深井开采特点及部分灾害防治.pptx

深井开采特点及部分灾害防治一、深井开采的基本状况二、深井开采特点三、深井开采部分灾害及防治一、深部矿井开采的基本状况 1.概念与意义 深部矿井开采的深部标准，目前我国尚无明确规定。根据我国煤矿的地质条件，开采技术水平，矿井装备水平，巷道矿压显现的特征，一般认为采深800m及以上为深部开采，软岩矿井采深600m及以上为深部开采。各国关于深部矿井开采的深部标准并不一致，例如德国为8001200m，俄罗斯、乌克兰为800m，波兰、英国为750m，日本为600m。深部矿井开采是我国煤矿井工开采面临的重大技术课题之一。随着社会对煤炭需求量的日益增加，开采能力不断提高，开采深度不断增加是井工开采的必然趋势。我国淮南、徐州、新汶、长广、开滦、北票、沈阳、鸡西、抚顺、峰峰、大屯、鹤岗、天府、通化、广旺、平顶山、水城、舒兰等矿区已进入深部开采。沈阳的彩屯矿采深已达1500m。我国煤矿正以每年812m的速度向深部延深。因此，可以预计，在今后10年内，现有的大部分矿井将逐步进入深部开采。华东地区以每年1015m的速度向深部延深。深部开采出现了一系列新问题和新特点，其中，建井技术难度增加;岩层发生变化，软岩增加，压力增大，巷道位移量增大，巷道维护，尤其是采准巷道维护更加困难;底板突水事故增加;冲击地压发生频率增加;地温增大等。所以煤矿迫切要求对深部开采进行深入研究。这一问题已引起世界各国采矿界的高度重视，有关国际学术组织已多次召开了以深部开采为专题的国际会议。深部开采出现了一系列新问题和新的特深部开采出现了一系列新问题和新的特点，其中，由于岩层压力大，巷道位移量显著增大，点，其中，由于岩层压力大，巷道位移量显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难据统计由于深部开采引起围岩变形、位移常困难据统计由于深部开采引起围岩变形、位移和片帮、冒落、崩塌等安全事故，占矿山建设、生和片帮、冒落、崩塌等安全事故，占矿山建设、生产事故中总数的产事故中总数的40%以上，由此所带来的损失，仅以上，由此所带来的损失，仅死亡人数就占矿山百万吨死亡率中的死亡人数就占矿山百万吨死亡率中的50%以上，至以上，至于事故发生后的清理修复、加固等所耗费的资金和于事故发生后的清理修复、加固等所耗费的资金和影响生产所造成的经济损失则以数亿元计，而且巷影响生产所造成的经济损失则以数亿元计，而且巷道量大面广，有各类巷道道量大面广，有各类巷道5万多公里，每年用于巷万多公里，每年用于巷道的支护费用达百亿元以上。道的支护费用达百亿元以上。世界上已进入深部开采的采矿国家，如德国的鲁尔矿区，乌克兰的顿巴斯矿区等，对深部开采问题进行了大量的研究工作，初步形成一套比较完善的开采体系。我国在深部软岩矿压研究方面也进行了大量工作，取得了一定成果。但在深部开采体系上还有很多工作要做。因此，较系统的研究深部开采的理论和方法十分必要。2.我国深部矿井开采基本状况我国深部矿井开采基本状况 目前我国多数煤矿的开采深度已由50年代平均不到200米，增加到90年代的500米左右。生产矿井1980年平均开采深度为288m，1995年平均开采深度增加为428m，现在平均已达到500多m。据统计，我国已有平顶山、淮南和峰峰等43个矿区的300来座矿井开采深度超过600米，逐步进入深部开采的范畴，其中开滦、北票、新汶、沈阳、长广、鸡西、抚顺、阜新和徐州等近200处矿井开采深度超过800米，而开采深度超过1000米的有开滦赵各庄煤矿(1160m)，年生产能力230万吨，主斜井副立井综合开拓。沈阳彩屯煤矿(1199m)，年设计生产能力150万吨,立井多水平开拓，新汶孙村煤矿(1055 m),年设计生产能力60万吨,主斜井副立井综合开拓，北票冠山煤矿(1059 m)，年生产能力81万吨,立井多水平开拓，北京门头沟矿（1008m），年设计生产能力120万吨,主斜井副立井综合开拓等多处矿井。二、深部矿井开拓开采的特点 合理的开拓系统和巷道布置方式，表现在技术合理的开拓系统和巷道布置方式，表现在技术上能够适应当代采煤工艺技术和装备的发展，创造上能够适应当代采煤工艺技术和装备的发展，创造优异的经济和社会效益，具有鲜明的时代性。许多优异的经济和社会效益，具有鲜明的时代性。许多矿井，即使是新建矿井，隔一段时间就要进行技术矿井，即使是新建矿井，隔一段时间就要进行技术改造。一个重要的原因就是生产系统改造。一个重要的原因就是生产系统(包括开拓部包括开拓部署和巷道布置署和巷道布置)老化，不适应当代生产技术发展的老化，不适应当代生产技术发展的要求。要求。现代煤矿生产已进入机械化和自动化时代，生现代煤矿生产已进入机械化和自动化时代，生产高度集中、开采强度高、产量大，老的和传统的产高度集中、开采强度高、产量大，老的和传统的开拓系统和巷道布置，已不能完全适应煤炭生产技开拓系统和巷道布置，已不能完全适应煤炭生产技术发展的要求，世界各主要产煤国家都在根据自己术发展的要求，世界各主要产煤国家都在根据自己的具体条件，探索和采用新的开拓部署和巷道布置的具体条件，探索和采用新的开拓部署和巷道布置来建设新矿井和改造老矿井。来建设新矿井和改造老矿井。具有代表性的开拓部署和巷道布具有代表性的开拓部署和巷道布置方式有：置方式有：“三个一三个一”矿井矿井(即一个即一个矿井、一个水平、一个采区，较少工矿井、一个水平、一个采区，较少工作面作面)、联合矿井等，这些新型矿井、联合矿井等，这些新型矿井的共同特点是：的共同特点是：系统简单、环节少，系统简单、环节少，煤巷多、岩巷少，集中出煤，早期投煤巷多、岩巷少，集中出煤，早期投产、快速达产，充分体现和适应矿井产、快速达产，充分体现和适应矿井高强度高集中机械化安全生产的特点，高强度高集中机械化安全生产的特点，适应矿井深部开采的技术要求适应矿井深部开采的技术要求。1.新区大型新区大型联合矿井建设联合矿井建设 联合矿井井型都很大，一般均在1000万t以上，如英国的塞而比矿.(下图)南非的联合矿井，有10多个矿组成，年产达12001500万t以上，最大的达3000万t。这里仅以博斯杰普矿为例，简述联合矿井构成的概貌。该矿位于南非约翰内斯堡南150km的锡康达城附近，由四个分矿组成，年产2750万t，1981年全部分矿投产。井田分四个区，每个区均用独立矿井(分矿)以一个输送机斜井、罐笼副井和风井开拓。斜井断面6.4*24m，倾角170，装两台钢绳芯胶带输送机，带宽1500mm，能力2000th。输送机把煤卸入每个井口上的容量为12000t的煤仓，然后再通过地面运输长廊用宽1350mm、带速304ms、能力1800th的钢绳芯胶带输送机送到两个容量各为200万t的储煤场，供索萨尔液化气厂用煤。2老矿区卫星井开拓 卫星井开拓方式的特点是，围绕着老矿井进行新区开拓，通过简单的巷道系统，使新区与已有生产矿井的提升设备连接。这种卫星井的主要优点是：能充分利用原有(即将报废)矿井的生产系统及其地面选煤厂和装车站。从井下连接现有生产设备比新建矿井节省半时间和建设投资；除充分利用老矿井的生产设施外，在向新区过渡时这些设施也能满负荷工作，使矿井有条不紊地从旧区过渡到新区，人员配备稳定；新区只建通风井、人员提升和材料井(即卫星井)，井筒少、占地面积小，有利于环境保护。卫星矿井的发展趋势是，从井下掘进贯通巷道与高效能的提升井连接(图21)。井下长距离运输基本上采用大型胶带输送机和大容量的高速列车。地下贯通的，通风和运输大巷图2-1 卫星矿井下主要巷道贯通连接(二)采区巷道布置特点1.回采工作面周围应力分布 图1 采空区应力重新分布概貌1工作面前方超前支承压力；2、3工作面倾斜、仰斜方向残余支承压力；4工作面后方采空区支承压力图2 支承压力的分区A减压区；B-增压区；C稳压区；D极限平衡区；E弹性区图7 底板岩层中的应力分布煤体下的z等应力线图8 缓倾斜煤层中变形扩散特征Fig8:Characters of distorting and diffusing on the gently inclined seam I一煤层边缘部分下方压缩变形区的轮廓形状；2一采空区下方变形恢复区的轮廓形状以往，所留的保护煤柱均在正常回采全部结束后回收。近年来，采用应力解除法保护永久和半永久巷道，则预先用正规工作面回收保护煤柱，然后在采空区的下方或上方掘进开拓巷道(图31)，该巷由于处在应力释放圈内，不会再受大的采动影响，容易维护。这种布置方法对深井压力大和松软地层内需长时间维护的巷道，具有明显的保护效果图31 巷道布置在预采煤柱后的应力释放圈内 2采空区内的巷道布置 随着开采向深部的发展，巷道维护愈加困难，经验证明，位于卸压区的巷道，矿压显现小，容易维护。为此，应充分利用自然条件和人为创造条件，使巷道布置既能满足生产工艺要求与整个巷道网路系统协调，又处在容易维护的卸压带内。采空区内布置巷道，正是这种巷道布置原则的具体实践，德国和英国一些矿井已经开始这样做,我国个别矿井也进行实践。在采空区内布置巷道，除前述的先回采煤柱后送巷以外，对主要煤层巷道(采区上山，煤层大巷、区段平巷)来说，还有两种方法：图37 巷道在采空区内的布置 a一 宽工作面掘进的留巷；b一 采区上山布置在老采空区内；c一 回采巷道布置在老采空区内图37 巷道在采空区内的布置 a一 宽工作面掘进的留巷；b一 采区上山布置在老采空区内；c一 回采巷道布置在老采空区内 图32 巷道在采空区内的布置 a一 宽工作面掘进的留巷；b一 采区上山布置在老采空区内；c一 回采巷道布置在老采空区内。3长壁开采的多巷布置 传统的长壁工作面，其回采巷道多采用单巷布置，有的为解决掘进和高瓦斯工作面通风问题，也用双巷布置。但美国和澳大利亚，在引进长壁开采后，由于受传统的连续采煤方法的影响，其回采巷道仍采用多巷布置方式，最少要平行掘进三条,多者五条巷道。这种巷道布置方式突出的优点是：掘进出煤量大，巷道多，给出煤、通风、行人和材料运送提供了方便条件，可使综采工作面实现高产高效。多巷间的煤柱，可在长壁面回采的同时，用连续采煤机回收。90年代以来，美、澳两国不断创造综采工作面日产、月产和年产的世界纪录，除了其开采自然条件好外，这种多巷布置方式也是重要因素之一。近年英国也引进了这种巷道布置方式，作为促进其综采工作面实现高产高效的重要技术措施。图33长壁工作面的多巷布置 开采三、深井开采主要灾害防治 深部开采出现了一系列新问题和新特点。其中，建井技术难度增加；岩层发生岩层发生变化，软岩增加，压力增大，巷道位移量变化，软岩增加，压力增大，巷道位移量增大，巷道维护，尤其是采准巷道维护更增大，巷道维护，尤其是采准巷道维护更加困难；冲击地压发生频率加困难；冲击地压发生频率增加；地温增高；瓦斯含量增高；底板突水事故增加等。所以煤矿迫切要求对深部开采进行深入研究。（一）深井巷道矿压与控制深井巷道矿压显现特点 1、巷道变形量大 深井巷道矿压显现的显著特点之一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。俄罗斯和乌克兰的研究表明，随开采深度加大，巷道变形量呈近似线性关系增大；从600m开始，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量平均增加1011(图31)。理论分析表明，深部开采的巷道变形量随开采深度增大呈近似直线关系增大，开采深度每增加100m的巷道变形增量与岩体强度有关。国内外深部开采的实践表明，开采深度为8001 000m时，巷道变形量可达1 0001 500mm，甚至更大，与开采深度和岩石力学性质(破裂区厚度)等因素有关。图3-1 顶底板移近量与开采深度的关系 由于深井巷道变形量大，若支护不合理(如采用刚性支架或支架的可缩量不足)时，巷道变形、破坏严重，因此，深井巷道的维修工作量大，维护费用高。实践表明，深部开采的巷道翻修率(损坏率)可达4080(部分是由于支护不当造成的)，甚至高达100，与开采深度、岩石力学性质、支护方式、支架力学性能与参数特别是可缩量等有关。2、掘巷初期变形速度大 深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很大。赵各庄矿的现场观测表明，深井巷道刚开挖时的变形速度可达 50mmd以上，如图32 。观测巷道为赵各庄矿13水平东翼阶段运输巷(现场称为电车道)，埋深1159m，围岩为煤至半煤岩，锚喷网支护。鉴于观测站的设置通常滞后于掘进工作1d(有时2d)，因此，可以预计巷道开挖瞬间的变形速度将更大。事实上，在深井软岩条件下，测得巷道掘出初期的变形速度高达80mmd (围岩为砂质泥岩，埋深700m)。在大的变形速度(变形压力)作用下，将引起深井巷道的支架载荷急剧增大，从而表现出深井巷道矿压显现的支架载荷变化特点，这就是通常所说的深井(软岩)巷道“来压”快。图3-2 深井巷道变形速度特点巷道掘出后，变形速度随时间的延续呈负指数曲线急剧衰减，经过一定时间后趋于稳定(图33)。如前所述，巷道收敛变形主要是由于处于残余强度状态的破裂区围岩破裂膨胀变形的结果，因此，深井巷道变形速度的上述规律表明：巷道围岩破裂区的形成经历了一个时间过程(此时间过程的长短与围岩破裂范围即破裂区厚度有关)；深井巷道围岩破裂的发展速度在巷道刚开掘时较快，以后逐渐衰减，直至破裂区完全形成。3、变形趋于稳定的时间长和长期蠕变 变形趋于稳定要经历一个较长的时间过程是深井巷道矿压显现的又一大特点。从图29可见，赵各庄矿13水平东运输大巷的变形稳定期(变形趋于稳定经历的时间)约两个月。巷道变形稳定期与围岩破裂范围大小有关破裂区厚度越大，巷道变形稳定期越长。实测表明：围围岩破裂区厚度岩破裂区厚度(松动圈松动圈)LO4m时，破裂区的时，破裂区的形成即巷道变形趋于稳定的时间为形成即巷道变形趋于稳定的时间为35天；天；L=0410 m时，为时，为515 d；L1015m时，为时，为1530d，L=1520m时，为时，为3045d。赵各庄矿13水平东运输大巷的破裂区厚度(松动圈)实测为216m，该巷变形趋于稳定的时间约60d，与上述实测规律一致。虽然深井巷道开掘后要经过较长时间变形才能趋于稳定，但巷道的收敛变形大部分发生在开掘后较短的一段时间内。赵各庄矿的实测表明，该矿13水平东运输大巷掘出后仅5d的变形量就达到其变形总量(不计蠕变产生的变形量)的 4055，10d后该比例上升到6570。掘巷引起的巷道围岩变形趋于稳定后，变形速度维持在一个较低水平(赵各庄矿13水平东运输大巷实测为0.102mmd)。此后，巷道围岩保持这一速度不断变形，长时期处于蠕变壮态，直至受采动影响。因此，对于服务年限较长的深井巷道，如井底车场、阶段石门、阶段运输与回风大巷等，蠕变将产生较大的巷道变形，它对巷道维护的影响很大，不能忽视。以赵各庄矿13水平东运输大巷的蠕变速度0102 mmd计，若巷道服务年限为20a，则由于蠕变产生的巷道变形可高达7301460 mm。4、巷道底臌量大 底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。而且，从国内外的有关报道看，深部开采的巷道底臌现象具有普遍性。据俄罗斯对部分深井资料的统计分析；随开采深度增大，易于产生底臌的巷道比重越来越大(表3-1)；底臌量及其在顶底板相对移近量中所占的比重随开采深度增大而增大(图32)。表3-51 产生底臌的巷道比重开采深度m 600800 900 1 000 底膨比重 25 40 约80 图3-2 底臌量所占比重与开采深度的关系 德国通过对200多条巷道的实测，获得了顶底板相对移近量u、底臌量uf(均为占巷道原始高度的百分数)及底臌所占比重ufu的平均值如表33。观测资料还表明，开采深度每增加100m，巷道顶底板相对移近量占巷道原始高度的百分数增加66，而底臌占巷道原始高度的百分数增加39。即开采深度每增加100m的巷道顶底板移近量增量中，底臌占60，而顶板下沉只占40。可见，深部开采巷道变形量大主要表现为底臌，而顶板下沉量相对较小。巷道底臌产生的原因是多方面的，已有不少专著论述。究其支护方面的原因，主要是敞底式支护使得底板成为唯一最薄弱的临空面。因此，全封闭支护是控制深井巷道底臌的基本措施。巷道底臌增加了深部开采的巷道矿压控制难度，使支护复杂化。表3-3 巷道顶底板相对移近量及底臌所占比重巷道类别 开采深度m u uf uf/u/%开拓与准备巷道 1000 22 18 82回采巷道 922 40 32 80 5、冲击地压发生的频率和强度增大 理论研究和生产实践都表明，矿山冲击地压发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。实践表明，深部开采发生冲击地压的频率大大增加，冲击的强度显著增大。深部开采的冲击地压问题在岩体强度普遍较大的金属矿山更为突出。深部开采的巷道矿压控制原则巷道布置:应力降低区；稳定且具有一定厚度的较坚硬岩层中；有一定的法线距。巷道保护:无煤柱护巷；煤柱护巷;人工构筑物。巷道支护:单一支护；联合支护。巷道卸压:巷道内卸压：(钻孔卸压、开槽卸压、钻孔松动爆破卸压、导巷掘进卸压）；巷道外卸压：（上煤层预采卸压上煤层工作面跨采、掘巷道卸压或洞室卸压、宽面掘进）。巷道加固：机械加固（锚杆锚索及联合加固）；化学加固（围岩深孔注浆、合成树脂加固）。先柔后刚，二次支护。图55 煤层底板中危险区位置的一般示意图 SA、SB 一支承压力宽度；C一边缘压酥宽度；LA、LB、L1、L2 危险区 边缘区压酥带宽度一般可取C0.5+3M(M一采高)；采空区侧危险区宽度L1、L2可取范围约为1015m。经验表明，由于在采空区底板上能够形成支承压力集中区，所以在采空区下方的危险区深度可取45m。在上方已经采空的岩层中掘进平巷时，同样应当将平巷布置在危险区范围以外。在开采煤层群时，特别是在开采近距离煤层群时，平巷可能不只是受上方采空的作用。这将取决于所采用的准备方式(联合的或分层的准备方式)，以及还取决于运输平巷是否还作回风平巷使用。在用下行顺序开采煤层时，在运输的服务期间，平巷可受上部煤层开采的上方采空作用，而以后在开采中又受本煤层支承压力的作用，有时还受以后下部煤层开采的下方采空的影响。由于没有计算危险区尺寸的可靠方法，只好针对具体条件，采用模型方法。建议在可能的条件下，应当将上方被采空的平巷布置在坚硬岩层中，但是这个问题应当根据充分的技术经济计算，并考虑掘进巷道的附加费用，掘进平巷的提高费用和平巷修理费用的变化来决定。不能将平巷直接布置在厚度大而坚硬煤层下方的软岩中，因为此时在多数情况下，支架都要受高压的作用。解决预测矿山压力显现的问题，可以提高开采的经济效益，及时地预防事故险情，即可以防止采掘计划被打乱，避免人身事故和不必要的冒险，以及减少其它形式的损失。直到现在，对矿山压力显现现象的预测方法，研究的还很不够。只是某些预测方法得到了应用，也不是经常的，而且还有很大的局限性。在文献中会常常论及象地面工程结构问题一样，对采场矿压问题进行计算预测，无疑这是朝着解决问题的最终目标采取的某些步聚。但在这些见解中，有些确实能够解决工程问题，而多数却偏离实际甚远。解决预测矿山压力显现的问题，可以提高开采的经济效益，及时地预防事故险情，即可以防止采掘计划被打乱，避免人身事故和不必要的冒险，以及减少其它形式的损失。直到现在，对矿山压力显现现象的预测方法，研究的还很不够。只是某些预测方法得到了应用，也不是经常的，而且还有很大的局限性。冲击矿压治理措施冲击矿压治理措施 为了减缓以至消除冲击矿压危险，必须进行治理，各项研究工作和预测预报的目的完全是为了保证治理工作的有效性和合理性。因此，正确地执行各种治理措施，对于确保安全生产、避免或减轻冲击矿压的危害具有重要意义。根据冲击矿压的发生原因和规律，治理措施的基本原理包括两方面：一是减缓应力梯度，即降低应力的集中程度或使应力高峰位置向煤体深部移动，从而避免产生大量弹性能积蓄并释放的外界条件；二是改变煤岩体本身的结构及物理力学性能，以减弱其积蓄和释放弹性能的能力，并减缓其破坏时的能量释放速率。根据治理的作用目的和时空范围，治理措施分三大类：防范措施、解危措施和防护措施。第一类是战略性或区域性措施。这类措施旨在消除产生冲击矿压的条件，其特点是：在完备程度上具有彻底性，在时间上具有长期性，在空间上具有区域性。属于这类措施的主要有：合理选择开拓布署和开采方式，事先对顶板或煤体进行无冲击处理等。第二类措施为战术性或局部性措施。这类措施旨在对已形成冲击矿压危险或可能具有冲击危险地段进行解危处理，属于暂时的、局部性的措施。卸载钻孔、诱发爆破、煤层卸载、注水等均属此类。第三类属于被动性措施，目的是在发生小规模冲击矿压时，尽量避免人员伤害或设备损坏。例如，加强支护、宽巷掘进等即属此类。显然应优先考虑战略性措施。但由于矿山自然地质条件和生产技术情况的复杂性，更主要由于人们对冲击矿压发生条件还不能完全掌握，因此不可避免地形成一些具有冲击危险的地段。因而，战术性的防护、解危措施亦是必不可少的。综上所述，常用的冲击矿压治理措施及其作用原理见表41。防 范 措 施解 危 措 施防护措 施避免形成高应力集中，避免产生能量积聚的条件，预先改变煤岩冲击倾向降低应力梯度，创造能量释放条件，破坏煤岩结构避免造成灾害事故开采解放层合理的开拓开采布置煤层预注水煤层超前松动爆破顶板预注水顶板超前爆破煤层卸载注水煤层卸载爆破煤层松动爆破煤层卸载钻孔顶板爆破处理底板爆破处理加强支护宽巷掘进爆破工艺制度控制