煤炭学报

　第37卷第4期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.4　　2012年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)04-0535-08煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考谢和平1,周宏伟2,薛东杰2,王宏伟2,张　茹1,高　峰2(1．四川大学工程科学与灾害力学研究所,四川成都　610065;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京　100083)摘　要:从分析开采深度的增加导致一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重的特点入手,阐述了国内外关于深部、浅部差异的量化界线。进一步针对煤炭科学开采对资源储量和开采技术发展水平的要求,从工作面环境温度、巷道变形控制以及采动岩体能量聚集灾变等方面,论述了极限开采深度的概念,给出了极限深度范围。关键词:深部开采;极限深度;地温;巷道变形中图分类号:TD801　　　文献标志码:A收稿日期:2012-03-14　　责任编辑:常　琛　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2011CB201201);国家科技支撑计划课题资助(2008BAB36B07);国家自然科学基金资助项目(51134018)　　作者简介:谢和平(1956—),男,湖南双峰人,中国工程院院士。E-mail:[e-mail]onondeepcoalminingandcriticalminingdepthXIEHe-ping1,ZHOUHong-wei2,XUEDong-jie2,WANGHong-wei2,ZHANGRu1,GAOFeng2(1．InstituteofEngineeringScienceandDisasterMechanics,SichuanUniversity,Chengdu　610065,China;2．StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafetyMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:Basedoncharacteristicsofaseriesofengineeringdisasterssuchasrockburst,coalandgasoutburst,roofweighting,wateroutburstwithincreasingdepth,aquantitativedifferencebetweenshallowanddeepdepthwasdis-cussed.Furthermore,basedondemandonreservescapacityforsustainableminingandtechnologicaldevelopment,theconceptandlimitofcriticalminingdepthwerealsoproposedwithintheframeworkoftheairtemperatureofminingface,controloftunneldeformationandmining-inducedstrainenergyaccumulationofsurroundingrocks.Keywords:deepmining;criticalminingdepth;rocktemperature;tunneldeformation　　随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采的深度越来越大,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采问题。关于深部的定义,目前国内外大体从两个方面进行考虑:一个是绝对概念,即提出煤炭深部开采的界线,但关于煤炭的深部开采并没有明确界线,究竟多深算深部也没有明确概念。国内学术界根据目前采煤技术发展现状和安全开采要求,提出深部的概念是700~1000m[1]。另一个是相对概念,即根据煤岩体所处的赋存环境的明显变化来定义深部概念,提出了所谓“三高”概念,“高地应力、高地温、高渗透压”,但也无明确界定。还有些学者根据采动灾害特征来定义深部概念,即只要出现了巷道变形剧烈、采场矿压剧烈、采场失稳加剧、岩爆与冲击地压聚增、瓦斯高度聚积、瓦斯压力增大、突水事故几率增大、突水事故趋于严重等灾害事故就算深部开采。可见,目前关于深部开采的界定还没有统一的科学定义,更没有一个量化的标准,因此十分有必要从一个新的角度来认识深部概念问题。从另一方面说,深部煤炭资源开采量及开采程度取决于目前的技术水平支撑及深部地温导致的矿工作业安全及极限承受能力。煤炭资源的开采深度并不是无限的,必定存在一个极限深度的概念,即根据目前经济技术水平确定的允许开采的最大深度,亦即从保障作业安全、经济合理性、机械化程度、环境协调等诸方面提出采煤工作面能够达到的极限深度。极限开采深度以上的煤炭资源,其中的浅部煤炭资源开采已经积累了丰富的经验,而深部煤炭资源,通过科技攻关、加大投入、提高人员素质等措施,仍可实现科学开采、形成科学产能;而针对该极限开采深度以下的煤炭资源,目前的经济技术发展水平无法确保科学煤　　炭　　学　　报2012年第37卷开采,仅属于远景资源,视为国家战略储备资源。只有当科学技术发展到一定水平,才能实现该部分资源的科学开采[2]。基于此,本文首先总结了国内外煤炭深部开采关于深度的界定,进一步从矿井温度、巷道围岩变形控制、煤岩体弹性能聚集与释放的突变分析等方面讨论了开采极限深度的概念。1　深部煤炭资源开采及深部开采深度的界定和思考　　根据全国第3次煤炭资源预测,全国埋深2000m以内的煤炭资源总量为5．57万亿t,资源总量居世界第一;已查明保有资源量排在俄罗斯(2．5万亿t)和美国(1．5万亿t)之后,居世界第3位。东部地区煤炭资源主要富集于东北、华东区域,但主力生产矿井已进入开发中后期,主体开采深度已达800m以下,构造复杂、灾害严重,部分矿井进入边角煤或残采阶段,未来开采的主要储量集中于浅部延伸至深部阶段。随深度增加地温地压均线性增加,而岩爆、冲击地压与煤与瓦斯爆炸等突变呈非线性增长。我国煤炭资源在进入深部开采以后,随着开采环境的变化,将面临诸多问题:①冲击地压频率和强度增加。冲击矿压与采深有密切关系,随着开采深度增加,冲击矿压发生的频率、强度和规模会随之上升。同时,冲击矿压有可能与煤与瓦斯突出、承压水问题等灾害相互叠加、相互作用,互为诱因,使灾害的预测及防治更为复杂困难。②煤与瓦斯突出危险性增加。随着采深的增加,地应力增大,瓦斯含量和瓦斯压力迅速增加,致使煤与瓦斯突出矿井数量增多。在深部高应力作用下,煤岩体中积聚了大量的瓦斯气体能量,受工程扰动,压缩气体急剧释放,导致围岩结构瞬时破坏而产生煤与瓦斯突出。随着矿井开采深度增加,煤层瓦斯压力增加,不少原来浅部为非突出的矿井,转化为突出矿井,突出强度和频度随深度增加明显增大。③采场矿压显现强烈。深部煤岩体的应力环境、变形与破坏特性较浅部煤岩体发生了显著变化。深层煤岩体所处环境地应力高,构造应力场复杂。岩体的变形特性发生了根本变化:由浅部的脆性向深部的塑性转化;岩体变形具有较强的时间效应;岩体的扩容现象突出;岩体变形具有不连续性。随着采深的增加,巷道围岩变形量变大且采场矿压显现强烈[3],表现为围岩剧烈变形、巷道和采场失稳,并发生破坏性的冲击地压,加大了顶板管理难度,增加了支护成本。据部分统计,深部巷道实际返修比例高达90%以上,不仅使巷道维护费用大大增加,而且造成矿井生产系统不畅,运输能力不足,风、水、电系统脆弱等一系列问题,成为矿井安全生产的重大隐患。④突水事故趋于严重。随着矿井开采深度增加,由于高应力和高地温的作用,水在裂隙中的流动特征发生明显变化,高渗透压力极有可能产生地质灾害。我国煤矿地质条件复杂,特别是水文地质条件复杂,奥灰水压持续升高,承压水问题十分严重,突水机率也随之增加,突水事故时有发生。⑤地温升高,作业环境恶化。《煤矿安全规程》明确规定,采掘工作面空气温度不得超过26℃,硐室的空气温度不得超过30℃。随着矿井开采深度增加,高温热害矿井数量不断增加。有些矿井的岩石温度已超过40℃,甚至达到50℃,如德国鲁尔区Heim矿最大采深达1480m,温度高达68~70℃。很多采掘工作面气温达到30℃,部分矿井高达35℃以上,空气相对湿度90%~100%。地温升高严重影响矿井的正常生产和工人的身体健康。因此随着开采深度的增加,各种突变灾害增加,如何定量化判定深部界限显得尤为重要。前苏联对于不受回采工作影响的巷道,引用指标Hγ/R,在考虑岩石强度的情况下分析巷道所处深度的影响,当巷道状态由中等稳定向不稳定状态过渡时,可以认为巷道所处的深度为极限深度,并且考虑当构造作用影响时,深部开采深度应乘以构造影响系数。德国对深部开采的研究着重于实际应用,从实际观测入手,通过对实测数据的分析,认为忽略巷道围岩的弹性变形位移量,当岩层压力超过一定极限值时,围岩开始产生塑性变形移近量,而产生这个压力极限值时巷道的深度就是深部开采深度。根据国外有关资料,英国和波兰煤矿把深部开采深度定为750m、日本为600m、苏联为800m、德国为800~1200m[4]。国内近些年不同学者分别探讨了深部开采界线问题,梁政国通过综合考虑采场生产中动力异常程度、一次性支护适用程度、煤岩自重应力接近煤层弹性强度极限程度和地温梯度显现程度等综合指标判据,指出深浅部开采界线初步定为700m,在浅部开采中,500m以上为一般浅部开采,500~700m为准深部开采,700~1000m为一般深部开采,1000~1200m为超深部开采[5];钱七虎建议依据分区破裂化现象来界定深部岩体工程[6];何满潮建议将深部开采深度定义为工程岩体最先开始出现非线性力学现象的深度[7]。上述研究均指出深部开采的临界深度是采动力学行为由以线性为主转为显著非线性为主的临界深635第4期谢和平等:煤炭深部开采与极限开采深度的研究与思考度,但均没有强调煤岩体所处应力环境,在这里提出从应力环境角度定义煤炭深部开采深度,即根据岩石力学理论和实验研究岩石强度和灾变临界应力状态作为煤岩深部开采深度准则:σ1=σ2=σ3(1)　　这就能对不同矿区、不同地应力、不同岩体得到不同的开采深度。由此准则对软岩而言,当σ1=σ2=σ3时,其绝对深部可能仅300~500m;对硬岩而言,该深部可能超过1000m。图1所示为中国沉积岩平均水平地应力(最大水平应力与最小水平应力的平均值)与垂直地应力比值随深度变化规律,以静水压力为分界线,即比值接近1,其埋深为750~800m。因此将平均概念意义下的静水压力作为深部浅部的分界线,具有统计意义,但针对具体的软岩、硬岩等不同岩性需要根据实际情况由式(1)来分析判断。图1　中国沉积岩地应力场分布规律[8]Fig．1　StatisticsofgroundstressinsedimentaryrocksinChina2　深部煤炭资源极限开采深度的研究与思考针对深部开采中所出现的问题,根据煤炭开采科学产能的要求提出极限采深的概念。极限采深是指当煤炭开采超过该深度后,煤炭资源赋存地质条件十分复杂,围岩控制十分困难,热害、瓦斯、突水等灾害防治难度极大,在煤炭资源开采过程中现有的技术与装备无法满足开采安全度与绿色开采度的要求[2]。因此煤炭资源的开发开采深度不可能无限向下发展与延伸,必定受到现有技术水平和矿工作业承受力及安全保障的制约和限制,必定存在这样一个极限开采深度。而在该极限开采深度以下的煤炭资源,属于目前的科技水平、经济合理性无法确保科学开采的煤炭资源,仅属于远景资源,也可视为国家战略储备资源。只有当科学技术发展到一定水平,才能实现该部分资源的科学开采,因此本文研究的极限开采深度属相对概念范畴。以下仅从地温梯度、巷道变形、煤岩弹性能聚集释放角度,对极限深度进行探讨。2．1　基于地温平均梯度的极限开采深度探讨2．1．1　煤