深部復(fù)雜條件開采技術(shù)探索

摘 要：煤炭生產(chǎn)已經(jīng)經(jīng)歷了多年，特別是近年來開采量迅速增加，大型礦井不斷投產(chǎn)，這勢(shì)必造成煤炭開采深度會(huì)不斷增加。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)能源需求量也不斷加大，礦井延深速度快，不少煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開采。所以，深部復(fù)雜條件的開采技術(shù)是煤炭行業(yè)亟待研究解決的難題。

關(guān)鍵詞：煤炭生產(chǎn)；深部開發(fā)；問題

1 深部開采面臨的困難

1.1 礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道維護(hù)量劇增

由于采深的增加受自然重力的原因，礦壓必然增大，礦壓顯現(xiàn)要遠(yuǎn)比淺部開采明顯，所以深部巷道維護(hù)量增大。在深部底臌、巷幫變形、支護(hù)的錨桿崩斷、鋼梁彎曲或折斷都成為常見的地壓現(xiàn)象。這就必然需要投入大量的精力對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)。

1.2 煤巖破壞過程強(qiáng)化，沖擊地壓危險(xiǎn)性增加

隨著開采深度的增加，煤巖體應(yīng)力升高，沖擊地壓發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和破壞程度都會(huì)顯著增加。

1.3 瓦斯壓力增高，突出的可能性增加

在深部的煤層中，瓦斯賦存的條件會(huì)比較好，會(huì)更容易造成瓦斯含量及瓦斯壓力增加，并增加瓦斯突出的可能性。

1.4 地?zé)嵩黾?，氣候條件惡化

普遍來說隨著深度的增加，溫度將不斷升高。使得工人的工作環(huán)境惡化同時(shí)也對(duì)機(jī)械設(shè)備造成較大的影響。

1.5 水文地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖軟化

隨著深度的增加礦井勢(shì)必要穿過更多的含水層，其中個(gè)別地區(qū)可能會(huì)遇到富水層。另外，隨著開采深度的增加礦井會(huì)接近奧灰水，奧灰水的水量、壓力對(duì)礦井可能造成嚴(yán)重影響。所以如何解決水的問題也至關(guān)重要。同時(shí)隨著圍巖含水的增加，巖石也將被軟化對(duì)巷道支護(hù)等造成一定的影響，可能影響支護(hù)效果。

1.6 生產(chǎn)成本升高，經(jīng)濟(jì)效益下降

在開采深部的煤炭資源時(shí)，要實(shí)現(xiàn)安全順利生產(chǎn)就必須要解決上述面臨的困難，通常采取一系列措施，這些都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高，經(jīng)濟(jì)效益下降。

2 礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)

在深部進(jìn)行煤炭開采，面臨的最主要的影響就是礦山壓力。在高應(yīng)力作用下，圍巖移動(dòng)更為劇烈，巷道產(chǎn)生的變形和破壞也更為嚴(yán)重。巷道變形速度快、變形量大、影響范圍廣。巷道在從使用期間維護(hù)困難發(fā)展到掘進(jìn)期間維護(hù)困難，巷道掘好后不久將失穩(wěn)，巷道穩(wěn)定性隨深度增加逐漸惡化，使深部巷道的維護(hù)費(fèi)用劇增。

2.1 變形量大

深井巷道礦壓顯現(xiàn)的顯著特點(diǎn)就是巷道在掘進(jìn)期間就產(chǎn)生大的變形量。

經(jīng)過調(diào)查，隨開采深度的加大，巷道變形量呈近似線性關(guān)系增大，從600米開始，開采深度每增加100米，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均增加10%以上。如果支護(hù)參數(shù)選擇的不合理，巷道變形、破壞程度將會(huì)更加嚴(yán)重。

2.2 變形速度快

深井巷道礦壓顯現(xiàn)的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是，巷道剛掘出時(shí)的變形速度很快。這也增加了巷道維護(hù)的難度和維護(hù)工作量。

2.3 巷道底臌量大

底臌量大是深井巷道礦壓顯現(xiàn)的又一個(gè)顯著特點(diǎn)。底臌量與開采深度有很大關(guān)系，隨開采深度的增加，發(fā)生底臌的巷道比重也會(huì)越來越大，同樣底臌量也會(huì)隨著開采深度的增加而增大。

2.4 導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生

通過調(diào)查了解，煤礦沖擊地壓的發(fā)生、發(fā)生的頻率和沖擊強(qiáng)度與開采深度有密切的關(guān)系。隨開采深度增加，煤、巖體因變形而積聚的能量呈二次方關(guān)系增加。因此，在深部開采條件下，煤、巖體中積聚了巨大的能量，當(dāng)采礦活動(dòng)引起的能量釋放速度大于煤、巖體破壞消耗的能量速度時(shí)，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。而發(fā)生沖擊的概率明顯比淺部要大得多。

3 支護(hù)技術(shù)探討

3.1 礦井開拓布局

礦井的生產(chǎn)開拓布局對(duì)以后的生產(chǎn)是否順利、效率高低、巷道維修工作量及安全管理都關(guān)系很大。所以如何最優(yōu)的進(jìn)行開拓布局是非常關(guān)鍵的。通過了解分析，可采取的措施主要有：

3.1.1 主副井的井筒支護(hù)方式一定要恰當(dāng)。

3.1.2 大巷及井底車場(chǎng)的層位選擇和支護(hù)強(qiáng)度要恰當(dāng)。

3.1.3 要合理安排工作面的接續(xù)及沿空掘巷煤柱尺寸。

3.1.4 選擇好軌道、皮帶、回風(fēng)三條大巷的位置關(guān)系。

3.2 巷道支護(hù)形式

對(duì)于解決巷道大變形的辦法一般有兩種：一是預(yù)留變形，大斷面巷道，二是抵抗變形，小斷面高強(qiáng)剛性支護(hù)巷道。

3.2.1 預(yù)留變形，大斷面巷道

據(jù)了解有一些礦井是采取了大斷面預(yù)留變形的形式來應(yīng)對(duì)巷道的大變形。當(dāng)巷道圍巖移近量非常大，特別是工作面兩順槽在回采期間需進(jìn)行多次臥底，于是采用了預(yù)留變形、大斷面巷道的設(shè)計(jì)思路。巷道高度達(dá)4.2-4.6米，巷道寬度達(dá)4.8-5.0米或者更大，并預(yù)留部分底煤以便進(jìn)行臥底工作。

巷道支護(hù)形式多為錨網(wǎng)（索）支護(hù)，通過加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍來盡量控制巷道的變形。但由于深部礦壓非常大，巷道變形難以抵抗，故采用大斷面巷道只是在巷道變形至影響使用前將工作面推出，如工作面推進(jìn)較慢或巷道變形量太快、太大仍需對(duì)巷道進(jìn)行處理修護(hù)。

在巷道初期的支護(hù)強(qiáng)度非常關(guān)鍵。所以要盡量加大巷道掘進(jìn)期間的支護(hù)強(qiáng)度。在支護(hù)參數(shù)上可采用高強(qiáng)錨桿（索），恒阻大變形錨桿及錨網(wǎng)索-桁架耦合技術(shù)等。

3.2.2 抵抗變形，小斷面巷道

通過調(diào)研，有一些礦井的巷道支護(hù)形式則是采用小斷面抵抗變形的形式。他們采用的巷道支護(hù)方式一般為：雙層錨網(wǎng)噴梁反底拱支護(hù)，噴厚130-150mm；U型鋼棚、直墻半圓拱斷面噴漿灌注，灌注厚度300mm和砌碹支護(hù)方式。巷道斷面多為3.8*3.5米的半圓拱巷道。

這幾種支護(hù)方式支護(hù)強(qiáng)度較大或者說被動(dòng)支護(hù)的強(qiáng)度較大。但主動(dòng)支護(hù)強(qiáng)度不是太大。這和其礦區(qū)的地質(zhì)條件有很大關(guān)系。

采用這種支護(hù)方式能抵抗一定的巷道變形，但仍不能完全保證巷道無變形且采取此支護(hù)方式巷道修護(hù)比較困難，增加了巷修的難度。

無論采取何種支護(hù)方式，都要根據(jù)各礦井的實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行選擇，要結(jié)合安全、生產(chǎn)、材料、工作習(xí)慣以及礦井的提升、運(yùn)輸系統(tǒng)等進(jìn)行全面分析考慮。

3.3 回采工作面管理

3.3.1 工作面的特點(diǎn)

隨著埋藏深度的增加，頂板巖層有逐漸變碎和強(qiáng)度降低的趨勢(shì)；同時(shí)工作面遇到的斷層、裂隙、層理和節(jié)理逐漸發(fā)育，同一層位的巖層分層厚度逐漸變薄，弱面增多，采場(chǎng)頂板懸頂長(zhǎng)度逐漸減小，由不容易垮落變得容易垮落；在頂板巖層變碎和強(qiáng)度有所降低的情況下，深部的采煤工作面出現(xiàn)漏、冒頂事故的可能性加大。

3.3.2 工作面頂板控制

（1）對(duì)工作面前方已產(chǎn)生裂隙的煤、巖體（特別是工作面的兩個(gè)出口處），可采取超前注漿的辦法，使煤巖體固化，提高其自身強(qiáng)度，保證它的穩(wěn)定性；（2）盡量縮小端面空頂距，減小無支護(hù)面積；（3）提高前梁支撐力，并及時(shí)進(jìn)行移架，減小新暴露頂板的無支護(hù)時(shí)間；（4）從設(shè)計(jì)上要盡量避免應(yīng)力重合或人為的造成應(yīng)力集中；（5）合理安排工作面接續(xù)，優(yōu)化采掘作業(yè)的時(shí)間和空間，避免在不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行采掘作業(yè)；（6）做好礦壓觀測(cè)工作，掌握初次垮落、初次來壓、周期來壓步距、超前支承壓力的影響范圍、支柱載荷及巷道圍巖變形規(guī)律；（7）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)職工的合理操作，避免由于煤機(jī)司機(jī)和支架工配合不好或支架工自身操作造成頂板事故；（8）要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)采取可靠地措施，如上網(wǎng)、上木料、鋼梁等避免事故擴(kuò)大。

3.3.3 工作面兩道超前支護(hù)

通常工作面兩道超前支護(hù)的方式有：使用單體液壓支柱托鉸接梁（十字鉸接梁等）支護(hù)巷道，使用超前液壓支架進(jìn)行超前支護(hù)，再就是兩者混合使用的方式。超前支護(hù)的范圍要根據(jù)平時(shí)觀測(cè)的巷道變形情況而定，必要時(shí)打設(shè)密集支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。應(yīng)該說使用單體和超前支架兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，各礦還要根據(jù)各礦井自身?xiàng)l件進(jìn)行科學(xué)合理的使用。

作者簡(jiǎn)介：李哲（1980，2-），男，畢業(yè)于河北建筑科技學(xué)院，采礦工程專業(yè)，工程師，工作在大屯煤電公司生產(chǎn)技術(shù)部。