煤炭開采與巖層控制的時間尺度分析

紀寶玉

【摘?要】論述煤炭開采與巖層控制研究中涉及到的不同時間尺度，從全球最早的成煤地質年代到超動態的亞微秒級。包括不同成煤期，世界煤炭開采歷史，礦區、礦井的服務年限及開采參數，靜態、動態煤巖力學試驗，煤巖破碎，圍巖變形與破壞及煤礦動力災害的時間尺度分布。指出煤炭開采與巖層控制研究的時間尺度集中分布在10-7～1016s，跨23個數量級。煤巖破碎、采掘空間維護是煤炭開采與巖層控制的兩大任務，前者涉及鑿巖、爆破、機械截割振動等動態問題，研究時間單位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采場與巷道圍巖控制。采場是 移動場所，圍巖變形、破壞、垮落及支架阻力變化較快，常以分、小時為時間單位;巷道服務時間較長，圍巖變形與破壞的時效性較強，描述巷道變形與支護體受力變化的時間單位多為天、周及月。沖擊地壓等煤礦動力災害持續時間僅為幾秒到幾十秒，研究沖擊地壓發生、發展及破壞過程，煤炭開采實現了重大技術革命。但大規模煤炭開采也帶來一系列問題，如何繼續做好煤炭開采與巖層控制工作，需要新思路、新工藝、新技術。

【關鍵詞】煤炭開采;巖層控制;時間尺度;靜態;動態;圍巖變形;時效性

本文以時間為主線，介紹國內外煤炭開發歷史，煤炭開采與巖層控制在不同時間尺度的主要研究內容，煤炭開采參數的時間尺度，煤巖力學試驗時間尺度，及煤巖破碎、變形與破壞的時間尺度，以期對煤炭開采與巖層控制技術研究在時間上有一總體了解。

1. 成煤年代與構造運動

成煤年代與構造運動的時間尺度煤是埋藏在地下的古代植物，經過漫長、極其復雜的生物化學和物理化學變化形成的固體可燃性有機巖。煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構造密切相關。煤炭在整個地質年代中，主要有三大成煤期。古生代的石炭紀是第1個重要的成煤期，與后續的二疊紀合并稱為石炭―二疊紀成煤期，該期的成煤植物主要是蕨類植物，煙煤和無煙煤為主要煤種;中生代的侏羅紀為第2個重要成煤期，接下來的白堊紀也有煤炭形成，該期成煤植物主要是裸子植物，主要煤種為褐煤和煙煤;新生代的古近紀和新近紀為第3個重要的成煤期，成煤植物主要是被子植物，煤種以褐煤為主，也存在年輕煙煤。可見，不同成煤期形成的煤種、煤的成分、煤化程度、煤的物理化學力學性質等均有所不同。當成煤環境溫度、壓力相近的情況下，經歷的時間越長，煤化程度越高。成煤期的時間尺度為1013～1016s。從地質年代的尺度，可分析研究時間對煤炭形成、演化過程的影響。

2.煤炭開采技術發展歷史

井工煤礦開采技術經歷了手工開采、爆破開采、普通機械化開采到綜合機械化開采的發展過程，采煤工藝經歷了巷式、柱式到壁式的發展過程;落煤方式經歷了手工刨煤、爆破落煤、機械割煤、機械割煤+放頂煤的發展過程。古代的煤炭開采一般用平硐、斜井或小立井方式，自然通風、人工排水，用鎬刨煤，籮筐背煤，采煤 與掘進基本沒有區別，屬于手工開采。隨著蒸汽機的發明及應用，使煤炭開采進入機器開采時代。蒸汽為提升、通風及排水提供動力，后來又發明了蒸汽驅動的圓盤式截煤機，大幅提升了生產效率。氣動沖擊式鑿巖機、安全炸藥的發明及在煤礦的應用，革新了煤礦開采與掘進技術。世界機械化采煤始于20世紀40年代。英國、德國、前蘇聯相繼研制出采煤機、刨煤機，使工作面落煤、裝煤實現了機械化。1954年，綜合機械化長壁開采技術在英國問世，是世界采煤史上的一次重大技術革命。隨后德國、前蘇聯、波蘭等國家進行了綜采技術的試驗與應用。美國一直大量采用房柱式開采，在20世紀50年代從德國引進綜合機械化長壁開采技術，70年代中期又從德國引進掩護式液壓支架，使得長壁綜采技術得到認可和廣泛應用。目前，綜采已成為世界主要產煤國家的主體采煤技術。

3. 采場圍巖變形與破壞

采煤工作面是直接開采煤炭的場所，開采順序包括工作面安裝、初采、正常推進、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特點是作業場所不斷移動，頂板不斷處于暴露—支護—垮落的循環過程，液壓支架對頂板巖層的作用不斷處于加載與卸載的狀態。上述特點決定了采場圍巖變形與破壞隨時間的變化規律。隨著工作面從開切眼不斷推進，頂板巖層將依次出現直接頂垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，從而引起采場圍巖變形、應力與支架阻力的不斷變化，這些變化均與時間有關。頂板下沉、圍巖應力重新分布、頂板巖層與煤壁破壞及采空區矸石壓實均需要一定時間完成。如初次來壓的持續時間一般為1～3d，周期來壓持續時間一般較短。描述采場圍巖變形的參數有頂板下沉量、頂板下沉速度（mm/min，mm/h）等。頂板下沉量由落煤、放頂引起的下沉量及兩者間隔期間的下沉量組成，落煤與放頂造成的頂板下沉一般在較短的時間內（1～2h）即可完成。頂板下沉速度從每小時幾毫米到幾十毫米不等，當頂板發生突然垮落時，頂板下沉會瞬間劇烈增加甚至出現壓死支架的現象。

4. 巷道圍巖變形與破壞

與采場相比，巷道開挖空間較小，但維護時間較長。維護時間最短的是工作面開切眼，從掘進到工作面設備安裝完畢，少則1～2月，多則6個月。回采 巷道的維護時間一般為1～2a，當服務兩個或多個工作面時（沿空留巷、多巷布置的留巷等），維護時間要成倍增加。即使對于同一條巷道，先掘的部分比后掘的部分維護時間要長。如對于一條2000m的巷道，平均掘進速度為300m/月，最先掘進地段比最后掘進地段的維護時間長6.7個月。采區集中巷的維護時間從幾年到十幾年不等，而大巷、主要硐室的維護時間多為十幾年到幾十年，有的與礦井服務年限相當。

5. 結論

（1）煤炭開采與巖層控制研究的時間尺度集中分布在10-7～1016s之間，跨23個數量級。從地球上最早的成煤期到巖石動載試驗中的亞微秒量級。

（2）在地質年代的時間尺度上，可研究煤的形成與古植物、古地理、古氣候和古構造的關系;不同成煤期煤的種類、成分、煤化程度、煤的物理化學力學特性;構造運動對煤盆地形成與演化、煤層賦存條件與分布、煤巖體應力場演化的影響等內容。這些煤田地質領域的研究內容對煤炭開采的地質保障具有重要作用。

（3）井工煤礦開采需要根據煤田分布，劃分成不同礦區、礦井、水平、采區、區段進行，不同階段的時間尺度不同。一個礦區的開采年限一般為幾十年到二三百年，而采煤工作面的服務時間一般為幾個月到1～2a。煤炭開采的任何工序均需要一定的時間完成。煤炭開采涉及的很多參數與時間有關，如產量、進尺、速度、能力、流量等，常用的時間尺度從毫秒到年。

（4）煤巖力學試驗是煤炭開采與巖層控制的重要研究內容。按試驗時間可將煤巖力學試驗分為靜態和動態試驗，按照應變率大小可細分為蠕變、靜態、動態及超動態。煤巖蠕變試驗加載時間可從1h到數月，有的甚至達幾十年，時間尺度范圍達103～109s。動態試驗主要用于鑿巖、爆破、采掘機械振動、沖擊地壓等動力現象的研究。當應變率達102s -1量級時，巖石的破壞時間僅為幾十微秒。最快的動載加載時間可達到微秒、亞微秒量級。

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（作者單位：黑龍江龍煤礦業工程設計研究院有限公司）