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影响深部采区开采的主要因素及对策
【摘　要】通过对中煤大屯公司徐庄煤矿以后将要进行深部开采将遇到的地压、地热、瓦斯等自然因素客观分析与研究，从而为科学合理定制深部开采方法，保证安全生产而提供可靠依据。
【关键词】深部开采；系统分析；地压地热瓦斯
1　矿井储量概况
中煤大屯徐庄煤矿采用竖井石门、分水平多阶段开拓方式。煤炭储量分布在井筒东、西两翼，主采煤层分别为7#、8#煤层。1979年12月份投产以来，随着矿井对浅部可采煤层的回采，其浅部井田实际剩余回采储量已不足千万吨，井田大量的煤炭资源均分布在井田深部。尤其是井田西翼煤炭由于浅部煤层受到火成岩的侵蚀，资源全部集中在深部，井田深部煤炭资源的可采储量超过亿吨，矿井今后几年将不可避免的面临深部开采的现状，因此分析影响矿井深部采区开采的所遇主要因素已成为徐庄煤矿当务之及。
2　深部采区开采影响因素分析
根据近几年徐庄煤矿已经完成的深部水平-750东（西）翼大巷开拓及ⅱ1、ⅱ3采区上山掘进工作，及-750m水平其它的掘进活动（尤其是ⅱ3采区探煤上山掘进过程中及后期的矿压显现和ⅱ3采区放水巷掘进过程中遇到的高温热害）并参考国内其他一些深部矿井开采的实际开采情况总结出影响其深部开采的因素有如下。
2.1　矿压显现加剧，巷道维护困难
徐庄煤矿-750m水平大巷掘进过程中，在掘进头后面巷道就出现了不同程度的围岩开裂、底鼓、甚至顶板下沉现象，尤其在ⅱ3采区上山掘进及采区巷道准备期间矿压显现更为严重。ⅱ3采区自－750水平沿煤层倾斜方向布置三条上山至－550水平，即轨道上山、皮带上山和通风行人上山。回风上山、轨道上山和皮带上山在层位上均布置在八煤层底板岩石中，为探明采区煤层产状还沿7煤顶板布置一条探煤上山。采区轨道上山和通风行人上山倾角均为18°30′，皮带上山倾角为16°。四条上山分别自2007年9月、2007年3月、2008年8月开始组织掘进施工，根据观测，自掘进工程完成后至2009年底处于煤层底板下方的三条岩石上山分别出现顶板开裂（过断层及穿煤层段更为严重）、底板鼓起400mm以上，但未发现明显的两帮及顶板位移。围岩位移较为明显的是探煤上山，自掘进结束后半年内顶、底板及两帮位移达到500mm以上，出现失修和严重失修巷道比例增加，且常常出现前掘后修、重复反修的现象。深井巷道维护问题已成为整个矿井生产系统中的最薄弱环节。
2.2　煤岩破坏过程强化，冲击地压危险性增加
据专家论证，我国发生冲击地压的深度在200至1000m。由于采深的增加，有冲击地压的矿井逐渐增多。发生冲击地压矿井20世纪50年代为7个，60年代为22个，目前已增加到33个。冲击地压发生的次数、强度和危害程度随深度的增加日趋严重。
中煤大屯公司徐庄煤矿分别于2010年9月、2011年4月，将ⅱ3采区第一、第二中部车场煤样送于中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室进行煤样冲击倾向性分析。根据《中华人民共和国行业标准》mt/t174-2000和mt/t866-2000，对其煤样冲击倾向性指数测定结果如表１。
表1　煤样冲击倾向性测试结果
（ⅱ3采区第一中部车场　标高-560m）
根据煤样冲击倾向性指数的测定结果，对照根据《中华人民共和国行业标准》mt/t174-2000和mt/t866-2000，测得大屯徐庄煤矿送检的ⅱ3采区第一中部车场的煤样弹性能指数wet=5.9、冲击能指数ke=9.96、动态破坏时间dt/ms=26ms，煤层的冲击倾向性为强冲击倾向。
表2　煤样冲击倾向性测试结果（ⅱ3采区第二中部车场）
根据煤样冲击倾向性指数的测定结果，对照根据《中华人民共和国行业标准》mt/t174-2000和mt/t866-2000，测得大屯徐庄煤矿送检的ⅱ3采区第一中部车场的煤样弹性能指数wet=3.6、冲击能指数ke=5.16、动态破坏时间dt/ms=31ms，煤层的冲击倾向性为强冲击倾向。
根据以上监测数据可以看出徐庄煤矿井田深部采区煤（岩）体具有强冲击倾向性，开展针对冲击地压的研究、监测、防治工作是矿井矿压监测监控的重点，也是矿井深部采区安全生产的保障措施之一。
2.3　瓦斯压力增高，煤与瓦斯突出危险严重
根据井田在历次勘探过程中对7、8煤层分别作了瓦斯采样，煤层瓦斯测定成果表明，成份以氮气为主瓦斯含量均低于2cm3／克·可燃基。再根据矿井瓦斯测定分析资料，7、8号煤层瓦斯成份以二氧化碳为主，甲烷含量低。从抽取徐庄矿2008年8月份矿井瓦斯等级鉴定报告汇总表得出，全矿井相对瓦斯涌出量为0.0065m3/t，相对二氧化碳涌出量为3.8282m3/t；全矿井绝对瓦斯涌出0.0199m3/min，绝对二氧化碳涌出量为11.7338m3/min。根据《煤矿安全规程》第133条规定：矿井相对涌出量小于或等于10m3/t，且矿井绝对涌出量小于或等于40m3/min的矿井为低瓦斯瓦斯矿井，因此，从实际生产资料得知徐庄煤矿为低瓦斯矿井。
矿井瓦斯实测资料与地质勘探采样测定的煤层瓦斯结果相符，为低瓦斯矿井，徐庄煤矿虽然为低瓦斯矿井，历年瓦斯等级鉴定结果都比较低，但由于随矿井采深的不断增加瓦斯压力增高，以及局部地段受构造等因素的影响，各种气体的涌出量均有可能增加，瓦斯涌出量必然面临增大的趋势。另外综采放顶煤回采工艺采空区空间范围比较大，可能积聚大量瓦斯。在老顶初次来压、周期来压、顶板大面积跨落采空区漏及风等情况下都有可能使瓦斯大量涌出。从国内外开采实践看，矿井深部开采时瓦斯涌出量一般较大，煤与瓦斯突出的问题已成为深部开采中不容忽视的重要问题。
2.4　深热矿井增加，气候条件恶化
随着矿井向深部开采，许多国家都遇到了不同程度的热害问题，徐庄煤矿也面临着同样的问题，-750m水平施工的ⅱ3采区放水巷跟8煤顶板施工，掘进期间巷道回风口温度超过30℃，气温过高严重影响人体健康，引发各种疾病，造成事故率上升，劳动生产率下降。
3　深矿井开采的地压、地热与瓦斯控制
3.1　矿压控制
在深矿井开采中，由于地压大，巷道从掘进到报废要经受比较大的变形与破坏。有些巷道需要反复维修，甚至有的难以维修需报废重掘，严重影响矿井生产。因此要根据地压规律，合理布置、支护和维护巷道。
3.1.1　巷道布置
巷道布置要遵循以下三个原则：（１）开拓和准备巷道要布置在岩石力学性能好的岩（或煤）层中；（２）巷道应布置在受采动影响小的位置；（３）缩短服务年限；
3.1.2　巷道支护
深矿井开采中，巷道支护结构应满足如下要求：（１）支护强度大，能抵抗高地压；（２）可缩性能好，可缩量大，能适应围岩的大变形；（３）封闭性能好，能够有效地防止底鼓；
3.1.3　巷道维护
在深井开采中，对高压区掘进的巷道，除了采取有效的支护来控制巷道变形和破坏外，还应在巷道形成前后或形成期间采取相应措施来减小巷道受压，即卸压或加固围岩，以达到保护巷道的目的，主要方法有以下几种：
１）卸压法：（１）超前导硐法，即在大断面巷道中先开一个小断面导硐，然后扩大导硐达到设计断面。该种方法效果明显，但影响掘进速度；（２）爆破卸压法，使用爆破松动围岩，实现卸压；（３）钻孔卸压，即压围岩中打钻孔实现卸压；（４）宽巷卸压，将巷道有意设计大于使用宽度与高度，支护使用宽度，宽掘部分可自由变形；（５）煤层注水，煤层注水是在采掘工作前，对煤层进行压力注水。注水一般是在已掘好的回采巷道或临近的巷道内进行。目的是通过压力水的物理化学作用，压力水进入煤体后沿弱面流动，起到压裂和冲刷作用，以及水对裂隙尖端的楔入作用(水楔作用)，使煤体扩大了原由裂隙，产生了新的裂隙，破坏了煤体的整体性，降低了强度，改变煤的物理力学性质，从而降低煤层冲击倾向性。实施煤体高压注水卸压，它不仅能消除或减缓冲击地压威胁，还可起到消尘、降温、改善劳动条件的作用。
２）围岩加固法：围岩加固其目的是提高围岩自身的支撑能力。围岩加固方法有两种：（１）机械加固，锚杆是目前最常用的机械加固方法。（３）化学加固，即将化学材料注入围岩裂隙内，待化学材料凝固后对围岩黏结以达到加固作用。
3.2　瓦斯控制
深部开采瓦斯控制一是控制矿井瓦斯涌出量；二是防止煤与瓦斯突出。相比之下，后者工作更为重要。其基本手段主要有：加大通风力度、开采解放层、瓦斯抽放、煤层注水、放震动炮等；
3.3　地热控制
地温随开采深度增加而增加，到了一定深度后热害将成为自然灾害。
降温措施采用综合措施。通过缩短通风线路长度、适当加大巷道断面、降低巷道阻力、适当加大风量，以及改造通风薄弱环节来达到通风降温的目的。
当通风降温不能解决热害问题时，应采取机械制冷降温措施，现正在掘进的-750西大巷已安装了空调制冷降温。
4　总结
随着矿井向深部开采的延伸，对影响矿井深部采区开采地压、地热、瓦斯等自然因素客观分析与研究，并结合分析结果采取相应措施，确保矿井稳定发展将起到积极的作用。通过综合分析，使深部采区工作面的整体布置、巷道断面及支护参数的选择、通风方式及风量的选择、防冲防热采取措施等更加合理化，最大限度减少灾害的发生，保证生产稳定，减少了煤炭资源的损失及巷道的维护工作面，降低生产成本、提高资源回收率等目的，为企业、国家将创造出更多的效益。
【参考文献】
［１］徐永圻.采矿学[m].徐州:中国矿业大学出版社,2006.
［２］徐永圻.煤矿开采学[m].徐州:中国矿业大学出版社,2009.
［３］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,1996.
［４］俞启香.矿井瓦斯防治[m].徐州:中国矿业大学出版社,1992.
［责任编辑：王洪泽］