劉全福 劉 坤 孔 偉

山東義能煤礦有限公司

我國煤礦深部開采現(xiàn)狀及災(zāi)害防治分析

劉全福 劉 坤 孔 偉

山東義能煤礦有限公司

我國煤炭預(yù)測(cè)總儲(chǔ)量中73.2%埋深在1000m以下，淺部儲(chǔ)量較少。目前，我國東部煤礦正以每10年100～250m的速度發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來20a，很多煤礦的開采深度將達(dá)1000～1500m。隨著開采深度的增加，巖層與地表移動(dòng)問題十分復(fù)雜，也帶來了新的地表沉陷預(yù)測(cè)與控制問題。同時(shí)，深部開采中遇到的“三下采煤”、保護(hù)煤柱留設(shè)、礦壓、地?zé)?、瓦斯等主要技術(shù)問題日益增多，對(duì)當(dāng)前的煤礦生產(chǎn)和今后礦井建設(shè)的影響日趨嚴(yán)重，需要對(duì)其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。下面文中將會(huì)對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行闡述，僅供參考。

煤礦工程；深部開采；災(zāi)害

伴隨著煤礦采掘機(jī)械化、開采規(guī)模、開采強(qiáng)度和深度的加大，煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治問題顯得尤為突出，更為重要的是一個(gè)大型、高度機(jī)械化的煤礦如發(fā)生礦井地質(zhì)災(zāi)害其社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失將是巨大的。煤礦礦井地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜多樣，在煤炭開采過程中，斷層、陷落柱、含水層(體)、巖漿巖、采空區(qū)、煤層結(jié)構(gòu)變化等是不可忽視的災(zāi)害性地質(zhì)異常體，它們破壞了煤層的連續(xù)性，嚴(yán)重降低機(jī)械化采煤的效率，甚至可以引發(fā)透水，瓦斯突出等事故，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來威脅。

1 國內(nèi)外煤礦深部開采的現(xiàn)狀

煤礦深部開采是世界上大多數(shù)主要采煤國家目前和將來要面臨的問題。在世界主要采煤國家中，德國、英國、波蘭、俄羅斯、日本等國家采礦業(yè)較為發(fā)達(dá)，煤礦開采深度每年以8～16m的速度增加，率先進(jìn)入了礦井的深部開采。國外部分煤礦深部開采現(xiàn)狀見表1。

表1 國外煤礦深部開采現(xiàn)狀

我國的國有重點(diǎn)煤礦中，采深大于700m的有75多處，約占我國煤礦開采總數(shù)的12.5%，分布在開灤、北京、雞西、沈陽、撫順、新汶、徐州和長廣等開采歷史較長的東部礦區(qū)。在采深超過1000m的礦井中，有沈陽彩屯礦(1199m)，開灤趙各莊礦(1160m)，新汶孫村礦(1055m)，北票冠山礦(1059m)和北京門頭溝礦(1008m)。開灤唐山礦、馬家溝礦和林西礦，阜新王家營礦等礦井的開采深度接近1000m。

2 煤礦深部開采中存在的問題

2.1 沖擊地壓

沖擊地壓發(fā)生原因有內(nèi)因、外因兩種因素：內(nèi)因包括煤層本身的物理屬性、煤層原巖應(yīng)力狀態(tài)；外因包括采深、采動(dòng)集中應(yīng)力(主要為超前支承壓力、煤柱集中應(yīng)力等)、放炮誘發(fā)等。具備沖擊傾向性的采區(qū)，由于煤體具備彈性變形能量，發(fā)生沖擊后，彈性煤層會(huì)以瞬間猛烈的形式噴發(fā)出來，常造成人員受傷、設(shè)備損壞等后果。特點(diǎn)是每次沖擊地壓后工作面上隅角支撐應(yīng)力又會(huì)重新分布，峰值始終在距工作面50～60m位置。

2.2 陷落問題

陷落柱破壞了煤層的連續(xù)性，并經(jīng)常誘發(fā)礦井水患發(fā)生，導(dǎo)致礦井生產(chǎn)安全事故，華北型煤田由此而導(dǎo)致淹井時(shí)有發(fā)生。一般認(rèn)為，煤田陷落柱形成與奧陶系灰?guī)r溶裂隙有關(guān)，由于巖溶裂隙的發(fā)育和擴(kuò)大，周圍地層受重力作用而塌落下沉，因此，陷落柱內(nèi)部充填物常常成分復(fù)雜，比較松散，正常的地層沉積層序被打亂，陷落柱與煤層的接觸邊界兩測(cè)存在著明顯的密度、速度、電性、放射性等物性差異。

2.3 高瓦斯問題

隨著埋藏深度的增大，煤層瓦斯壓力多呈靜水壓力梯度遞增。以淮南礦區(qū)為例，開采深度在900m時(shí)測(cè)定出的最高瓦斯壓力達(dá)到4.5MPa，隨著瓦斯壓力增大，煤吸附的瓦斯量增加，從而使煤層瓦斯含量增大，瓦斯含量遞增的平均梯度可折算為1m3/[t·(52～75m)]。由于受到深部高應(yīng)力的作用，煤層內(nèi)瓦斯氣體壓縮達(dá)到最高峰，煤巖體內(nèi)就會(huì)聚集很多的氣體能量。而后在采掘擾動(dòng)的作用下，壓縮氣體劇烈釋放，造成工作面或巷道的煤巖層突然被破壞易導(dǎo)致煤與瓦斯突出。

3 煤礦深部開采災(zāi)害的防治措施

3.1 研究深部工程災(zāi)害發(fā)生機(jī)理

研究表明，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、地應(yīng)力、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、煤的變質(zhì)程度等與開采深度都存在一定的關(guān)系。在深部開采條件下，深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征等均發(fā)生了根本性變化，是導(dǎo)致深部開采中災(zāi)變事故出現(xiàn)多發(fā)性和突發(fā)性的根本原因所在。因此，應(yīng)系統(tǒng)研究我國深井礦區(qū)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的特點(diǎn)，探討采深與主要影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示不同條件下災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律，以作為深部災(zāi)害治理的前提和基礎(chǔ)，從而提出預(yù)測(cè)方法、指標(biāo)和防治措施。對(duì)于解決隨著開采深度的增加，以巖爆、突水、煤與瓦斯突出、頂板大面積來壓和采空區(qū)失穩(wěn)為代表的工程災(zāi)害防治問題具有重要意義。

3.2 綜合物探技術(shù)的運(yùn)用

近年來國有或地方煤礦連續(xù)發(fā)生重、特大災(zāi)害事故的慘痛教訓(xùn)表明，安全投入和因?yàn)?zāi)害事故造成的經(jīng)濟(jì)損失已成為煤礦生產(chǎn)成本中不可忽略的重要組成部分。在工程實(shí)踐中，必須全面系統(tǒng)地分析煤礦地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防治中的地球物理特征，合理布置綜合物探方法，從不同物性特征研究煤礦煤層結(jié)構(gòu)與巖性、水文地質(zhì)、陷落柱與煤層的小構(gòu)造，通過對(duì)三維電性數(shù)據(jù)體觀測(cè)技術(shù)、信息相干技術(shù)、三維濾波技術(shù)、邊緣檢測(cè)技術(shù)等進(jìn)行實(shí)踐與研究；對(duì)三維地震數(shù)據(jù)體運(yùn)用切片解釋技術(shù)、全三維解釋技術(shù)和反射波動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的提取與成圖技術(shù)的運(yùn)用，利于精細(xì)地質(zhì)現(xiàn)象的解釋，才能取得較好的地質(zhì)效果。

3.3 提升防治水平和方式

深部礦井所具有的基本地質(zhì)力學(xué)特征之間能夠相互聯(lián)系和影響，在高采動(dòng)應(yīng)力影響和深部隱蔽致災(zāi)因素探查不清的不利情況下，增大了深部礦井發(fā)生災(zāi)害的可能性、關(guān)聯(lián)性及災(zāi)害程度，并使深部礦井災(zāi)害表現(xiàn)出比淺部更為復(fù)雜的特征。我國現(xiàn)有煤礦災(zāi)害防治技術(shù)及裝備水平基本能夠滿足深部礦井安全生產(chǎn)的需要，但仍需針對(duì)一些關(guān)鍵理論和技術(shù)問題進(jìn)行科技攻關(guān)。開展深部礦井無人化、智能化開采技術(shù)及裝備研究，提升自動(dòng)化水平是提高深部礦井安全保障能力的有效途徑。

深部礦井的開采技術(shù)既是當(dāng)前一些礦井面臨的問題，也是我國煤炭工業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展需要十分重視和研究解決的問題。

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[2] 張俊杰. 深部開采優(yōu)化開采技術(shù)的探討[J]. 礦山壓力與頂板管理，2005(3)：74 -75.