深礦井開采技術

高 宇 柴 然 李 鵬

( 遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

由于經濟的發展，人們對能源的需求越來越大，因此煤礦深井開采已經是世界上主要采煤國目前和將來要面臨和解決的問題。在我國的東部發達地區，能源的需求量很大，這就把礦井的深度開發提到了日程，一些企業甚至已經走到前面。而一些新建礦井在投產時，井深就已經達到或超過了1000m。

1 國內外煤礦深井開采的現狀

隨著經濟發展對礦產資源需求的快速增長和科學工程技術的迅速發展，礦山開采深度也在不斷增加，南非有些金礦開采深度已達3800 多m，立井井底已達地表以下4000 多m，東歐和俄羅斯的一些礦井已達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。英國煤礦礦井的平均深度是700m(1996 年數據，以下同)，最深的已經達到1000m。德國煤礦礦井的平均開采深度是947m，最深的達到了1713m。波蘭煤礦的平均采深為690m，最深的達1300m。俄羅斯的很多礦井已經被開采到深達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驗。

2 淺部開采與深部開采的不同

2.1 深部開采環境與淺部開采環境的顯著區別在于深部礦巖所處的特殊環境，即復雜力學環境。高地應力、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力的數十倍，因此致使在淺部表現為一般堅硬的巖石，在深部可能表現出軟巖變形大、支護難、地壓大的特征;賦存較淺的原巖體多數處于彈性應力狀態，一旦隨采深加深以后則可能轉變為塑性狀態，此時壓、剪應力超過巖石的強度由各向不等壓的原巖應力引起的，致使巖石的破壞。

2.2 巖體的力學行為特性深部巖體的上述復雜環境，致使深部巖體的結構組織、行為特點和工程響應都發生了根本性變化。具體表現在:(1)深部巖體動力響應的突變性;(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害形式

3.1 高地應力導致的巖爆、大面積冒頂。

3.2 高地溫導致煤層自燃、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，導致圍巖層溫度越高，改善了自燃的蓄熱條件，導致煤體與環境風流溫差較大，增大了漏風供氧動力——熱風壓，導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，最終導致煤體自燃危險性增大。因此，在深部較高的溫度環境下，更易引起煤層的自然發火。

深井開采中，鉆孔孔底的溫度較高，當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。在惡劣的熱環境下，人體會出現一系列生理功能反常，會影響人的健康和安全。

3.3 高壓巖溶水導致突水事故嚴重。

4 深井開采災害的控制技術

圍巖應力高的問題，能夠通過加強支護來處理;開采過程中突水的問題，可以用傳統的方法可以處理，關鍵是預測預防措施應該與現代化技術相結合。

4.1 巖爆的主要控制技術

4.1.1 區域性防治技術

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

4.1.2 局部解危技術

(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，使工作面附近應力峰值進一步向原巖體內推進，達到降低可能發生的巖爆強度或防止巖爆發生的目的;(2)采用松動爆破降低采場工作面巖體強度，使應力增高區進一步遠離采場工作面，局部解除處于極限狀態巖體發生巖爆的危險;(3)根據預計可能發生的巖爆機理和強度，選擇相應的支護方法。(4)架設防沖擊擋板、格柵等保護井下作業人員和設備安全。

4.2 深礦井開采的地熱問題及處理

4.2.1 礦井高溫的產生

(1)熱源分類。導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，包括化學反應、機電設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，當礦井有較高溫度熱水涌出時，將影整個礦井系統的微氣候。礦井中的地熱資源、采煤中運用的機電設備在運行時的放熱、被運送到地面的煤、矸石的放熱和風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，同時也預熱了風流;熱水涌入巷道中，直接加熱了風流。

(3)生產工作面風量較低通風困難風量偏低，是國內目前造成采掘工作面氣候條件不佳的具有普遍性的因素。調查統計結果表明，我國煤礦長壁工作面供風量81%以上在210 ～810m3/min 之間。根據降溫要求，高溫度的回采工作面風量至少應在810m3/min 以上。

4.2.3 礦井地熱災害治理

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程中的明確規定，否則應采取降低溫度或其他方高溫措施。主要是非制冷空調降溫和制冷空調降溫。

(1)非制冷空調降溫。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通風降溫。

(2)制冷空調降溫。①輸冷，用冰塊輸冷較用水輸冷有利。井越深，這種優點就越突出;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，在地面安設時，排熱問題相對簡單;當制冷機安設在井下時，排熱問題比較困難，不易處理。

［1］何滿潮.深部開采巖體力學研究［J］.巖石力學與工程學報，2005 -08 -30

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