矿井深部开采中的常见问题与防治.pdf

2 0 1 5年第 3期 总第 1 1 4期 协 i { I． 暑 ； 钍 E N E R G Y A N D E N E R G Y C 0 N S E R V A T 1 0 N 2 0 1 5 年 3 月 矿井深部开采中的常见问题与防治 刘 刚 1 ,2 1 ．太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ．山西焦煤汾西曙光煤矿，山西 孝义 0 3 2 3 0 8 摘要 对矿井深部开采 中的常见问题及防治措施展开探究，概述了深部开采的国内外现状，就深部开采中的常见问 题进行归纳总结，并就如何对这些问题进行有效的防治提出几点看法，以期为矿井深部开采的发展提供些许动力。 关键词 矿井；深部开采；常见问题；防治措施 中图分类号 T D 8 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 8 0 2 一 2 0 1 5 0 3 0 0 2 9 0 2 Co mmo n Pr o bl e m s a nd Co n t r o l M e a s ur e s i n De e p M i n i ng L I U Ga n g ’ -0 1 ． C o l l e g e o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ， T a iy u a n U n i v e r s it y o f T e c h n o lo g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， S h a n x i ， Ch i n a ；2 ． F e n x i S h u g u a n g C o a l Mi n e o f S h a n x i C o k i n g C o a l Gr o u p ， Xia o y i 0 3 2 3 0 8 ， S h a n x i 。 Ch i n a Ab s t r a c t C o mmo n p r o b l e ms a n d c o n t r o l me a s u r e s i n d e e p mi n i n g we r e d i s c u s s e d ． T h e c u r r e n t s i t u a t i o n a t h o me a n d a b r o a d o f d e e p mi n i n g w e r e o v e r v i e we d ，a n d c o mmo n p r o b l e ms i n t h e d e e p mi n i n g we r e s u mma r i z e d ，a f e w c o mme n t s o n h o w t o r e s o l v e d t h e s e p r o b l e ms w e r e p u t f o r wa r d t o p r o v i d e l i t t l e i mp e t u s t o t h e d e e p mi n i n g d e v e l o p me n t i n mi n e ． Ke y wo r d s mi n e ； d e e p mi n i n g； c o mmo n p r o b l e m ； c o n t r o l me a s u r e s 0 引言 采深度表可见表 所示。 依据相关调查数据显示 ，中国煤炭总储量 的7 0 ％ 埋藏在千米以下的深部地层中，随着近些年煤炭需求 不断增多 ，浅部煤炭资源正 E t 益枯竭 ，在东部等传 统 煤炭产 区，煤层开采深度正 以2 0 0 m／ a 左右 的速度激 增 ，预计 U 2 0 2 0 年 中国大多数矿井开采深度均将超过 千米【 ” 。而 随着开采深度的增加 ，地质条件 的复杂性 也不断提升，瓦斯、地压、地热等问题成为井下的常 见问题 ，对矿井生产的有效 、安全进行造成极大的阻 碍 ，加强对这一系列问题的深入探究 ，有极为重要的现 实意义 ，是 中国煤炭产业长久发展的必然要求。 1 国内外矿井深部开采现状 煤炭资源开采深度的增加已是全球主要煤炭生产 国均 已经或即将面临的问题嘲 。以传统 的英 、德 、 日、 俄、波兰等国为例，由于其有着极为长久的现代化煤 炭开采历史 ，不仅其 国内矿井开采 相关技术 领先世 界，其开采深度也均已进人深部开采时期 ，其煤矿开 收稿 日期2 0 1 4 1 2 1 7 作者简介 刘 刚，1 9 7 4 年生，男，河南汝南人，1 9 9 7 年毕业 于太原理工大学采矿工程专业，太原理工大学在读工程硕士， 工程 师。 表 1 国外主要产 煤国开采深度 一览表 国家 英国 德 国 日本 俄 罗斯 波兰 南非 矿井平均开采 深度 7 0 0 9 5 0 1 1 0 0 I 3 0 0 7 2 0 2 4 0 0 m 在中国国内各大重点煤矿中，开采深度超过7 0 0 m 的矿井已有近百处，占到大型矿井总数的2 0 ％左右， 均分布在辽沈、京津唐、徐州等传统煤炭开采区，例 如开滦赵各庄矿 、沈 阳彩屯矿 、北京 门头沟矿等均属 于采深千米以上的深部矿井 ，而这类的矿井在未来其 数量也会越来越多 。中国煤炭开采深度变化趋势表可 见表2 所示 。 表 2 国内煤炭开采深度发展变化趋势表 年 份 1 9 8 0生 1 9 9 5生 2 0 0 0年 2 0 1 0生 2 0 2 0皇 矿 井平均 开采 深度 2 8 8 4 2 8 5 0 0 7 0 0 1 2 0 0 m 2 矿井深部开采中主要的常见问题 2 ． 1 冲击地压不 断加强 冲击地压是 由于巷道 围岩失稳而产生的强烈 的地 质灾害 ，对矿井生产有严重 威胁[ 3 ] 。而随着开采深度 2 9 2 0 1 5 年 第3 期 潦． 蓦 ； 钍 2 0 1 5 年3 月 的进一步加深 ，冲击地压发生的频率和强度均呈现增 大趋势，以河南平煤十二矿为例，其在2 0 0 5 年3 月共 出现冲击地压7 0 多次，对矿山设备与人员的安全构成 了巨大威胁 。此外深部井下冲击地压事故 的发生极易 与其它地质灾害的出现产生相互的诱导与促进作用， 使得此类灾害的预防更加困难。 2 ． 2 煤与瓦斯突出威胁加剧 地应力的加强是煤炭开采深度增加 的主要特点之 一 ，而受到高应力 的作用 ，井下煤层 中会积存有大量 瓦斯气能量，而随着生产作业的进行，积存的气体可 能在采动影响下发生骤然释放，从而对周边煤岩体结 构造成破坏 ，从而诱发煤与瓦斯突出事故 ，对矿井安 全造成严重威胁。依据相关统计显示 ，近年来所发生 的重大瓦斯爆炸事故七成以上发生在深度超过6 0 0 m 的深部矿井中，由此可见煤与瓦斯事故已成为威胁深 部开采安全进行 的主要问题之一 。 2 - 3 矿压显现加剧 巷道变形严重 随着采深 的加大 ，矿压显现程度不断加剧 ，井下 巷道在围岩作用下极易发生大幅度变形 ，使得巷道支 护难度与成本不断增加的同时也对生产的正常进行造 成阻碍。根据煤炭产业的相关统计，近1 0 a 中井下巷 道支护成本大幅提升，增幅度达到1 ． 5 倍 ，同时井下巷 道的返修量则占据了掘进总量的4 0 ％ N 。而且这些现象 在全 国各大矿区均有体现 ，以平煤八矿为例 ，一 8 0 0 1 11 _ 水平的巷道，最大主应力近3 0 MP a ，巷道掘进时片帮 与冒顶现象频发 ，巷道支护后变形极为迅速 ；井下煤 巷从一 5 0 0 m起每增大1 0 0 m，巷道变形量增大三成左 右 ，采深超过千米后 ，巷道返修率 已达浅部开采时的 十数倍 。但 由于深部巷道 围岩破坏 的前兆极 为不 明 显，使得对围岩破坏的预测工作阻力重重 ， 从而对矿 山生产的正常 、有效进行造成严重干扰。 2 - 4 地热灾害严重 在常温带中，岩层温度会 以每百米3℃的速度增 长 ，当开采深度达到千米以上时 ，井下工作面温度则 将 常年高达3 0 ℃多 ，从而使得井下 的工作环境变得 极为恶劣 ，对作业人员 的身体健康造成严重威胁 ，进 而对矿井的正常生产产生干扰嘲 。 3 应对 深部开采常见 问题的措施 3 ． 1 冲击地压的防控 a 增强冲击地压的监测预警 ，通过矿压监测及地 音监测对 冲击地压发生的时间节点进行预估 ，同时采 用钻屑法和钻孔应力法对冲击位置进行定位 ，并通过 微震监测法对发生时的相关参数进行测录 ，在对事故 进行综合性测算 的同时为后续检测提供数据参考 ； b 围岩中应力的大量集聚是导致冲击地压发生的 主要原因 ，在进行巷道 的布设与开采顺序 的确定时应 3 O 充分考虑这一要点 ，尽量避免应力集 中区域的形成 ， 具体 而言可 以推广无煤柱开采技术与跨上下山开采 ， 同时巷道尽可能布置在稳定性好的岩层中，巷道 的方 向则应同岩层主应力方 向相 同并尽量避免相邻巷道间 的干扰形成应力的叠加 ； e 1进行卸压作业 。在应 力聚集 的区域钻设爆 破 孑 L ，进行深孑 L 爆破从而将应力人为释放 ，向开采煤层 进行预注水 ，通过改变煤体的可塑性实现应力的重新 分布 ，改善应力集 中状况 ； d 加强支护。采用锚喷网联合支护技术，构成环 形抗压圈，增强巷道抗压强度 ，遭遇构造等特殊地质 条件时，使用具有一定伸缩性的支架 ，实现让压功 能，缓解应力的释放。 3 ． 2 煤与瓦斯突出的防治 a 1 加强瓦斯的预抽采。对瓦斯含量高的煤层在开 采前进行瓦斯预抽采作业 ，多采用高位水平孔抽放 、 高抽巷等新型工艺与技术 ，在抽采时钻孔直径应相对 较大，从而降低落煤时的瓦斯涌出量； b 1增强对工作面上 、下隅角的管理 ，对上隅角进 行封堵或采用导风帘与局部通风机加强通风效果 ，下 隅角处应设置风障并做好下出口的超前作业 ，降低采 空区漏风量 ，从而减少采空区瓦斯的涌出； c 建立完善的瓦斯检测系统，在易于出现瓦斯集 聚的场所布设电子检测设备，定期对瓦斯浓度进行测 量，一旦发现问题应及时报警并迅速查明原因采取针 对性的治理措施 ，同时采用钻屑法等多种手段对瓦斯 突出事故 的发生进行预测 ，实现对事故 的有效规避和 预防，此外还应组成多部门联合的瓦斯治理工作组 ， 对井下作业的不规范行为进行监督，开展分班盯岗， 确保生产安全 ； d 坚持 “ 区域防突措施先行，局部防突措施补 充”的原则，煤层群开采时采取先采保护层同时抽采 被保护层瓦斯的策略，同时在开采时通过松动爆破、 超前钻孑 L 排放 、水利疏松等手段增强局部防突，积极 研发科学有效 中和或稀释瓦斯的化学试剂 ，在开采前 进行预注从而降低瓦斯突出威胁。 3 ． 3 深部巷道围岩的控制 a 对巷道布设方式进行优化升级，将巷道布设在 采空区下或岩体稳定性好的岩层中从而规避开应力的 集中区域，改良煤层开采顺序，推广无煤柱与跨区上 下山开采，避免孤岛煤柱的出现和相向开采的发生； b 巷道断面设计中应适当增加断面尺寸，并选择 扁椭圆形、马蹄形、半圆形等符合应力分布特点的断 面形状； c 采用锚喷网支护增强巷道抗压强度的同时通过 注浆对巷道帮角等应力易集 中的区域进行局部加强 ， 下转 5 3页 2 0 1 5年第 3期 张洋， 等 西门子提升机安全保护系统分析及应用 2 0 1 5年 3月 变频器前 ，要通过循 环冷却系统 的离子交换系统 ，将 导电值降低到1 S ／ e m 范围才可冷却变频器。 3 ． 4 井简信号数据采集保护 井筒信号系统的作用是完成井上下通讯 ，同时它 把井 口、井底附属设备的状态传递给西门子P L C 。在 提升系统运行时安全门打开 ，摇 台落下 ，启动一级紧 急停车响应 ；提升容器触发过卷开关 ，启动一级紧急 停车响应 。 4 矿井提升安全保护 的应 用效果 李村煤 矿副井提升系统 自2 0 1 0 的安 装投运 以来 ， 到2 0 1 3 年年底 ，提升系统每天平均工作 1 6 h ，累计发 生故障4 5 起 ，累积影响运行时间约1 8 0 h ，累计影响 时间 占总时 间小 于0 ． 0 2 ％ ，运行稳定 、可靠 、安全 。 而且4 5 起故障中有一半以上是 由于绞车房温 、湿度不 达标 、电气元件灰尘大 、电气元件老化 、端子排接线 虚接 ，控制柜电池 电能匮乏未及 时更换及维护人员操 作素质不高引发的。其中一起因励磁输出柜励磁模块 保 险受 冲击 电流损坏 的故 障 ，因矿方没有 此保险配 件 ，影 响5 d 以上 ；一起 因车房温湿度不达标 ，烧坏 变频器整流模块的故障 ，影 响时间4 8 h ；一起故障因 风道潮气过重，定子磁包阻值降低报警，维护人员欠 缺经验，对风道干燥解决方法不合适，影响约1 2 h 。 在实际应用中也发现 ，西 门子提升机保护系统还 存在一些不足， 例如， 对于工业用电电流闪送过于灵敏， 一 有 闪送 ，往往会 引起绞车急停 ，另外西 门子消谐保 护不到位 ，引起电气元件击穿老化 。西门子对电气环 境使用 的监测保护 、对外水冷设备空气压缩机保 护监 控及外水冷水箱清洁度欠缺监控保护提示。西 门子在 软件界面、故障恢复的人性化引导方面也还需完善。 5 结语 西 门子矿井多绳摩擦式提升机安全保护系统几乎 覆盖了提升系统所有主要故障信号点，在潞安集团李 村煤矿运行4 a ，对提升工艺及关键设备监控到位 ， 并通过不同层级报警迅速缩小故障范围、发现故障点， 节约了经济及人力成本，实现了提升系统的持续、可 靠、无故障运行， 有力保障了矿山安全生产，是李村建 设 自动化矿井、打造数字化矿山的重要构成。 责任编辑 高志凤 0● ●0●◇● 0● 0● ●0●◇●0●0●0●0●0● ● ● 0●◇● ●0● 0●0● ●0● ● ● ●o●0● ●0●● ●o●0● ●0● 0● ●0●0●● ● ● ‘ ● ● ● 上接 3 0页 增设 临时支护并 及时进行 闭岩 ，避 免 冒顶现象 的发 生 ，围岩卸压稳定后及时进行二次支护确保并建立完 善的监控体系，确保支护的高质量。 3 ． 4 深部热害的防治 a 传统降温。采用通风降温与机械制冷降温，在 巷道 中铺设隔热板材以实现对高温 围岩的隔绝 ，增强 工人的个体防护，引进先进的个体防护设备，例如冷 却服等，对热水进行及时的排放，并将排水沟改为暗 沟，对煤层进行注水降温作用； b 新式降温。通过深井H E M S 降温系统进行井下 涌水冷量与工作面热量的交换 ，通过压气蒸发技术， 借由水分的蒸发吸热降温；通过空气压缩制冷技术， 利用空气膨胀吸热的特性降低温度。此外还有诸如热管 降温 、瓦斯发电制冷等均可运用到深井热害的防治中。 4结语 形式多样的深部开采问题现已成为困扰中国煤炭产 业发展 的主要 问题之一 ，亟待获得合理解决。而对此 类 问题 的有效解决必须加大相关科研投入 ，在深入研 究现有理论与技术的同时，积极鼓励创新并引进和吸 收国外先进技术与实践经验，做到集百家之长，从而 实现对不同工艺与设备的不断改 良。此外 ，还应充分结 合不同地区的实际情况，创建具有地方特色的生产工 艺 ，真正促成矿井深部开采的高效 、安全与低成本 。 参考文献 [ 1 ] 李化敏 ， 付凯． 煤矿深部开采面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 4 6 8 4 7 1 ． [ 2 ] 赵辉 ， 熊祖 强 ， 王文． 矿 井深部 开采 面临的主要 问题 及 对策[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 1 0 7 1 1 - 1 3 ． [ 3 ] 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[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 7 6 1 4 6 1 4 7 ． [ 4 ] 梁军成， 刘美军．煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的 探讨[ J ] ． 价值工程， 2 0 1 2 1 1 2 9 5 2 9 6 ． [ 5 ] 冯书杰， 赵丽红， 何会民． 浅谈矿井深部开采存在的问题及 其对策[ J ] ． 山东煤炭科技， 2 0 1 1 5 1 2 2 1 2 3 ． 责任编辑 季鑫 坐 j }能 源知识 芥祭芥恭a 矿 区 矿 区 矿 产区 一般指 曾经开采、正在 开采或准 备开采的含矿地段 。 包括 若干矿 井或露天矿的 区域 ， 有 完整的 生产工艺、地 面运 输、 电力供应 、通讯调 度、生产管理及生活服务等设施，其范围常视矿床的 规模 而定。影响矿 区开发的 自然因素有 矿床赋存的 形 态和 空间分布 、资源储 量 、矿石质 量和矿石 可选 性、地质构造的复杂程度、水文地质条件、矿岩的稳 定性 、矿 区地形地物及 气候条件等。影响矿 区开发的 地区技术经济 因素有 水、电、交通运输、材料设备 供应 以及 劳动力来源等。 53