深部矿井开采问题与发展前景研究.pdf

第 2 7卷第 1 期 2 0 0 8年 1 月 煤炭技术 C o a l Te c h n o l o g y Vo 1 ． 2 7． N o． 1 J a n ， 2 0 0 8 深部矿 井开采 问题与发展前景研究 王宏岩 ．王猛 辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘要 通过分析深部矿井开采所面临的主要困难， 指出深部岩体在高地应力 、 高地温 、 高岩溶水压的条件下， 导致 围岩的力学性质与浅部有很大的区别。提出了现在深井开采中所需解决的几个问题。如何正确认识由于开采深 度增加所带来的问题， 是解决实际问题的关键。 关键词 深部开采；岩爆 ；矿山压力；高温 中图分类号 T D 8 0 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 0 8 } 0 1 0 0 0 3 0 3 T e s e a r c h o f D e e p Mi n i n g Qu e s t i o n a n d D e v e l o p me n t P r o s p e c t s W ANG Ho n gy a n。W ANG Me n g C o e g e o f R e s o u r c e a n d E n v i r o n m e n t a l E n n e e fi n g 。L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 。 C h i n a A b s t r a c t T h e fi n i t e B y a n a l y z i n g o f t h e d e e p m i n i n g f a c i n g ma j o r d i f fi c u l t i e s ，w i t h t h e c o n d i t i o n o f the d e e p r o c k i n h i g h s t r e s s，h i g h g r o u n d t e mp e r a t u r e，h i g h p res s u r e，t h e me c h a n i c s p r o p e r t i e s o f r o c k a r e t h e mo s t d i f - f e r e n t f r o m s h all o w’ S ．T h e s e v e r al i s s u e s w e r e t o b e f a c e d i n d e 印 min i n g ．H o w t o c o r r e c t l y u n d e r s t a n d t h e p r o b l e m o f d e e p mi n i n g wit h i n c r e a s i n g t h e d e p t h ，i t i s k e y t o res o l v e p r a c t i c al min i n g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；r o c k b u r s t ；mi n e p r e s s u re；h i．g h t e mp e r a t u r e ， 、 口 大， 浅部资源日益减少， 国内外矿山都相继进入深部 口 资源开采阶段。我 国已探 明的煤炭储量 中， 埋深在 随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加 1 0 0 0 m以下的为2 ． 9 5 万亿 t ，占煤炭资源总量的 正面和背面敞开， 不能约束垂直于模型主平面的变 发的地层空间应力场的演变变化规律和岩层活动规 形 ， 因而其实验结果与井下实际应力 一应变状态有 律， 研究适合采矿物理模拟的应力应变测量手段和 较大差距。较好的模型也只能达到定量实验， 为课 测量方式， 相似模拟技术的发展能比较准确模拟底 题研究定性分析服务 。 下开采过程中岩层 的运动规律 ， 为人们解决矿藏开 2 ． 2 国内外相似模拟实验方法的发展 采过程出现的难题提供重要思路， 是一项即有理论 1 发展平面应变模型。如联邦德国埃森岩石 价值又有实际应用前景的研究课题。 力学研究 中心 ， 研制 了 1 0 m应变模型， 这种模型结 参考文献 构复杂 ， 造价高， 为了保证实验过程中应力不断变化 [ 1 ]刘长 武， 郭永蜂， 姚精明． 采矿相 似模拟试验技 术的 发展与问题 状态下沿模型平面 的垂直方 向变形 为零 ， 必需采用 [ 2 1 试验[ M ] ．徐 中国矿业大学 出 伺服机构。 版社， 1 9 8 8 ． 2 三维立体模型。国内外 主要岩石力学研究 [ 3 ]任晓 鹏， 李志 强， 吕 希富． 龙马矿 相似材料模拟 实验[ J J _ 煤炭技 机构都致力于这一实验装置 ， 为用立体模拟研究采 [ 4 ] 寿 ，黄志彬 ． 岩石力学与工程 [ M] ． 北京 科学 出版 场矿压创造了条件。已经获得国家专利。 社． 2 0 0 2 ． 3 我国在放顶煤开采的研究过程 中， 十分重视 [ 5 ]赵保太， 林柏泉， 林传兵． 三软不 稳定煤层覆岩裂隙演 化规律实 相 似 模 拟 实 验 究 ， 煤 科 ．j 京 开 采 所 、 中 国 矿 夸 匕 [6 _ ’ 中 国 矿 业 大 学 出 版 研 部 、河北煤建院采矿系等单位都进行过研究 ， 为发 I 9 9 5 ． 展这一采煤方法做 了可贵的 j _I 作。在实际实验 中， [ 7 ]吴钰应． 岩体结 构而的 模拟 研究[ J ] ． 煤炭学报， 1 9 9 7 ， 2 5 1 一 实验多属于平面模型和简易立体模型。 [ 8 ] 一 心 ．相似理沧 模型研究[ M] ． 江苏 中国矿业大学出版 3 结论 [ 9 ]林 t韵, 19梅 9 o ． ． 实验岩石 力学模拟研究 [ M] ． 北京 煤 炭工业 出版 社 ， 地下采矿物理相似模拟 ， 研究地下采矿工程诱 ‘ 收稿 日期 2 0 0 7 0 92 7 修订 日期 2 0 0 71 1 0 8 作者简介 王宏岩 1 9 8 3 一 ， 男， 沈阳人， 2 0 0 6年毕业于辽宁工程技术大学矿物资源 程专业， 现为辽宁工程技术大学硕士研究 生 ， En r a i l h o n g y a n - l n g d 1 6 3 ． C O H I 维普资讯 煤炭技术 第 2 7 卷 5 3 ％。根据 目前资源开采状况， 我国煤矿开采深度以 每年 8 ～1 2 m的速度增加， 东部矿井正以 1 0 0～2 5 0 m 1 O a 的速度发展。近年已有一批矿 山进入深部开 采。以煤矿为例， 预计在未来 2 0 a 我国很多煤矿将进 入到 1 0 0 0 1 5 0 0 m的深度。其中， 沈阳采屯矿开采 深度为 1 1 9 7 m 、 开滦赵各庄矿开采深度为 1 1 5 9 m、 徐 州张小楼矿开采深度为 1 1 13 0 m、 新汶孙矿开采深度 为 1 0 5 5 m、 北京门头沟开采深度为1 0 0 8 m。 近些年来 ， 随着我国国民经济和科学技术 的发 展， 对复杂地质条件下一些长深铁路、 公路隧道的修 建及深部开采事故的预防， 应用和发展 了许多先进 的科学技术和理论。在软岩支护 、 岩爆防治、 超前控 测、 信息化施工等方面， 中国矿业大学、 东北大学、 重 庆大学 、 同济大学 、 西南交通大学 、 辽宁工程技术大 学等进行了大量的研究和实践， 积累了丰富的实践 经验， 且具有开展相关研究的基础与条件。 目前该 领域的研究主要集中在深部 岩石的变形性质 如深 部岩体的脆 一 延性转化 、 深部岩石的流变特性 、 深部 岩石的扩容性质 、 深部岩石强度和破坏特征 、 深部 岩石的破碎诱导机理等。 1 深部开采 中的工程灾害 问题 1 ． 1 岩爆频率和强度均明显增加 岩爆是采掘导致岩层的突然破坏， 往往伴随着 开采空间的大应变、 大位移以及岩层碎块从母体中 的高速脱离， 向开采空间抛出， 抛出的岩体质量从数 吨到数千 吨不等。在广义上说 ， 只把大量煤或岩石 被突然抛 出且对开场空间造成损害的的冲击现象叫 做岩爆。实质上也属于矿井冲击矿压现象。统计表 明随开采深度的增加 ， 岩爆的发生次数会随之上升， 然而引起岩爆危险性增 大的机理十分复杂， 人们也 通过实验得出了一些结论 ， 但有些现场 问题却用实 验室的结论无法解释。如在南非金矿的深部开采中 得到的坚硬岩层具有明显 的时间效应 ， 但这种岩石 的样本在试验室中却几乎观测不到时间效应l 】 J 。 1 ． 2 巷道 围岩变形量大 深井巷道矿压显现的显著特点就是巷道开挖就 产生大的收敛变形量。这一特点是由深井巷道围岩 处于破裂状态和深井巷道围岩有较大的破裂范围决 定的。深部开采 自重应力逐渐增加 ， 加之深部岩层 的构造一般比较发育， 其构造应力十分突出， 致使巷 道围岩压力大， 巷 道支护成本增加。根据煤炭行业 的有关资料 ， 近 1 0 a 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 J D ％。采场矿压显 现剧烈。 1 ． 3 采场矿 压显现 剧 烈 随着采深的增加引起的上部岩体自重应力的和 构造应力的增加 ， 工程现场围岩发生剧烈变形 、 巷道 和采场失稳给顶板管理带来了许多困难_ 2 ] 。 1 ． 4 巷道底臌量大 据前苏联对部分深井资料的统计分析 ， 随开采 深度的增加巷道的底臌越来越严重。原西德通过对 2 0 0多条巷道的实测表明， 开采深度每增加 1 0 0 m， 巷道的顶底板相对移近量 占巷道原始高度的百分数 增加6 ． 6 ％， 而底臌 占巷道原始高度的百分数增加 3 ． 9 ％。可见 ， 深部开采巷道的变形量主要表现为底 臌。 1 ． 5 瓦斯涌出量增大 随着煤矿采深的增加 ， 瓦斯含量迅速增加 ， 并造 成瓦斯灾害事故 的频繁发生。近年来 ， 由于瓦斯突 出和爆炸引起的死亡 1 O人以上 的煤矿事故 7 0 ％出 现在 中国采深 6 0 0 m以下的矿区。 1 ． 6 地温升高、 作业环境恶化 深部开采处于高温环境下 ， 常温带 以下 ， 岩层的 温度将以3 C ／ 1 0 0 m的梯度上升， 最高可达4 C ／ 1 0 0 m，深部开采条件下 ， 岩层温度将达到摄 氏几十度的 高温。地温升高造成井下工人注意力分散、 劳动率 减低 ， 甚至无法工作。 2 深部开采岩体的工程力学特点 2 ． 1 深部岩石的力学性质 随着开采深度的增加， 高温、 高压使岩石的性质 发生 了很大的改变。在浅部表现为脆性 的岩石， 在 深部高围压的作用下转化为延性。由于岩石性质的 改变也使岩石的变形量发生了变化。当岩石发生脆 性破坏时， 通常还伴有或仅伴有少量的永久变形或 塑性变形。当岩石呈延性破坏时 ， 永久应变通常较 大 ， 这就要求现有浅部开采所采用 的支护方式和支 架的支护能力在深部开采时都要有所改进和提高。 从弹性力学的角度出发， 现有的理论对弹性材料的 应力和应变， 能够得到具体的理论解释， 但对于塑性 材料在理论上得到的成果还较少。然而在现有的技 术条件下， 人们的研究多集中在脆性转化为延性判 断标准上口 ] 。对于 由于开采深度增加 ， 脆性转化为 维普资讯 第 1 期 王宏岩， 等 深部矿井开采问题与发展前景研究 5 延性的机理上 的研究却较少 。在岩石 的破坏机理 上 ， 深部开采与浅部也有很大的区别。由浅部的脆 性能控制的破坏转化为深部开采条件下有侧向应力 控制的断裂生长破坏 ， 更进一步 ， 实际上是由浅部的 动态破坏转化为深部的静态破坏。深部岩体的受力 及其作用过程所属的力学系统不再是浅部工程围岩 所属的线性力学系统 ， 而是非线性力学 系统 ， 其稳定 性控制的难点和复杂性在于不再含有线性问题 。 在实际矿山中， 还要考虑到采动影响。进入深 部开采以后 ， 在高地应力的作用下， 大多数巷道要承 受采空区引起的强烈支撑压力作用。从而使在浅部 表现为较坚硬的岩石在深部则表现软岩的特性 。深 部巷道围岩多处于破碎状态。破碎区是围岩应力与 围岩应变共同作用的结果。因此 ， 提高围岩强度和 降低岩体应力是深井巷道支护的主要任务。这要求 我们的支护理念要与浅部开采时有所改变 ， 由浅部 的“ 支” 转化为“ 让” 。这样通过向围岩施加侧 向压力 提高围岩强度。深部矿井所采用的支架要求有良好 的刚度和柔韧性， 在大的应变条件下仍然能够表现 出很好的承载能力 。 2 ． 2 深部开采中的高岩溶水压和高温问题 开采深度 的增加 ， 使得突水性 问题变得越发严 重。在浅部开采时， 矿井水主要来源于第四纪含水 层和地表水通过岩层裂隙网络进入采区和巷道 ， 水 压小 ， 涌水量低 ， 突水 问题可通过现有的技术和手段 进行预报。而对于深井开采 ， 随着开采深度的增加， 承压水水位变高 ， 压力大加之地层本身存在 的构造 随深度的增加而越为复杂 ， 采掘活动产生了新 的断 裂 ， 更造成原有断层或裂隙的活化。从而形成透流 裂隙增多 ， 使岩溶水压力增大 ， 而奥陶系岩溶水对巷 道围岩和顶底板形成严重的突水灾害。含水量也是 影响岩石力学行为 的重要 因素。随着含 水量 的增 加。岩石的压强和泊松 比都有所降低， 高水压则增 加了岩石的含水量。 对于岩石 的三轴压缩条件 ， 短时间内温度对岩 石的力学性质无明显影响， 对于长期的高温环境 ， 岩 石的力学性质则发生了很大改变。现实表明 ， 在相 同条件下 ， 随着温度的升高， 岩石的黏塑性变形明显 增大。岩石材料具有热胀冷缩 的性质 ， 由于巷道工 程改变了原有 的空 问环境 ， 与浅部开采相 比， 在高 温 、 高压下岩石的变形量明显增加 ， 更加剧 了巷道维 护的难度。高温使得工作空问的环境超出人们的适 应条件 ， 而高温问题是工程实践 中难以解决的问题。 虽然在深度矿井高温问题上， 国外一些矿井已经采 用 了适当的技术使得工作面空间的环境得到了一些 改善 ， 但并没有从根本上解决问题 ， 人们尚处于传统 的制冷解决高温的状态。 3 深部 开采 的界定 根据我国的地质条件和开采技术水平 ， 一般认 为开采深度在 8 0 0 m以下为深部开采 ， 对 于软岩开 采深度在 6 0 0 m以下为深部开采。虽然 目前国内外 对深部工程中所引发的岩石力学问题 的研究非常重 视， 但是在“ 深部” 、 “ 深部工程” 等一系列概念上差异 很大 ， 至今也没有明确的概念或划分标准 ， 在一定程 度上影响了该领域理论 与技术研究的发展及交流。 4 结论 深部煤炭开采是未来矿上发展 的主流， 进行深 部开采所带来的采矿技术研究势在必行。在“ 三高 一 扰动” 的环境下 ， 深部开采所带来的矿 山压力、 高 温 、 高水压等一系列问题是采矿工程所面临的挑战 和高难度课题。在防范深部开采所带来的工程力学 问题的同时 ， 应合理利用深部开采 中的矿山压力大 等特点， 使这些特点能合理的为我们所利用。如在 深部开采中， 既要有效地预防和抑制 由高应力诱发 的灾害事故 ， 又充分利用高应力与应力波应力场叠 加组合高效率的破裂矿岩。 在这样的发展情况下 ， 现在矿 山企业应做好准 备 ， 原有的矿山由原来的硬岩矿井向软岩矿井转化， 由低瓦斯矿井向高瓦斯矿井转化， 由非突出矿井向 突出矿井转化， 有非冲击矿压 向冲击矿压矿井转化 等。虽然 目前对于深部开采工程研究已经取得了一 部分成果 ， 但对于深层次的基础研究不够重视。因 此 ， 大力发展深部开采工程岩石力学基础理论研究 对于矿山企业的可持续发展和安全战略的实施提供 了保证。只有在理论上取得重大 突破和创新 ， 才能 保证深部开采的技术发展和安全生产。 参考文献 1 ] 谢和平 ， 陈忠辉 ． 岩石力学 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． 2 ] 钱鸣高 ， 刘听成 ． 矿 山压 力及其控制 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版 社 ， 1 9 9 1 ， 3 ． f 3 ] 张 占荣 ， 等 ． 国外矿井深部开采 的有关问题及其 解决的技术途 径 三 J ] ． 矿 业译从 ， 1 9 8 8 3 ． 4 j 付国彬， 姜志方． 深井巷道矿山压力控制[ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 9 6 ， 1 2 ． 维普资讯