力体工程响应的特征和标志;谢和平等则根据岩石力 学理论和实验研究岩石强度和灾变临界应力状态作学理论和实验研究岩石强度和灾变临界应力状态作 为煤岩深部开采深度准则;从瓦斯的角度来说， 通常为煤岩深部开采深度准则;从瓦斯的角度来说， 通常 浅部煤层瓦斯含量随着埋深增加而逐渐增大， 但是浅部煤层瓦斯含量随着埋深增加而逐渐增大， 但是 到一定埋深后， 煤层瓦斯含量与埋深不再呈现简单到一定埋深后， 煤层瓦斯含量与埋深不再呈现简单 的正相关关系。在 600 900 的正相关关系。在 600 900 m， 尤其是700 800， 尤其是700 800 m， 瓦斯突出频率明显增加， 一般认为这个深度为深， 瓦斯突出频率明显增加， 一般认为这个深度为深 部的分界线。以平煤十矿为例， 有学者通过分析计部的分界线。以平煤十矿为例， 有学者通过分析计 算得出910 算得出910 m为此矿的深部的临界深度， 此深度下为此矿的深部的临界深度， 此深度下 随深度加深瓦斯含量不再大梯度增加甚至略减。随深度加深瓦斯含量不再大梯度增加甚至略减。 2深 部 开 采 动 力 灾 害 基 本 特 征 2 2.1 1地应力增加，巷道变形严重 多个深部矿井地应力的测量显示大致650 多个深部矿井地应力的测量显示大致650 m以以 下时下时， 垂直应力与水平应力随埋深的变化不大垂直应力与水平应力随埋深的变化不大垂直垂直 应力在700 应力在700 m以上时随开采深度的增加而快速增以上时随开采深度的增加而快速增 加加， 当遇到断层时其应力会先减少而后继续变大上当遇到断层时其应力会先减少而后继续变大上 升到最大值后又逐渐呈现降低趋势升到最大值后又逐渐呈现降低趋势。总体来说埋深总体来说埋深 是决定区域内垂直应力的主要控制因素是决定区域内垂直应力的主要控制因素， 断层构造断层构造 xt其影响较小其影响较小。而对于水平应力而对于水平应力， 在埋深较浅时在埋深较浅时， 断断 层构造对水平主应力的影响不明显层构造对水平主应力的影响不明显， 但当埋深达到但当埋深达到 深部开采时深部开采时， 断层构造将会强烈影响区域内的水平断层构造将会强烈影响区域内的水平 主应力的分布主应力的分布， 并在断层内使其主应力方向产生偏并在断层内使其主应力方向产生偏 转[3]转[3]。由于地应力的增加由于地应力的增加， 煤巷从- 500 煤巷从- 500 m开始开始， 埋埋 深每增加100 深每增加100 m， 巷道变形速度和变形量平均增加巷道变形速度和变形量平均增加 2020b 30左 右 30左 右 ；- 1 000 - 1 000 m时的巷道失修率约是时的巷道失修率约是 -500 ]-600 -500 ]-600 m时的3 ]15倍时的3 ]15倍 ， 巷道翻修量大增巷道翻修量大增， 维护成本也大大提高维护成本也大大提高。 2 . 22 . 2瓦斯突出次数和强度增加 多位学者研究表明多位学者研究表明， 煤层瓦斯含量在浅部时随煤层瓦斯含量在浅部时随 埋深增加呈单调递增趋势埋深增加呈单调递增趋势， 随着逐渐进入深部瓦斯随着逐渐进入深部瓦斯 含量增长率逐渐降低含量增长率逐渐降低， 到达一定深度后煤层瓦斯含到达一定深度后煤层瓦斯含 量基本保持不变量基本保持不变， 再深入后趋于降低再深入后趋于降低。有实验模拟有实验模拟 当模拟深度逐渐增大时当模拟深度逐渐增大时， 煤与瓦斯突出实验的绝对煤与瓦斯突出实验的绝对 突出强度与相对突出强度都会增大突出强度与相对突出强度都会增大， 突出能量增强突出能量增强， 且在深度增加幅度相同的情况下且在深度增加幅度相同的情况下， 绝对突出强度与绝对突出强度与 相对突出强度增幅逐渐减小相对突出强度增幅逐渐减小随着开采深度的增加随着开采深度的增加， 瓦斯含量增加瓦斯含量增加， 地层温度升高地层温度升高， 压力增大压力增大， 煤的变质煤的变质 程度也越高程度也越高， 因此随着开采深度的增加煤与瓦斯突因此随着开采深度的增加煤与瓦斯突 出强度不断加强并且次数愈加频繁出强度不断加强并且次数愈加频繁， 严重限制着煤严重限制着煤 矿深部开采的安全生产矿深部开采的安全生产。 2 . 32 . 3冲击地压危险性增加 有研究表明有研究表明， 随开采深度的增加岩石的强度也随开采深度的增加岩石的强度也 随之增加随之增加， 岩石强度的增加则提高了其储蓄弹性性岩石强度的增加则提高了其储蓄弹性性 能能， 并且进入深部开采之后并且进入深部开采之后， 承受着高的地应力和强承受着高的地应力和强 烈的开采扰动烈的开采扰动， 为煤岩体中储蓄的大量弹性性能提为煤岩体中储蓄的大量弹性性能提 供了释放的条件供了释放的条件。有学者也指出深部条件下高压瓦有学者也指出深部条件下高压瓦 斯气体极有可能参与了冲击地压的孕育过程斯气体极有可能参与了冲击地压的孕育过程， 而深而深 部大量的瓦斯积聚也提高了冲击地压产生的可能部大量的瓦斯积聚也提高了冲击地压产生的可能 性[ *]性[ *]。总体来说在深部条件下形成冲击地压的条总体来说在深部条件下形成冲击地压的条 件不同于浅部件不同于浅部， 开采条件的苛刻和作用机理的不明开采条件的苛刻和作用机理的不明 确进一步加剧了冲击地压的危险性确进一步加剧了冲击地压的危险性。 66 陕西煤炭 2017 ； 2 . 4 突水事故加剧2 . 4 突水事故加剧 矿井在掘进或工作面回采过程中， 破坏了岩层 天然平衡， 周围水体在静水压力和矿山压力作用下， 通过断层、 隔水层和岩层的薄弱处进入采掘工作面， 形成矿井突水。据有关数据显示， 在采深大于10001000 m后， 其岩溶水的水压可以高达7 7 MPa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。多年来应用的突水系数法是在浅中部煤 炭资源在小尺度工作面开采过程中总结出的经验理 论， 而进入深部后围岩应力， 开采破坏情况， 矿压扰 动情况都与浅部有很大的不同。没有一套完整的理 论体系也侧面加剧了深部开采过程中的突水事故。 3深 部 开 采 灾 害 的 防 治 对 策 3. 1理论角度3. 1理论角度 瓦斯方面 由于煤与瓦斯突出的复杂性， 尚未形 成完整的理论。国内外对于煤与瓦斯机理提出了各 种假说， 有地应力假说、 瓦斯作用假说、 化学本质假 说、 综合作用假说。但各种假说都存在一定的问题， 无法完整地解决深部矿井产生的煤与瓦斯突出机理 及问题。就目前来说综合作用假说接受比较广泛， 为突出危险性预测预报、 防突措施的选择及防突效 果的检验提供了基础理论依据。 冲击地压方面与煤与瓦斯突出一样， 冲击地压 产生的机理不同学者也提出了不同的假说， 有能量 理论、 强度理论、 三准则理论、 冲击倾向性理论、 粘滑 失稳理论。这些机理的研究为冲击地压的监测、 监 控及防治提供了基础性资料， 带动着防治技术的推 陈出新。但这些基础理论无论是从预测还是防治都 无法独立解决深部煤体的冲击地压问题， 研究表明 随着开采深度的增加冲击地压的产生与应力、 瓦斯 因素也相关， 探讨各个因素之间的内在联系， 提出不 同条件下深部井区突出规律是下一步的方向。 突水灾害方面 针对底板突水不同学者提出了 “ 下三带” 理论、 原位张裂与零位破坏理论、 强渗通 道理论、 岩水应力关系、 关键层理论、 薄板模型理论、 “ 下四带” 理论等。对于深部突水问题应加强对现 代采矿高深度条件下矿井底板水突出机理研究， 长 久以来采用的矿井水突水系数理论是建立在中浅部 开采过程中总结出来的经验理论， 面对深部开采过 程中高埋深、 高水压、 高应力的条件， 必然无法对其 做出指导。为此有必要通过计算机模拟与现场观测 以及数据计算分析， 研究在高深部矿井开采条件下 煤层顶底板突水的机理和控制因素， 为突水的预防 探测以及实时监控提供理论基础。 3.2,3.2, 在防治深部瓦斯灾害方面， 除去基础的区域防 突技术和局部综合防突技术外， 随着电子信息技术 的发展， 煤矿瓦斯监控预警技术在矿井中的应用也 越发广泛， 形成了矿井瓦斯监控系统。该系统的主 要功能有收集矿井作业的相关瓦斯数据、 瓦斯数据 预处理、 判断瓦斯阀值并预算数字量信号、 归类识别 Xt象以进行分析决策， 但同时也存在着因地区环境 因素的不同而导致同一系统无法满足整个矿井的监 测监控， 且系统之间大部分无法兼容， 因此仍需进一 步。 冲击地压的防治技术手段通常包括预测和治理 两个方面。预测技术有煤矿冲击倾向预测技术、 电 磁辐射监测与钻屑法、 微震与地音法、 震动场、 应力 场联合监测冲击地压技术等多种预测技术。治理技 术有合理布局， 预注水与卸压爆破， 强制放顶等技术 手段。但这些技术方法在深部开采过程中三高环境 下仍存在着大量问题。 突水防治技术主要分为预防和治理两方面。现 有的预测技术包括高精度微震监测技术， 对煤矿突 水的可能性进行预测的灰色聚类评估方法， 五 图 ％％ 双系数法， 基 于BP神经网络的煤矿底板突水预测 技术， 瞬变电磁法超前探测技术， 但同样存在着由于 深部地质条件的复杂而无法准确预测与治理的问 题。治理方面有陷落柱止水塞建造技术， 巷道阻水 墙及动水注浆技术， 导水通道定向倒斜钻探技术等。 4结 语 随着我国经济的增长和煤矿浅部资源的枯竭， 我国将逐步进入深部煤层的开采阶段， 在这个过程 中我们将面临各种各样的深部灾害， 尤以动力灾害 显著， 但是这些灾害的产生机理仍难以有一套完整 的理论来进 ， 并 技术 预 测防治这些动力灾害， 未来仍需要以基础理论为目 标， 创造性地研究出一套可以应用于深部的防治灾 害机理和技术方法体系， 针对不同环境因素采取不同 方法， 以点对点， 逐个解决问题， 这是从本质上解决深 部动力灾害的最好途径。 （ 上转第37页）（ 上转第37页） 第 6 期李 瑞 群 神东矿区各种掘进工艺的特点与适应性分析37 布尔台煤矿 m不稳定-iv极不稳定围岩类型 柳塔煤矿 m不稳定-v极不稳定围岩类型 寸草塔煤矿 m不稳定-v极不稳定围岩类型 寸草塔二矿 m不稳定-v极不稳定围岩类型 掘锚机 乌兰木伦煤矿类中等稳定-m不稳定围岩类型掘‘ 台煤矿类中等稳定-m不稳定围岩类型 连采机 补连塔煤矿类中等稳定围岩类型 哈拉沟煤矿类中等稳定围岩类型 煤矿类中等稳定围岩类型 大柳塔煤矿类中等稳定围岩类型 连采机 或快速 活鸡兔煤矿类中等稳定围岩类型 掘进 系统 榆家梁煤矿类中等稳定围岩类型 煤矿类中等稳定围岩类型 煤矿类中等稳定围岩类型 北部区矿井顶板条件较好的矿井， 也可以选择 连采掘进工艺。北部区顶板条件较好的矿井在双巷 掘进时也可以选择连采掘进工艺， 通过短掘短支还 加强对顶板的控制。 神东矿区掘进工艺的选择也不是固定不变的， 要充分考虑各种掘进工艺的特点和适应性， 综合考 虑选择最优的掘进工艺。 5结语 本文详细分析了各种掘进工艺的特点， 针对这 些特点得出了各种掘进工艺的适应性， 针对神东矿 区各矿井的地质条件对掘进工艺的优化选择进行了 表1神东r区各r井顶板特点及掘进工艺选用 所属 区域 矿井名称顶板等级 掘 进工艺 分析， 提出了根据顶板特点选择掘进工艺的技术原 则 ， 使得掘进工艺的选择更趋于合理。 参考文献 [ 1 ] 徐永圻.煤矿开采学[M].北京 中国矿业大学出 版社， 1999. 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