煤礦深部開采相關(guān)災(zāi)害問題及應(yīng)對措施的探討

1、煤礦深部開采相關(guān)災(zāi)害問題及應(yīng)對措施的探討摘要： 隨著煤炭資源的開采向深部延伸,部分礦井已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)⒊霈F(xiàn)高溫、高突、高地應(yīng)力、高巖溶水壓、高瓦斯等災(zāi)害問題。結(jié)合深部地質(zhì)災(zāi)害的特點,本文提出了一些深部開采出現(xiàn)的問題以及應(yīng)對這些問題所采取的措施。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 ga

2、s. according to the characteristics of deep geological disasters, this paper puts forward the problems in deep mining and measures to deal with these problems.關(guān)鍵詞： 深部開采；五高；災(zāi)害；應(yīng)對措施key words: deep mining；five “high”；disasters；measures中圖分類號：td1 文獻標識碼：a 文章編號：1006-4311（2012）11-0295-021 我國煤礦開采現(xiàn)狀1.1 開采深度 據(jù)

3、預(yù)測，我國已探明的煤炭總儲量中有65%以上的煤炭埋深在1000m以下，隨著采煤機械化程度的提高，我國煤礦目前正以每10年100300m的速度向下延深。預(yù)計在未來10年，很多煤礦的開采深度將達10001200m。1.2 高溫 地溫是指煤礦井下巖層的溫度。一般情況下，地溫隨開采深度的增加而增加。地溫決定著井下采掘工作面的環(huán)境溫度，即礦井溫度。礦井深度的變化，使空氣受到的壓力狀態(tài)也隨之而改變。當風流沿井巷向下流動時，空氣的壓力值增大，空氣的壓縮會出現(xiàn)放熱，從而使礦井溫度升高。根據(jù)測量，越往地下深處，地溫越高，這一指標由地熱梯度來表現(xiàn)。近地表處的地熱梯度則因地而異，一般為每千米2050不等，平均地熱梯

4、度是每千米25，大于這個數(shù)字的為地熱梯度異常區(qū)，如斷層附近或?qū)崧矢叩漠惓＞植康貐^(qū)，地溫梯度可高達200/km。地溫值大小與所在地區(qū)的大地熱流量成正比，與熱流所經(jīng)巖體的熱導(dǎo)率成反比。因此，地熱梯度的區(qū)域性變化可能來源于熱流量的變化，也可能來源于近地表巖體的熱導(dǎo)率的變化。總得來看，在整個地球內(nèi)部地溫梯度是隨深度的增加逐漸降低，但巖層溫度是隨深度的增加而增大。隨著礦井向深部開采，井下作業(yè)環(huán)境條件在逐步惡化，巖層溫度將達到攝氏幾十度。由于缺乏技術(shù)、資金等問題，許多礦井熱害治理仍然在靠通風、灑水等簡單的物理降溫方法進行降溫。1.3 高瓦斯 我國所有煤礦均為瓦斯礦井。大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34

5、%，突出礦井占19.77%。小型煤礦中，高瓦斯礦井占15%左右，隨著開采深度的不斷增加，機械化程度的不斷提高，開采強度的不斷增強，瓦斯涌出量還會進一步增大。因此造成的瓦斯災(zāi)害事故頻繁發(fā)生。近年來，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤礦事故有70%出現(xiàn)在開采深度600m以下的礦區(qū)。同時，我國原始煤層瓦斯含量大，瓦斯涌出強度高，瓦斯壓力也隨著煤礦開采深度的增加而加大，若煤層的原始透氣性差，抽放瓦斯將更加困難。另一方面，深部煤層處于較高的溫度環(huán)境下，更易引起煤層的自燃發(fā)火，觸發(fā)礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸事故的發(fā)生。1.4 高突 隨著煤礦開采深度的增加，地壓增強，以及煤層瓦斯壓力大、含量高、煤質(zhì)松軟、透

6、氣性低，煤層瓦斯不易在采前抽采，導(dǎo)致在掘進、回采過程中瓦斯放散量大、放散速度快，再加上開采煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)生高強度的煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴重。上個世紀80年代，南桐礦務(wù)局開采深度200-630m，平均開采深度380m，瓦斯壓力1.5-6.0mpa；淮南礦務(wù)局開采深度340-570m，平均開采深度490m，瓦斯壓力1.8-3.6mpa。目前，南桐礦務(wù)局開采深度已達到650-1100m，平均開采深度875m，瓦斯壓力5.0-10.0mpa，所開采煤層已大部分成為強突出危險煤層；淮南礦業(yè)集團開采深度增加到600-1000m，平均開采深度達到800m，瓦斯壓力4.2-5.6mpa，現(xiàn)有9對生產(chǎn)礦井

7、全部為煤與瓦斯突出礦井，開采的煤層80%已升級為突出煤層，原來無突出危險的保護層也已升級為突危險煤層。1.5 高水壓 進入深部以后，隨著地應(yīng)力及地溫升高，同時會伴隨巖層水壓的升高。據(jù)實測，在采深大于1000m后，其巖溶水的水壓高達7mpa以上，而且隨著穿過的含水層增多，水量也會大大增加。礦井巖溶水壓的升高和涌水量的增加，使得礦井突水災(zāi)害更為嚴重。1.6 高地應(yīng)力 地殼內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，并且應(yīng)力隨（地表以下）深度的增加而線性地增加。進入深部開采以后，僅重力引起的垂直原巖應(yīng)力通常就超過工程巖體的抗壓強度（>20mpa）， 而由于工程開挖所引起的水平應(yīng)力集中則遠大于工程巖體的強度（&g

8、t;40mpa），由此造成礦井的高地應(yīng)力。高地應(yīng)力會引起礦井圍巖、支護變形和破壞，并引起礦井動力現(xiàn)象，是誘發(fā)沖擊地壓、巖爆、煤與瓦斯突出等事故災(zāi)害的主要因素之一。據(jù)山東科技大學(xué)用原位測量原理于2007年在趙樓煤礦（當時此礦采深已達到1000m）所作的地應(yīng)力實測報告顯示，水平地應(yīng)力已經(jīng)達到36.4mpa，并會隨著采深加大而增大。2 現(xiàn)狀所帶來的問題2.1 井下溫度升高、作業(yè)環(huán)境惡化 在深部開采條件下，巖層溫度將達到攝氏幾十度的高溫，如目前我國國有重點煤礦中有70多處礦井的采掘工作面溫度超過26，其中有30多處礦井超過30，最高達37，這些熱害問題突出的礦井有平項山八礦、新汶?yún)f(xié)莊礦及徐州三河尖礦等

9、。由于井下工作面溫度升高，造成井下工人身體不適、注意力分散、勞動率減低，甚至無法工作。同時，井下溫度的升高也縮短了煤層自燃發(fā)火周期，增大了煤層自燃的危險性。2.2 高瓦斯礦井數(shù)量增加 瓦斯和水害是造成煤礦重特大事故的主要元兇，而相比于透水，瓦斯爆炸時間短、威力大、有毒有害氣體多，損失更為慘重。隨著煤礦開采深度增加，我國煤礦開采深度平均每年將增加10至20米，煤礦相對瓦斯涌出量平均每年增加1立方米/噸，很多低瓦斯礦井也升級為高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井，預(yù)計在未來10年內(nèi)，我國的高瓦斯礦井將占到全國煤礦總數(shù)的二分之一以上。2008年以來，通過政府部門加強監(jiān)管，強力推進瓦斯綜合防治各項措施的落實，提升

10、企業(yè)裝備水平，使煤礦瓦斯事故逐年同比明顯下降。如2010年全國煤礦瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)同比分別下降7.6%和17.5%，其中，特別重大瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)同比分別下降50%和70.9%。但是目前仍有一些煤礦企業(yè)的瓦斯綜合治理技術(shù)相對落后，防治措施落實不到位，使得瓦斯災(zāi)害事故仍然占到煤礦事故的53.8%以上，并且由于開采深度的增加，也給事故救援增加了難度。2.3 突出礦井數(shù)量增加 隨著我國煤礦開采深度的增加，開采強度的不斷增大，煤與瓦斯突出的危險性也在增加，突出危險區(qū)域也在擴大，部分原無突出危險的煤礦也開始出現(xiàn)動力現(xiàn)象，部分不是突出礦井的煤礦也不得不按突出煤礦管理。據(jù)統(tǒng)計，截止1999年底，

11、我國大中型煤礦中共有突出礦井104處，而至2008年底，煤與瓦斯突出礦井已達到754處。隨著突出礦井數(shù)量的增多，煤與瓦斯突出事故也呈逐漸增多趨勢，而且現(xiàn)階段世界上也沒有徹底把煤與瓦斯突出的機理完全掌握，同樣的防治措施在不同的礦井、不同的地質(zhì)條件下，取得的效果也不盡相同，使得突出災(zāi)害不能徹底杜絕，同時也增加了礦井生產(chǎn)成本。2.4 透水（突水）事故趨于嚴重 透水（突水）是造成煤礦重大人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要原因之一。自1984年6月2日河北開灤礦務(wù)局范各莊礦發(fā)生井下巖溶陷落柱特大突水災(zāi)害以來，先后在淮北楊莊礦、義馬新安礦、峰峰梧桐礦、皖北任樓礦、徐州張集礦又相繼發(fā)生特大型奧灰?guī)r巖溶突水淹井事故，近

12、年來又發(fā)生了內(nèi)蒙古神華烏海能源公司駱駝山煤礦特大奧陶紀灰?guī)r層透水事故和山西華晉公司王家?guī)X煤礦特大透水事故。這些事故都造成了極大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。2.5 礦壓顯現(xiàn)劇烈，巖爆頻率和強度均明顯增加 有關(guān)統(tǒng)計資料表明，巖爆多發(fā)生在強度高、厚度大的堅硬巖（煤）層中，主要影響因素包括煤層頂?shù)装鍡l件、原巖應(yīng)力、埋深、煤層物理力學(xué)特性、厚度及傾角等。目前的統(tǒng)計資料顯示，盡管在極淺的硬煤層中（深度小于100m，有的甚至在3050m）也有發(fā)生巖爆的記載，但總的來看，巖爆與采深有密切關(guān)系，即隨著開采深度的增加，巖爆的發(fā)生次數(shù)、強度和規(guī)模也會隨之上升。隨著采深的增加，礦壓特征愈發(fā)明顯，如巷道圍巖變形加快、變形量增

13、大，巷道周圍變形范圍擴大。有些礦井表現(xiàn)為巷道從正常使用期間維護困難到掘進期間就困難，并致使有些礦井巷道剛掘進完成后就廢棄，即使未廢棄，巷道的長期維護費用也會造成企業(yè)的額外負擔。據(jù)煤炭行業(yè)的有關(guān)資料表明，近10年巷道支護成本增加了114倍，巷道翻修量占整個巷道掘進量的40%。另外，淺部圍巖在臨近破壞時往往出現(xiàn)加速變形的現(xiàn)象，工程技術(shù)人員常常根據(jù)這一現(xiàn)象進行破壞之前的預(yù)測預(yù)報，且淺部圍巖的破壞一般發(fā)生在局部范圍內(nèi)，而深部圍巖在破壞之前幾乎處于不變形狀態(tài)，破壞前兆非常不明顯，使破壞預(yù)測預(yù)報十分困難，從而造成深部圍巖的破壞往往是大面積的，并具有區(qū)域性。如巷道大面積的冒頂、垮落、底鼓等。3 現(xiàn)有研究相關(guān)

14、理論及采取措施3.1 地熱防治 針對礦井地溫問題，一般降溫措施一是改變通風系統(tǒng)，縮短工作面的入風流程，將常用的u型通風系統(tǒng)改為y型或w型；二是在進風巷隔離或減少礦井熱源；三是選擇適宜的開采順序，如采用采區(qū)掘進前進式、工作面回采后退式，縮短工作面距離等；四是安裝礦井空調(diào)制冷設(shè)備降溫。國內(nèi)第一套集中式礦井降溫系統(tǒng)是山東菏澤趙樓礦的井下降溫系統(tǒng)，該降溫系統(tǒng)從德國引進。我國在20世紀70年代就曾研制過壓氣引射器和渦流管制冷裝置。1993年7月，平頂山礦務(wù)局科研所和原中國航空工業(yè)總公司聯(lián)合研制成kkl101礦用無氟空氣制冷機，用于防治煤礦井下地熱問題。近年來，礦井空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)漸趨成熟，這是以后深井防治地

15、熱主要方向。3.2 瓦斯防治 瓦斯防治除通常采用加大風量、提高風速外，還有開采上部或下部解放層釋放瓦斯；采取抽放瓦斯措施并對瓦斯加以利用；采取煤層注水用以改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，降低瓦斯應(yīng)力。對于開采深度較大瓦斯涌出量大的礦井，可以改變通常的u型通風系統(tǒng)為y型、z型及w型通風系統(tǒng)，除了可以有效沖淡瓦斯、減小風速、避免瓦斯積聚、降低工作面溫度外，還可以減少含塵量，有利于提高安全生產(chǎn)水平。針對“u”形通風方式的弊病，深部開采區(qū)導(dǎo)水斷水層防水煤柱合理留設(shè)探析中提出“j+e”型混合通風方式并投入使用，有效解決了高瓦斯綜放工作面瓦斯涌出量較大和上隅角瓦斯積聚的問題， 保證了高產(chǎn)高效工作面的安全生產(chǎn)。3.3

16、 煤與瓦斯突出防治 目前，我國在防治煤與瓦斯突出方面，主要是按照防治煤與瓦斯突出規(guī)定中的兩個“四位一體”綜合防突措施進行防治，具體分為區(qū)域綜合防突措施和局部綜合防突措施。區(qū)域防突措施主要有開采保護層和預(yù)抽煤層瓦斯兩大類。開采保護層就是首先開采與突出煤層鄰近而又無突出危險或突出危險性較小的煤層（即保護層），由于采動影響而使突出煤層瓦斯壓力、瓦斯含量大幅降低，煤層透氣性顯著提高，大量高壓瓦斯釋放，從而消除突出煤層的突出危險性。也就是說，先開采無突出危險的煤層，使其下部突出危險性較高煤層中的瓦斯，通過采動裂隙向保護層大量釋放，或者向臨近層施工鉆孔預(yù)抽瓦斯，從而達到開采一層煤、解放一層煤的區(qū)域性瓦斯治

17、理的目的。開采保護層是迄今為止防突上最有效、最經(jīng)濟的區(qū)域性措施；瓦斯預(yù)抽就是對煤層中賦存的瓦斯提前進行抽放，使其瓦斯壓力和含量降低，以消除煤層的突出危險性。按照工程類別分為地面井抽放、穿層鉆孔預(yù)抽和順層鉆孔預(yù)抽。局部綜合防突措施又稱為工作面防突措施，主要包括預(yù)抽瓦斯、鉆孔排放、水力沖孔、金屬骨架、煤體固化、深孔松動爆破等。工作面防突措施與區(qū)域綜合防突措施原理基本一致，最大區(qū)別就在于區(qū)域措施的作用范圍更大一些。3.4 突水（透水）防治 針對深部開采突水（透水）問題，首先需要做好水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作，了解礦井深部巖層含水層及其它溶洞含水情況；二是采取技術(shù)措施進行防治，按照煤礦安全規(guī)程規(guī)定，有留設(shè)隔離煤

18、柱、設(shè)置防水閘門及“探、防、疏、排、截”等技術(shù)措施。各深井煤礦實施的措施有：地面防治水。做好地面裂隙、沉陷區(qū)及雨季防水調(diào)查、檢查及回填、封堵等工作，防止地面河流、洪水等進入井下，造成水害事故。井下探放水。堅持“有疑必探，先探后掘”的探放水原則。在巷道掘進前，必須進行超前探放。充分利用物探和井下鉆探等手段，分析工作面頂?shù)装宓母凰?，加強礦井防治水的針對性和有效性。對于接近強含水層的部位，可以采取邊探邊掘邊注漿邊掘進的方法，以便順利通過含水層。對于接近含水斷層的部位，要首先查清斷層的位置、含水性及導(dǎo)水性，并通過地面鉆孔的水位觀測及水質(zhì)分析，確定其是否會導(dǎo)通強含水層，以便及時采取相應(yīng)的防治措施。探放老空水。工作面開采后，在某些采空區(qū)有可能造成局部積水，當在其下方進行掘進施工時，這些老空積水有可能進入下方工作面，造成突水事故。因此必須對有突水可能的工作面進行探放水工作。疏水降壓。對于帶壓開采的工作面，在開采前對含水層進行疏放，將其水壓降低到安全水壓之下，以達到安全開采的要求。注漿堵水。通過此法可以阻斷含水層的補給，減少排水量，變含水層為隔水層，以增加煤層頂?shù)装逵行ПＷo層的厚度。3.5 高地應(yīng)力防治 高地應(yīng)力的主要結(jié)果是引起深井巖爆災(zāi)害，在深部開采巖爆及采空區(qū)與地應(yīng)力關(guān)系的研究中提出的采空區(qū)隔離技術(shù)，是對采空區(qū)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隔離（有一定高度和足夠長度），在垂直