浅析深部矿井开采技术

赵正伟

摘 要：深部煤炭资源开采技术的最大难题就是巷道围岩控制，其主要表现在以下两个方面，即：冲击地压、巷道围岩大变形、强流变性。通过对矿井深部矿压特征研究，可以确保矿井深部开采安全可靠性。本文对63下03工作面工程地质条件、上覆岩层结构特点及活动规律进行分析，并在此基础上就深部矿井采场矿压显现特征谈一下自己的观点和认识，以供参考。

关键词：矿井深部；矿压；特征；开采技术

1、 63下03工作面工程地质条件

63下03工作面煤层厚度在2.6m～7.0m之间，煤层硬度为f=2.6，煤层由东向西的方向逐渐变薄，63下03工作面煤层结构简单，煤层厚度变化大，在煤层底部有局部出现夹矸的现象，煤层属于一半亮、一半暗型。煤层倾角度数在一度到9度之间，平均倾角度数为四度到六度之间。工作面标高为-638m～692m，与地面比较，标高为+32.9m～+35.8m。工作面面长为235m，推进长度为2056m。煤层为粉层岩，厚度为0m～14.02m，煤层硬度f=3～5；老顶为中砂岩，层状致密坚硬，厚度为7.79m～26.89m，平均厚度为21.2m，煤层硬度为f=7～9。

2、上覆岩层结构特点及活动规律

2.1 顶煤垮落

顶煤的冒落、破坏及变形受到多种因素的影响和制约，根据对现场中不同采深综放面进行观测，发现初次垮落中顶煤呈分层垮落。随着支承压力峰值增大，采深增加，相应地减少了顶煤初跨步距，以此提高了煤炭资源的回收利用率。

2.2 直接顶岩层的垮落及结构特点

根据对现场煤层的实际测量，顶煤在放出过程中，已冒下位直接顶岩排列呈现不规则，中位直接顶岩层垮落呈现不规则冒落，而且回转空间大，上位直接顶岩层由于裂隙小，因此上位直接顶岩垮落块大，岩块间形成半拱结构，并以某种力保持联系。

2.3 老顶运动及结构特点

综放开采与分层开采相比，老顶结构形成的岩层上移，而分层开采中处于同一层位的老顶岩层呈嵌固悬臂梁结构，或是综放开采中的上位直接顶，在与前方岩体相互作用中呈半拱式结构，原裂隙带岩体在更高层位上断裂后，由于岩块之间相互咬合，从而形成一种砌体梁结构的老顶结构，实质为拱而外表却似梁的稳定结构。这种结构与厚煤层或者单一煤层开采相比，这种形成结构位置，离煤层较远，同时老顶与支架之间垫层对此结构的影响，使得矿压对老顶影响较为缓和。

3、 深部矿井采场矿压显现特征

实践中，将冲击地压、煤以及瓦斯突出，称为矿井动力现象，同时也是当前煤矿重大突发灾害的主要表现形式。近年来，随着矿井开采的不断深化，冲击地压灾害日渐凸显，各矿深部动力现象以及深部矿井采场矿压显现特征如下：

3.1 围压状态与岩层变形破坏

在进行矿井深部综放开采之前，三向受压的岩体处于高地应力环境，保持一定的稳定平衡状态。进行采动后，应力平衡状态遭受破坏，煤壁在这种破坏的应力平衡状态下，围压被解除，此时煤壁处于低围压，煤体经采动之后处于高应力差和低围压环境。岩石材料变形的主要原因是岩体自身强度和主应力差。煤岩体深部开采时处于高压力差和低围压环境之中，因此易形成裂隙，使岩体结构面滑移、张开，模量和强度明显降低，因此而导致煤岩体发展不稳定，形成塑性区，并向煤岩体深部发展，因此使煤岩体产生破坏。

3.2 综放工作面支承压力分布特征

综放工作面支承压力受到煤层强度、采深、顶板岩性、煤层节理裂隙发育程度、煤层厚度等因素的影响。不断加大采深，原岩自重应力值会随着采深的增大而增大，支承压力峰也会因开采而增大，其区域分布也会扩大。煤层越软，支承压力范围分布越大，煤壁距峰值点越远。同样煤层越厚，支承压力范围分布也会越大，煤壁距峰值点也会越远。顶煤强度较低会引起放顶煤工作面支承压力峰值点前移。

3.3 破坏性随震级改变，动力现象区域性强

近年来，随着煤层开采深度的不断加大，煤矿地压也随之增大，冲击地压危害越来越明显。据调查显示，国内很多煤矿早在上世纪七八十年代初，就存在着严重的冲击地压现象，尤其是自地下450 米深度开采以来，各种冲击地压现象屡见不鲜。据全统计数据显示，这些冲击地压现象，已经造成了大量的井巷工程遭到严重的破坏，甚至濒临报废，有些煤矿还造成了严重的人员伤亡。

3.4 矿井采深增加时，顶板岩层逐渐变碎、强度降低

随着矿井采深的不断增加，煤矿煤系地层中的裂隙、断层以及节理和层理逐渐开始发育，同层位上的岩层分层厚度逐渐变薄，而且弱面也随之增加。采场顶板悬顶长度逐渐减小，由不易垮落变碍容易垮落。在地下400m深度时，工作面直接顶相对比较稳定一些，而且悬顶也比较大，初次放顶稍显困难，甚至需要人工强制放顶，采空区垮落的岩块块度也较大。在地下600m水平时，工作面顶板悬顶长度就会逐渐的变小，埋深约900m的工作面基本上不存在悬顶，回柱后直接顶就会垮落，顶板非常的脆弱，部分采段必须铺设金属网护顶。

4对支护新技术新工艺的探索

4.1 深部岩巷采用底角锚杆控制巷道底鼓技术

底角锚杆，可以在巷道角部形成自承能力较高的承载拱，这样不但可以减弱巷道底角部应力的集中程度，还可以控制底角围岩塑性区的发展；底角锚杆还可以提高巷道底角部围岩的强度，从而减小两帮的塑性变形；底角锚杆还能有效地切断来自巷道两侧的高应力滑移线，从而起到消弱来自巷道两侧的挤压应力，控制底板鼓起变形的作用（如图1）。

4.2 岩巷围岩层理裂隙发育带采取注浆、预留断面支护方式

要想提高岩体的自承能力，就要选择巷道在剧烈变形阶段过后进入缓慢变形阶段的初期，对巷道进行全断面注浆加固。随着浆液注入岩体裂隙，围岩的结构得到了加固，其粘聚力、内摩擦角及弹性模量也得到了提高。此外，事先考虑巷道变形量，增大巷道断面，有利于保证围岩变形后巷道的使用要求。采用注浆锚杆注浆，首先要利用浆液封堵围岩的裂隙，以达到隔绝空气，防止围岩风化和被浸湿的作用，从而保证了围岩强度，同时还要配合锚、网、喷+锚索联合支护形成一个多层、有效的支护组合拱，以提高支护结构的承载力。

4.3 深部大断面软岩巷道采取加密锚杆支护方式

通过在承载应力最薄弱位置增打一根加密锚杆，减小了两锚杆之间承载梁的间距，使锚杆承载应力重新分布，缩小了承受应力薄弱区的范围，有效地控制了巷道的变形量。与原支护锚杆配合形成深部与浅部交错锚固，有效控制巷道围岩变形，尤其是减轻了拱顶及肩窝的破坏程度。

5结束语

近年来，随之矿井开采深度逐年增加，矿井深度大幅度变化，地质环境变得更加恶劣，与此同时煤层的瓦斯含量也增大，上述的这些地质变化极容易引起重大性灾害事故及工程灾害的发生，生产成本也随着这一趋势不断增加，作业环境越来越恶劣，这对矿井深部开采提出了新的要求。因此，应当不断加强对矿井深部矿压特征和实况分析，加强技术创新，只有这样才能确保矿井开采事业的可持续发展。

参考文献：

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