深矿井开采技术综述

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1、 深矿井开采技术 主要内容： 1、绪 论 2、深井开采灾害的控制技术 3、深矿井开采的支护技术 4、支护技术理论 5、应用实例 主要内容： 1、绪 论 2、深井开采灾害的控制技术 3、深矿井开采的支护技术 4、支护技术理论 5、应用实例 （四）深矿井开采技术 1 绪 论 1.1 国内外煤矿深井开采的现状 煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏 深度必然要增加，开采规模扩大和机械化水平提高加速了生产矿 井向深部发展。 煤矿深井开采是世界上大多数主要采煤国家目前和将来要面 临的问题，我国东部地区经济发达，能源需求量大，矿井延深速 度快，部分煤矿已开始转向深部开采，一些即将进入深部开采

2、。 而一些新建矿井在投产时，井深就已经达到或超过了1000m。 随着社会对矿产物质需求的增长和科学技术的发展，矿山 开采深度也在不断增加，南非卡里顿维尔金矿,开采深度达 3800m，竖井井底已达地表以下4146m，德国和苏联的一些矿 井已达14001500m，加拿大超千米的矿井有30座，美国有 11座，我国也已有几十座千米深井。开采深度的增大，必然会给 采矿带来一系列的新问题:如地压增大，岩温增高，矿山的提升 、排水、支护、通风等方面的困难也随着增大。因此，深井采矿 必须从工艺技术和设备等方面来解决地压、通风、降温、提升和 排水等一系列技术难题，使之适应这种变化。 由于不同的产煤国家在煤层赋存

3、的自然条件、技术装备水平 和开采技术上的差异、以及在深部开采中出现问题的程度不同。 因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深井的定量标准。根 据本国国情以及地质条件的实际情况，不同的国家有不同的标准 。一些采煤国家的学者对深井的界定提出的一些见解和论述，根 据有关方面资料是将深矿井深度定义在850m以上。 苏联的一部分学者将采深超过600m的矿井归于深井，而另 一部分学者把采深800m作为统计深井的标准。德国学者把采深 8001200m定为深部开采，把1200m以下称为超深开采。英 国与波兰把煤矿深部开采的起点定为750m，日本定为600m。 还有一些学者认为，当某一矿井开采到某一深度，深矿井

4、的 一些特征开始显现，那么这时就可以定义该矿井为深矿井。例如 ，鹤岗矿业集团兴安煤矿四水平正在延深过程中，四水平井底车 场部分巷道已经显现出深矿井巷道压力的特征，此时大巷距地表 垂高是750m左右，那么就可以将此矿井定义为深矿井。如果某 矿井在超过1000m时才显现出深矿井的特征，那么此矿井深矿 井的定义深度应该大于1000m。我国对深井的界定无明确规定 ，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将矿井划分为4类，各 类的深度范围见下表。 矿井类别浅矿井中深矿井深矿井特深矿井 采深 H/mh400m400 h800800 h1200h1200 在世界主要采煤国家中，德国、英国、波兰、 俄罗斯、日本等

5、都有深部开采矿井。英国煤矿的 平均采深为700m（1996年数据，以下同），最深 的达1000m。德国煤矿矿井的平均采深为947m，最 深的达1713m。波兰煤矿的平均采深为690m，最深 的达1300m。俄罗斯已经有许多矿井采深达到1200 1400m。这些国家同时也是对深矿井开采研究较这些国家同时也是对深矿井开采研究较 早、较多的国家。在深矿井开采的地压控制、制早、较多的国家。在深矿井开采的地压控制、制 冷降温以及瓦斯管理等方面做了大量研究，并取冷降温以及瓦斯管理等方面做了大量研究，并取 得了许多成功的经验。得了许多成功的经验。 1.2 深部开采与浅部开采的区别 1）开采环境 深部开采与浅

6、部开采的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境，即 “三高一扰动”的复杂力学环境。 （1）“三高” “三高”主要是指高地应力、高地温、高岩溶水压。 （2） “一扰动” “一扰动”主要是指强烈的开采扰动。进入深部开采后，在承受高 地应力的同时，大多数巷道要经受硕大的回采空间引起强烈的支承压力 作用，使受采动影响的巷道的围岩压力是原岩应力的数倍、甚至近十倍 ，从而造成在浅部表现为普通坚硬的岩石，在深部可能表现出软岩大变 形、大地压、难支护的特征；浅部的原岩体大多处于弹性应力状态，而 进入深部以后则可能处于塑性状态，即有各向不等压的原岩应力引起的 压、剪应力超过岩石的强度，造成岩石的破坏。 2） 岩体的

7、力学行为特性 深部岩体的“三高一扰动”复杂环境，使深部岩体的组织结构、基本行 为特征和工程响应均发生根本性变化。主要表现在： (1) 深部岩体动力响应的突变性 浅部岩体破坏一般是渐进的、且在临近破坏时往往表现出变形加剧现 象、破坏前兆明显。在深部条件下，岩体破坏则具有强烈的冲击破坏性 质，其动力响应的破坏过程往往是突发的、无前兆的突变过程。 (2) 深部岩体的大变形和强流变性 进入深部后，岩体变形具有两种完全不同的趋势：岩体表现为持 续的流变特性，变形很大但仍保持连续，如煤矿中有的巷道20余年底臌 不止，累计底臌量达数十米；有的岩体并未发生明显变形但破碎却十 分发育，按传统的关于破坏和失稳的概

8、念，这样的岩体不再具有承载能 力，而实际上深部破碎岩体却具有再次稳定的能力，有的巷道还不得不 在破碎岩(煤)体中掘进(如沿空掘巷)，因此己破坏巷道围岩和支护相互 作用达到二次稳定问题是深部岩体力学有别于浅部岩体力学的重要特征 之一。 (3) 深部岩体的脆性延性转化 岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，脆延转化即是岩石在 低围压下表现为脆性，在高围压下转化为延性或韧性的行为。 (4) 深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性 浅部煤层开采中，矿井水主要来源是第四系含水层或地 表水通过采动裂隙网络进入采场和巷道，水压小，渗水通道 范围大，基本服从岩体等效连续介质渗流模型，涌水量也可 根据岩体的渗透率张量进行

9、定量估算，因此突水预测预报尚 具可行性。而深部的状况却十分特殊，首先，随着采深加大 ，承压水位高，水头压力大；其次，由于采掘扰动造成断层 或裂隙活化，而形成渗流通道相对集中，矿井涌水通道范围 窄，使奥陶系岩溶水对巷道围岩和顶底板形成严重的突水灾 害。另外，突水往往发生在采掘活动结束后的一段时间内， 具有明显的瞬时突发性和不可预测性。 1.3 深部开采中的主要灾害形式 1）高地应力导致的岩爆、大面积冒顶 （1）岩爆 深井高地应力环境首先面临的是岩爆灾害。岩爆（Rockburst）是地 下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛 掷的特征。 （2）大面积冒顶 浅部围岩在临近破坏

10、时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常 根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在 比较局部的范围内。而深部围岩在破坏之前近乎处于不变形状态，破坏 前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏 往往是大面积的发生，具有区域性，如巷道顶板大面积的冒落等。 2）高地温导致煤层自燃、炸药自爆、人的生理承受力增大 随采深增加，地温增高，地温越高，煤层原始温度越高，导致围岩 层温度越高，改善了自燃的蓄热条件，导致煤体与环境风流温差较大， 增大了漏风供氧动力热风压，导致煤体自身的耗氧速度和氧化放热 强度即煤体氧化放热性能增强，最终导致煤体自燃危险性增大。因此， 在

11、深部较高的温度环境下，更易引起煤层的自然发火。 深井开采中，钻孔孔底的温度较高，当孔底温度高于炸药的安全使 用温度时，易引起炸药燃烧或爆炸。 在正常的环境下，人体能够维持各种正常的生理参数。但是在恶劣 的热环境下，人体会出现一系列生理功能反常，会影响人的健康和安全 。 3）高岩溶水压导致突水事故严重 我国采矿史上灾害最为严重的 两次突水事故均发生在东部矿区。 1935年3月5日淄博北大井，发生煤 层底板奥陶系灰岩岩溶水突水事故 ，平均突水量443m3/min,淹死538 人；1984年6月2日开滦范各庄矿井 下陷落柱突水，突水量达 2000m3/min左右，矿井被淹没，给 国家财产造成重大损失

12、。近年来， 东部矿井突水发生频率逐渐增大， 先后在淮北杨庄矿、义马新安矿、 峰峰梧桐矿、皖北任楼矿、徐州张 集矿又相继发生特大型奥灰岩岩溶 突水淹井事故。 11 开滦范各庄矿井下陷落柱突水 山东肥城杨 庄矿9101工作面 掘进揭露了断层 ，造成突水，全 矿被淹，最大突 水量达73.5 m3/min 。 图12 断层突水 上述几起重大突水事故都是由于断层和陷落柱导水所致，断层断 距8-14 m,属于中小断层，最大的断层断距50m，突水具有水压大 (3MPa)、水量大，来势汹猛，衰减较快的典型集中通道式突水特 征。见下图。 尽管断层和陷落柱突水在华北型煤矿床中是主要的突水形式 ，但是在巨厚底板隔水

13、层存在的条件下，中小断层突水必然与断 层的再破坏加剧密切相关，由于采深大和局部地应力正异常造成 的高地应力及采场高附加应力是加剧断层破坏的重要因素，是厚 隔水层中中小断层突水的重要原因。 2 深井开采灾害的控制技术 应力高的问题，可以通过加强支护来解决；突水的问题，还是用传统的 方法可以解决，但预测预防措施应该与现代化技术相结合。 2.1 岩爆的主要控制技术 1）区域性防治技术 该措施的基本原理是尽可能避免采矿工作区域大范围应力或应变能集中，使 岩体内的应力或能量处于极限平衡状态以下，从而达到控制岩爆的目的； （1） 合理布置矿山开拓系统，优化采场、硐室和巷道的结构参数，确定最佳 回采顺序，防

14、止大范围应力长期过载； （2） 岩层预注水，降低岩体强度，增加岩体塑性变形比例，使岩体内聚力能 多次小规模释放，防止应变能集中释放； （3） 开采保护层，使煤层落入到卸压带内，降低大面积回采时区域应力集中 ； （4）充填采空区，降低采场弹塑性变形和平均能量释放率，实现减少岩爆发生 次数特别是破坏性岩爆和降低岩爆强度的目的； （5）及时放顶，如果采空区顶板不能自然跨落需进行强制放顶，降低岩爆的 危害。 2）局部解危技术 （1）在有岩爆迹象的工作面打大孔径钻孔，增加工作面附近岩体塑 性，降低局部岩体承压强度，使工作面附近应力峰值进一步向原岩体内 推进，达到降低可能发生的岩爆强度或防止岩爆发生的目的

15、； （2）采用松动爆破降低采场工作面岩体强度，使应力增高区进一步 远离采场工作面，局部解除处于极限状态岩体发生岩爆的危险； （3）根据预计可能发生的岩爆机理和强度，选择相应的支护方法。 对破坏性较小的岩爆，支护的作用是预防岩石表面剥落和破坏的发生， 支撑和固定已移位的小块岩石，一般采用喷锚网支护即可。对于中等强 度的岩爆，支护系统内在强度必须足以预防和控制岩石的膨胀和位移， 这时锚杆密度要加大，并且用高强度、高韧性的金属网和钢缆绳增加支 护强度。破坏性极大的岩爆，每米巷道破碎岩石的重量可高达10t，破坏 岩石的深度大于1.0m，岩石弹射最大初速度可达到10m/s，这时用任何经 济的支护己都不现

16、实，对于这种岩爆的任何支护只能起到减灾的作用； （4）架设防冲击挡板、格栅等保护井下作业人员和设备安全。 2.2 深矿井开采的地热问题及控制技术 1 1）矿井高温的产生）矿井高温的产生 （1 1）热源分类）热源分类 井下的气候主要由矿井的温度和湿度决定的。造成矿井气温升高的热源井下的气候主要由矿井的温度和湿度决定的。造成矿井气温升高的热源 很多，主要有相对热源与绝对热源。相对热源，如高温岩层和热水散热。绝很多，主要有相对热源与绝对热源。相对热源，如高温岩层和热水散热。绝 对热源，如机电设备、化学反应和空气压缩等热源。对热源，如机电设备、化学反应和空气压缩等热源。 （2 2）热源）热源 高温岩层散热是影响矿井空气温度升高的重要原因，当矿井有高温热水涌高温岩层散热是影响矿井空气温度升高的重要原因，当矿井有高温热水涌 出时，将影整个矿井的微气候。井下适宜温度为出时，将影整个矿井的微气候。井下适宜温度为15201520，矿井最适宜的相，矿井最适宜的相 对湿度为对湿度为50%60%50%60%。一般井下空气的相对湿度大多为。一般