深部复杂条件开采技术探索

摘 要：煤炭生产已经经历了多年，特别是近年来开采量迅速增加，大型矿井不断投产，这势必造成煤炭开采深度会不断增加。随着我国经济快速发展对能源需求量也不断加大，矿井延深速度快，不少煤矿已经进入深部开采。所以，深部复杂条件的开采技术是煤炭行业亟待研究解决的难题。

关键词：煤炭生产；深部开发；问题

1 深部开采面临的困难

1.1 矿压显现明显，巷道维护量剧增

由于采深的增加受自然重力的原因，矿压必然增大，矿压显现要远比浅部开采明显，所以深部巷道维护量增大。在深部底臌、巷帮变形、支护的锚杆崩断、钢梁弯曲或折断都成为常见的地压现象。这就必然需要投入大量的精力对巷道进行维护。

1.2 煤岩破坏过程强化，冲击地压危险性增加

随着开采深度的增加，煤岩体应力升高，冲击地压发生的频率、强度和破坏程度都会显著增加。

1.3 瓦斯压力增高，突出的可能性增加

在深部的煤层中，瓦斯赋存的条件会比较好，会更容易造成瓦斯含量及瓦斯压力增加，并增加瓦斯突出的可能性。

1.4 地热增加，气候条件恶化

普遍来说随着深度的增加，温度将不断升高。使得工人的工作环境恶化同时也对机械设备造成较大的影响。

1.5 水文地质条件复杂，围岩软化

随着深度的增加矿井势必要穿过更多的含水层，其中个别地区可能会遇到富水层。另外，随着开采深度的增加矿井会接近奥灰水，奥灰水的水量、压力对矿井可能造成严重影响。所以如何解决水的问题也至关重要。同时随着围岩含水的增加，岩石也将被软化对巷道支护等造成一定的影响，可能影响支护效果。

1.6 生产成本升高，经济效益下降

在开采深部的煤炭资源时，要实现安全顺利生产就必须要解决上述面临的困难，通常采取一系列措施，这些都会导致生产成本升高，经济效益下降。

2 矿压显现的特点

在深部进行煤炭开采，面临的最主要的影响就是矿山压力。在高应力作用下，围岩移动更为剧烈，巷道产生的变形和破坏也更为严重。巷道变形速度快、变形量大、影响范围广。巷道在从使用期间维护困难发展到掘进期间维护困难，巷道掘好后不久将失稳，巷道稳定性随深度增加逐渐恶化，使深部巷道的维护费用剧增。

2.1 变形量大

深井巷道矿压显现的显著特点就是巷道在掘进期间就产生大的变形量。

经过调查，随开采深度的加大，巷道变形量呈近似线性关系增大，从600米开始，开采深度每增加100米，巷道顶底板相对移近量平均增加10%以上。如果支护参数选择的不合理，巷道变形、破坏程度将会更加严重。

2.2 变形速度快

深井巷道矿压显现的另一个显著特点是，巷道刚掘出时的变形速度很快。这也增加了巷道维护的难度和维护工作量。

2.3 巷道底臌量大

底臌量大是深井巷道矿压显现的又一个显著特点。底臌量与开采深度有很大关系，随开采深度的增加，发生底臌的巷道比重也会越来越大，同样底臌量也会随着开采深度的增加而增大。

2.4 导致冲击地压发生

通过调查了解，煤矿冲击地压的发生、发生的频率和冲击强度与开采深度有密切的关系。随开采深度增加，煤、岩体因变形而积聚的能量呈二次方关系增加。因此，在深部开采条件下，煤、岩体中积聚了巨大的能量，当采矿活动引起的能量释放速度大于煤、岩体破坏消耗的能量速度时，导致冲击地压的发生。而发生冲击的概率明显比浅部要大得多。

3 支护技术探讨

3.1 矿井开拓布局

矿井的生产开拓布局对以后的生产是否顺利、效率高低、巷道维修工作量及安全管理都关系很大。所以如何最优的进行开拓布局是非常关键的。通过了解分析，可采取的措施主要有：

3.1.1 主副井的井筒支护方式一定要恰当。

3.1.2 大巷及井底车场的层位选择和支护强度要恰当。

3.1.3 要合理安排工作面的接续及沿空掘巷煤柱尺寸。

3.1.4 选择好轨道、皮带、回风三条大巷的位置关系。

3.2 巷道支护形式

对于解决巷道大变形的办法一般有两种：一是预留变形，大断面巷道，二是抵抗变形，小断面高强刚性支护巷道。

3.2.1 预留变形，大断面巷道

据了解有一些矿井是采取了大断面预留变形的形式来应对巷道的大变形。当巷道围岩移近量非常大，特别是工作面两顺槽在回采期间需进行多次卧底，于是采用了预留变形、大断面巷道的设计思路。巷道高度达4.2-4.6米，巷道宽度达4.8-5.0米或者更大，并预留部分底煤以便进行卧底工作。

巷道支护形式多为锚网（索）支护，通过加强支护强度和支护范围来尽量控制巷道的变形。但由于深部矿压非常大，巷道变形难以抵抗，故采用大断面巷道只是在巷道变形至影响使用前将工作面推出，如工作面推进较慢或巷道变形量太快、太大仍需对巷道进行处理修护。

在巷道初期的支护强度非常关键。所以要尽量加大巷道掘进期间的支护强度。在支护参数上可采用高强锚杆（索），恒阻大变形锚杆及锚网索-桁架耦合技术等。

3.2.2 抵抗变形，小断面巷道

通过调研，有一些矿井的巷道支护形式则是采用小断面抵抗变形的形式。他们采用的巷道支护方式一般为：双层锚网喷梁反底拱支护，喷厚130-150mm；U型钢棚、直墙半圆拱断面喷浆灌注，灌注厚度300mm和砌碹支护方式。巷道断面多为3.8*3.5米的半圆拱巷道。

这几种支护方式支护强度较大或者说被动支护的强度较大。但主动支护强度不是太大。这和其矿区的地质条件有很大关系。

采用这种支护方式能抵抗一定的巷道变形，但仍不能完全保证巷道无变形且采取此支护方式巷道修护比较困难，增加了巷修的难度。

无论采取何种支护方式，都要根据各矿井的实际地质条件进行选择，要结合安全、生产、材料、工作习惯以及矿井的提升、运输系统等进行全面分析考虑。

3.3 回采工作面管理

3.3.1 工作面的特点

随着埋藏深度的增加，顶板岩层有逐渐变碎和强度降低的趋势；同时工作面遇到的断层、裂隙、层理和节理逐渐发育，同一层位的岩层分层厚度逐渐变薄，弱面增多，采场顶板悬顶长度逐渐减小，由不容易垮落变得容易垮落；在顶板岩层变碎和强度有所降低的情况下，深部的采煤工作面出现漏、冒顶事故的可能性加大。

3.3.2 工作面顶板控制

（1）对工作面前方已产生裂隙的煤、岩体（特别是工作面的两个出口处），可采取超前注浆的办法，使煤岩体固化，提高其自身强度，保证它的稳定性；（2）尽量缩小端面空顶距，减小无支护面积；（3）提高前梁支撑力，并及时进行移架，减小新暴露顶板的无支护时间；（4）从设计上要尽量避免应力重合或人为的造成应力集中；（5）合理安排工作面接续，优化采掘作业的时间和空间，避免在不稳定区域进行采掘作业；（6）做好矿压观测工作，掌握初次垮落、初次来压、周期来压步距、超前支承压力的影响范围、支柱载荷及巷道围岩变形规律；（7）加强现场职工的合理操作，避免由于煤机司机和支架工配合不好或支架工自身操作造成顶板事故；（8）要根据现场情况及时采取可靠地措施，如上网、上木料、钢梁等避免事故扩大。

3.3.3 工作面两道超前支护

通常工作面两道超前支护的方式有：使用单体液压支柱托铰接梁（十字铰接梁等）支护巷道，使用超前液压支架进行超前支护，再就是两者混合使用的方式。超前支护的范围要根据平时观测的巷道变形情况而定，必要时打设密集支柱进行加强支护。应该说使用单体和超前支架两种方式各有优缺点，各矿还要根据各矿井自身条件进行科学合理的使用。

作者简介：李哲（1980，2-），男，毕业于河北建筑科技学院，采矿工程专业，工程师，工作在大屯煤电公司生产技术部。