煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的探讨.doc

煤矿深部开采相关灾害问题及应对措施的探讨摘要： 随着煤炭资源的开采向深部延伸,部分矿井已经出现或将出现高温、高突、高地应力、高岩溶水压、高瓦斯等灾害问题。结合深部地质灾害的特点,本文提出了一些深部开采出现的问题以及应对这些问题所采取的措施。abstract: with the deep extensions of mining of coal resources, part of mine has been or will appear high temperature, high axon, high geostress, high karst water pressure, high gas. according to the characteristics of deep geological disasters, this paper puts forward the problems in deep mining and measures to deal with these problems.关键词： 深部开采；五高；灾害；应对措施key words: deep mining；five “high”；disasters；measures中图分类号：td1 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）11-0295-021 我国煤矿开采现状1.1 开采深度 据预测，我国已探明的煤炭总储量中有65%以上的煤炭埋深在1000m以下，随着采煤机械化程度的提高，我国煤矿目前正以每10年100300m的速度向下延深。预计在未来10年，很多煤矿的开采深度将达10001200m。1.2 高温 地温是指煤矿井下岩层的温度。一般情况下，地温随开采深度的增加而增加。地温决定着井下采掘工作面的环境温度，即矿井温度。矿井深度的变化，使空气受到的压力状态也随之而改变。当风流沿井巷向下流动时，空气的压力值增大，空气的压缩会出现放热，从而使矿井温度升高。根据测量，越往地下深处，地温越高，这一指标由地热梯度来表现。近地表处的地热梯度则因地而异，一般为每千米2050不等，平均地热梯度是每千米25，大于这个数字的为地热梯度异常区，如断层附近或导热率高的异常局部地区，地温梯度可高达200/km。地温值大小与所在地区的大地热流量成正比，与热流所经岩体的热导率成反比。因此，地热梯度的区域性变化可能来源于热流量的变化，也可能来源于近地表岩体的热导率的变化。总得来看，在整个地球内部地温梯度是随深度的增加逐渐降低，但岩层温度是随深度的增加而增大。随着矿井向深部开采，井下作业环境条件在逐步恶化，岩层温度将达到摄氏几十度。由于缺乏技术、资金等问题，许多矿井热害治理仍然在靠通风、洒水等简单的物理降温方法进行降温。1.3 高瓦斯 我国所有煤矿均为瓦斯矿井。大中型煤矿中，高瓦斯矿井占20.34%，突出矿井占19.77%。小型煤矿中，高瓦斯矿井占15%左右，随着开采深度的不断增加，机械化程度的不断提高，开采强度的不断增强，瓦斯涌出量还会进一步增大。因此造成的瓦斯灾害事故频繁发生。近年来，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤矿事故有70%出现在开采深度600m以下的矿区。同时，我国原始煤层瓦斯含量大，瓦斯涌出强度高，瓦斯压力也随着煤矿开采深度的增加而加大，若煤层的原始透气性差，抽放瓦斯将更加困难。另一方面，深部煤层处于较高的温度环境下，更易引起煤层的自燃发火，触发矿井火灾和瓦斯爆炸事故的发生。1.4 高突 随着煤矿开采深度的增加，地压增强，以及煤层瓦斯压力大、含量高、煤质松软、透气性低，煤层瓦斯不易在采前抽采，导致在掘进、回采过程中瓦斯放散量大、放散速度快，再加上开采煤层地质条件复杂，发生高强度的煤与瓦斯突出灾害日趋严重。上个世纪80年代，南桐矿务局开采深度200-630m，平均开采深度380m，瓦斯压力1.5-6.0mpa；淮南矿务局开采深度340-570m，平均开采深度490m，瓦斯压力1.8-3.6mpa。目前，南桐矿务局开采深度已达到650-1100m，平均开采深度875m，瓦斯压力5.0-10.0mpa，所开采煤层已大部分成为强突出危险煤层；淮南矿业集团开采深度增加到600-1000m，平均开采深度达到800m，瓦斯压力4.2-5.6mpa，现有9对生产矿井全部为煤与瓦斯突出矿井，开采的煤层80%已升级为突出煤层，原来无突出危险的保护层也已升级为突危险煤层。1.5 高水压 进入深部以后，随着地应力及地温升高，同时会伴随岩层水压的升高。据实测，在采深大于1000m后，其岩溶水的水压高达7mpa以上，而且随着穿过的含水层增多，水量也会大大增加。矿井岩溶水压的升高和涌水量的增加，使得矿井突水灾害更为严重。1.6 高地应力 地壳内各点的应力状态不尽相同，并且应力随（地表以下）深度的增加而线性地增加。进入深部开采以后，仅重力引起的垂直原岩应力通常就超过工程岩体的抗压强度（20mpa）， 而由于工程开挖所引起的水平应力集中则远大于工程岩体的强度（40mpa），由此造成矿井的高地应力。高地应力会引起矿井围岩、支护变形和破坏，并引起矿井动力现象，是诱发冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出等事故灾害的主要因素之一。据山东科技大学用原位测量原理于2007年在赵楼煤矿（当时此矿采深已达到1000m）所作的地应力实测报告显示，水平地应力已经达到36.4mpa，并会随着采深加大而增大。2 现状所带来的问题2.1 井下温度升高、作业环境恶化 在深部开采条件下，岩层温度将达到摄氏几十度的高温，如目前我国国有重点煤矿中有70多处矿井的采掘工作面温度超过26，其中有30多处矿井超过30，最高达37，这些热害问题突出的矿井有平项山八矿、新汶协庄矿及徐州三河尖矿等。由于井下工作面温度升高，造成井下工人身体不适、注意力分散、劳动率减低，甚至无法工作。同时，井下温度的升高也缩短了煤层自燃发火周期，增大了煤层自燃的危险性。2.2 高瓦斯矿井数量增加 瓦斯和水害是造成煤矿重特大事故的主要元凶，而相比于透水，瓦斯爆炸时间短、威力大、有毒有害气体多，损失更为惨重。随着煤矿开采深度增加，我国煤矿开采深度平均每年将增加10至20米，煤矿相对瓦斯涌出量平均每年增加1立方米/吨，很多低瓦斯矿井也升级为高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井，预计在未来10年内，我国的高瓦斯矿井将占到全国煤矿总数的二分之一以上。2008年以来，通过政府部门加强监管，强力推进瓦斯综合防治各项措施的落实，提升企业装备水平，使煤矿瓦斯事故逐年同比明显下降。如2010年全国煤矿瓦斯事故起数和死亡人数同比分别下降7.6%和17.5%，其中，特别重大瓦斯事故起数和死亡人数同比分别下降50%和70.9%。但是目前仍有一些煤矿企业的瓦斯综合治理技术相对落后，防治措施落实不到位，使得瓦斯灾害事故仍然占到煤矿事故的53.8%以上，并且由于开采深度的增加，也给事故救援增加了难度。2.3 突出矿井数量增加 随着我国煤矿开采深度的增加，开采强度的不断增大，煤与瓦斯突出的危险性也在增加，突出危险区域也在扩大，部分原无突出危险的煤矿也开始出现动力现象，部分不是突出矿井的煤矿也不得不按突出煤矿管理。据统计，截止1999年底，我国大中型煤矿中共有突出矿井104处，而至2008年底，煤与瓦斯突出矿井已达到754处。随着突出矿井数量的增多，煤与瓦斯突出事故也呈逐渐增多趋势，而且现阶段世界上也没有彻底把煤与瓦斯突出的机理完全掌握，同样的防治措施在不同的矿井、不同的地质条件下，取得的效果也不尽相同，使得突出灾害不能彻底杜绝，同时也增加了矿井生产成本。2.4 透水（突水）事故趋于严重 透水（突水）是造成煤矿重大人员伤亡和财产损失的主要原因之一。自1984年6月2日河北开滦矿务局范各庄矿发生井下岩溶陷落柱特大突水灾害以来，先后在淮北杨庄矿、义马新安矿、峰峰梧桐矿、皖北任楼矿、徐州张集矿又相继发生特大型奥灰岩岩溶突水淹井事故，近年来又发生了内蒙古神华乌海能源公司骆驼山煤矿特大奥陶纪灰岩层透水事故和山西华晋公司王家岭煤矿特大透水事故。这些事故都造成了极大的人员伤亡和经济损失。2.5 矿压显现剧烈，岩爆频率和强度均明显增加 有关统计资料表明，岩爆多发生在强度高、厚度大的坚硬岩（煤）层中，主要影响因素包括煤层顶底板条件、原岩应力、埋深、煤层物理力学特性、厚度及倾角等。目前的统计资料显示，尽管在极浅的硬煤层中（深度小于100m，有的甚至在3050m）也有发生岩爆的记载，但总的来看，岩爆与采深有密切关系，即随着开采深度的增加，岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。随着采深的增加，矿压特征愈发明显，如巷道围岩变形加快、变形量增大，巷道周围变形范围扩大。有些矿井表现为巷道从正常使用期间维护困难到掘进期间就困难，并致使有些矿井巷道刚掘进完成后就废弃，即使未废弃，巷道的长期维护费用也会造成企业的额外负担。据煤炭行业的有关资料表明，近10年巷道支护成本增加了114倍，巷道翻修量占整个巷道掘进量的40%。另外，浅部围岩在临近破坏时往往出现加速变形的现象，工程技术人员常常根据这一现象进行破坏之前的预测预报，且浅部围岩的破坏一般发生在局部范围内，而深部围岩在破坏之前几乎处于不变形状态，破坏前兆非常不明显，使破坏预测预报十分困难，从而造成深部围岩的破坏往往是大面积的，并具有区域性。如巷道大面积的冒顶、垮落、底鼓等。3 现有研究相关理论及采取措施3.1 地热防治 针对矿井地温问题，一般降温措施一是改变通风系统，缩短工作面的入风流程，将常用的u型通风系统改为y型或w型；二是在进风巷隔离或减少矿井热源；三是选择适宜的开采顺序，如采用采区掘进前进式、工作面回采后退式，缩短工作面距离等；四是安装矿井空调制冷设备降温。国内第一套集中式矿井降温系统是山东菏泽赵楼矿的井下降温系统，该降温系统从德国引进。我国在20世纪70年代就曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置。1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司联合研制成kkl101矿用无氟空气制冷机，用于防治煤矿井下地热问题。近年来，矿井空调调节系统渐趋成熟，这是以后深井防治地热主要方向。3.2 瓦斯防治 瓦斯防治除通常采用加大风量、提高风速外，还有开采上部或下部解放层释放瓦斯；采取抽放瓦斯措施并对瓦斯加以利用；采取煤层注水用以改变煤的物理力学性质，降低瓦斯应力。对于开采深度较大瓦斯涌出量大的矿井，可以改变通常的u型通风系统为y型、z型及w型通风系统，除了可以有效冲淡瓦斯、减小风速、避免瓦斯积聚、降低工作面温度外，还可以减少含尘量，有利于提高安全生产水平。针对“u”形通风方式的弊病，深部开采区导水断水层防水煤柱合理留设探析中提出“j+e”型混合通风方式并投入使用，有效解决了高瓦斯综放工作面瓦斯涌出量较大和上隅角瓦斯积聚的问题， 保证了高产高效工作面的安全生产。3.3 煤与瓦斯突出防治 目前，我国在防治煤与瓦斯突出方面，主要是按照防治煤与瓦斯突出规定中的两个“四位一体”综合防突措施进行防治，具体分为区域综合防突措施和局部综合防突措施。区域防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯两大类。开采保护层就是首先开采与突出煤层邻近而又无突出危险或突出危险性较小的煤层（即保护层），由于采动影响而使突出煤层瓦斯压力、瓦斯含量大幅降低，煤层透气性显著提高，大量高压瓦斯释放，从而消除突出煤层的突出危险性。也就是说，先开采无突出危险的煤层，使其下部突出危险性较高煤层中的瓦斯，通过采动裂隙向保护层大量释放，或者向临近层施工钻孔预抽瓦斯，从而达到开采一层煤、解放一层煤的区域性瓦斯治理的目的。开采保护层是迄今为止防突上最有效、最经济的区域性措施；瓦斯预抽就是对煤层中赋存的瓦斯提前进行抽放，使其瓦斯压力和含量降低，以消除煤层的突出危险性。按照工程类别分为地面井抽放、穿层钻孔预抽和顺层钻孔预抽。局部综合防突措施又称为工作面防突措施，主要包括预抽瓦斯、钻孔排放、水力冲孔、金属骨架、煤体固化、深孔松动爆破等。工作面防突措施与区域综合防突措施原理基本一致，最大区别就在于区域措施的作用范围更大一些。3.4 突水（透水）防治 针对深部开采突水（透水）问题，首先需要做好水文地质基础工作，了解矿井深部岩层含水层及其它溶洞含水情况；二是采取技术措施进行防治，按照煤矿安全规程规定，有留设隔离煤柱、设置防水闸门及“探、防、疏、排、截”等技术措施。各深井煤矿实施的措施有：地面防治水。做好地面裂隙、沉陷区及雨季防水调查、检查及回填、封堵等工作，防止地面河流、洪水等进入井下，造成水害事故。井下探放水。坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则。在巷道掘进前，必须进行超前探放。充分利用物探和井下钻探等手段，分析工作面顶底板的富水性，加强矿井防治水的针对性和有效性。对于接近强含水层的部位，可以采取边探边掘边注浆边掘进的方法，以便顺利通过含水层。对于接近含水断层的部位，要首先查清断层的位置、含水性及导水性，并通过地面钻孔的水位观测及水质分析，确定其是否会导通强含水层，以便及时采取相应的防治措施。探放老空水。工作面开采后，在某些采空区有可能造成局部积水，当在其下方进行掘进施工时，这些老空积水有可能进入下方工作面，造成突水事故。因此必须对有突水可能的工作面进行探放水工作。疏水降压。对于带压开采的工作面，在开采前对含水层进行疏放，将其水压降低到安全水压之下，以达到安全开采的要求。注浆堵水。通过此法可以阻断含水层的补给，减少排水量，变含水层为隔水层，以增加煤层顶底板有效保护层的厚度。3.5 高地应力防治 高地应力的主要结果是引起深井岩爆灾害，在深部开采岩爆及采空区与地应力关系的研究中提出的采空区隔离技术，是对采空区用钢筋混凝土结构隔离（有一定高度和足够长度），在垂直方