深礦井開采技術(shù)

高 宇 柴 然 李 鵬

( 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，因此煤礦深井開采已經(jīng)是世界上主要采煤國目前和將來要面臨和解決的問題。在我國的東部發(fā)達(dá)地區(qū)，能源的需求量很大，這就把礦井的深度開發(fā)提到了日程，一些企業(yè)甚至已經(jīng)走到前面。而一些新建礦井在投產(chǎn)時，井深就已經(jīng)達(dá)到或超過了1000m。

1 國內(nèi)外煤礦深井開采的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對礦產(chǎn)資源需求的快速增長和科學(xué)工程技術(shù)的迅速發(fā)展，礦山開采深度也在不斷增加，南非有些金礦開采深度已達(dá)3800 多m，立井井底已達(dá)地表以下4000 多m，東歐和俄羅斯的一些礦井已達(dá)1400 ～1500m，北美超千米的礦井有30 多座，其中美利堅有11 座，中國也已有超過千米的深井。德國、英國、波蘭、俄羅斯、日本等都是世界上的主要采煤國，在這些國家中已有很多的煤礦深井被開發(fā)。英國煤礦礦井的平均深度是700m(1996 年數(shù)據(jù)，以下同)，最深的已經(jīng)達(dá)到1000m。德國煤礦礦井的平均開采深度是947m，最深的達(dá)到了1713m。波蘭煤礦的平均采深為690m，最深的達(dá)1300m。俄羅斯的很多礦井已經(jīng)被開采到深達(dá)1200 ～1400m。這些國家同時也是對深礦井開采研究較早、較多的國家。在深礦井開采的地壓控制、制冷降溫以及瓦斯管理等方面做了大量研究，并取得了許多成功的經(jīng)驗。

2 淺部開采與深部開采的不同

2.1 深部開采環(huán)境與淺部開采環(huán)境的顯著區(qū)別在于深部礦巖所處的特殊環(huán)境，即復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動。礦井深部開采時，不僅承受高地應(yīng)力，而且大量的巷道要遭受巨大的回采空間造成的劇烈的支承壓力作用，此時受采動擾動的巷道的圍壓是原巖應(yīng)力的數(shù)十倍，因此致使在淺部表現(xiàn)為一般堅硬的巖石，在深部可能表現(xiàn)出軟巖變形大、支護(hù)難、地壓大的特征;賦存較淺的原巖體多數(shù)處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，一旦隨采深加深以后則可能轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，此時壓、剪應(yīng)力超過巖石的強度由各向不等壓的原巖應(yīng)力引起的，致使巖石的破壞。

2.2 巖體的力學(xué)行為特性深部巖體的上述復(fù)雜環(huán)境，致使深部巖體的結(jié)構(gòu)組織、行為特點和工程響應(yīng)都發(fā)生了根本性變化。具體表現(xiàn)在:(1)深部巖體動力響應(yīng)的突變性;(2)深部巖體開挖巖溶突水的瞬時性;(3)深部巖體的脆性—延性轉(zhuǎn)化;(4)深部巖體的強流變性和大變形。

3 深部開采中的主要災(zāi)害形式

3.1 高地應(yīng)力導(dǎo)致的巖爆、大面積冒頂。

3.2 高地溫導(dǎo)致煤層自燃、炸藥自爆、人的生理承受力增大。

隨采深增加，地溫增高，地溫越高，煤層原始溫度越高，導(dǎo)致圍巖層溫度越高，改善了自燃的蓄熱條件，導(dǎo)致煤體與環(huán)境風(fēng)流溫差較大，增大了漏風(fēng)供氧動力——熱風(fēng)壓，導(dǎo)致煤體自身的耗氧速度和氧化放熱強度即煤體氧化放熱性能增強，最終導(dǎo)致煤體自燃危險性增大。因此，在深部較高的溫度環(huán)境下，更易引起煤層的自然發(fā)火。

深井開采中，鉆孔孔底的溫度較高，當(dāng)孔底溫度高于炸藥的安全使用溫度時，易引起炸藥燃燒或爆炸。在惡劣的熱環(huán)境下，人體會出現(xiàn)一系列生理功能反常，會影響人的健康和安全。

3.3 高壓巖溶水導(dǎo)致突水事故嚴(yán)重。

4 深井開采災(zāi)害的控制技術(shù)

圍巖應(yīng)力高的問題，能夠通過加強支護(hù)來處理;開采過程中突水的問題，可以用傳統(tǒng)的方法可以處理，關(guān)鍵是預(yù)測預(yù)防措施應(yīng)該與現(xiàn)代化技術(shù)相結(jié)合。

4.1 巖爆的主要控制技術(shù)

4.1.1 區(qū)域性防治技術(shù)

該措施的基本原理是盡可能避免采礦工作區(qū)域大范圍應(yīng)力或應(yīng)變能集中，使巖體內(nèi)的應(yīng)力或能量處于極限平衡狀態(tài)以下來控制巖爆:(1)合理布置礦山開拓系統(tǒng);(2)巖層預(yù)注水;(3)開采保護(hù)層;(4)充填采空區(qū);(5)及時放頂。

4.1.2 局部解危技術(shù)

(1)在有巖爆跡象的工作面打大孔徑鉆孔，增加工作面附近巖體塑性，降低局部巖體承壓強度，使工作面附近應(yīng)力峰值進(jìn)一步向原巖體內(nèi)推進(jìn)，達(dá)到降低可能發(fā)生的巖爆強度或防止巖爆發(fā)生的目的;(2)采用松動爆破降低采場工作面巖體強度，使應(yīng)力增高區(qū)進(jìn)一步遠(yuǎn)離采場工作面，局部解除處于極限狀態(tài)巖體發(fā)生巖爆的危險;(3)根據(jù)預(yù)計可能發(fā)生的巖爆機(jī)理和強度，選擇相應(yīng)的支護(hù)方法。(4)架設(shè)防沖擊擋板、格柵等保護(hù)井下作業(yè)人員和設(shè)備安全。

4.2 深礦井開采的地?zé)釂栴}及處理

4.2.1 礦井高溫的產(chǎn)生

(1)熱源分類。導(dǎo)致礦井里面的氣溫升高的熱源因素有很多，具體來說可分為相對熱源和絕對熱源。致使礦井氣溫升高的熱源因素很多，有相對熱源與絕對熱源之分。相對熱源，包括高溫巖層和熱水散熱。絕對熱源，包括化學(xué)反應(yīng)、機(jī)電設(shè)備和空氣壓縮等熱源。

(2)熱源。影響礦井空氣溫度升高的重要原因是熱源高溫巖層散熱，當(dāng)?shù)V井有較高溫度熱水涌出時，將影整個礦井系統(tǒng)的微氣候。礦井中的地?zé)豳Y源、采煤中運用的機(jī)電設(shè)備在運行時的放熱、被運送到地面的煤、矸石的放熱和風(fēng)流下行時自壓縮放熱等成為礦井溫度升高的主要成因。

4.2.2 造成礦井高溫的因素

(1)較大的開采深度、較高巖石溫度。

(2)地下熱水涌出地下水不僅易于流動，而且水的熱容量大，是天然的熱源載體。巖層中的熱水使得井巷圍巖加熱，同時也預(yù)熱了風(fēng)流;熱水涌入巷道中，直接加熱了風(fēng)流。

(3)生產(chǎn)工作面風(fēng)量較低通風(fēng)困難風(fēng)量偏低，是國內(nèi)目前造成采掘工作面氣候條件不佳的具有普遍性的因素。調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果表明，我國煤礦長壁工作面供風(fēng)量81%以上在210 ～810m3/min 之間。根據(jù)降溫要求，高溫度的回采工作面風(fēng)量至少應(yīng)在810m3/min 以上。

4.2.3 礦井地?zé)釣?zāi)害治理

采掘工作面的空氣溫度最高不得超過28°是我國地下礦山安全規(guī)程中的明確規(guī)定，否則應(yīng)采取降低溫度或其他方高溫措施。主要是非制冷空調(diào)降溫和制冷空調(diào)降溫。

(1)非制冷空調(diào)降溫。①減少熱源法;②充填采礦法降溫;③合理的開拓方式降溫;④通風(fēng)降溫。

(2)制冷空調(diào)降溫。①輸冷，用冰塊輸冷較用水輸冷有利。井越深，這種優(yōu)點就越突出;②制冷;③傳冷，噴淋式空冷器傳冷、空氣冷卻器傳冷、其他傳冷方式傳冷三大類;④排熱，在地面安設(shè)時，排熱問題相對簡單;當(dāng)制冷機(jī)安設(shè)在井下時，排熱問題比較困難，不易處理。

［1］何滿潮.深部開采巖體力學(xué)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005 -08 -30

［2］李化敏，付凱. 煤礦深部開采面臨的主要技術(shù)問題及對策［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2006 -12 -30