深井开采特点及部分灾害防治-01.ppt

深井开采特点及部分灾害 防治李 德 忠 教授 E:dzhli@aust,T:13955443699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800~1200m，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8—12m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10—15m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 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、 生产事故中总数的40%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50%以上， 至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 巷道量大面广，有各类巷道5万多公里，每年用于 巷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 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 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(包括开拓部 署和巷道布置)老化，不适应当代生产技术发展的 要求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 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 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具有代表性的开拓部署和巷道布 置方式有：“三个一”矿井(即一个矿 井、一个水平、一个采区，较少工作 面)、联合矿井等，这些新型矿井的 共同特点是：系统简单、环节少，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 1.新区大型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1200—1500万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*2．4m，倾角 170，装两台钢绳芯胶带输送机， 带宽1500mm，能力2000t／h 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 3．04m／s、能力1800t／h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2—1)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σz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3—1)，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3—1 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3—7 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3—7 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3—2 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3—3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10％～11％(图3—1)。

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800～1 000m时， 巷道变形量可达1 000～1 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40％～80％(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50mm／d以上，如图3—2 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80mm／d (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，。