我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析

时间：2022-04-09 11:28:19 所属分类：矿业工程 浏览量:

我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源量占国内化石能源总量的 95% 。根据第 3 次全国煤炭资源预测结果，我国埋深 2 000 m 以内煤炭资源总量约 5. 57 万亿 t，其中埋深超过 1 000 m 的煤炭资源量约为 2. 86 万亿 t，占总量的 51. 34% ，煤炭资源分布地域

　　我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源量占国内化石能源总量的 95% 。根据第 3 次全国煤炭资源预测结果，我国埋深 2 000 m 以内煤炭资源总量约 5. 57 万亿 t，其中埋深超过 1 000 m 的煤炭资源量约为 2. 86 万亿 t，占总量的 51. 34% ，煤炭资源分布地域广阔，煤层赋存条件多样，地质条件也极其复杂。我国煤炭资源分布与区域经济发展水平、消费需求极不适应。从煤炭资源的地理分布看，在昆仑山 - 秦岭 - 大别山一线以北保有煤炭资源储量占 90% ，且集中分布在山西、陕西、内蒙古 3 省( 区) [1]。我国目前 1 000 m 以浅煤炭资源量中可靠级储量仅有 9 169 亿 t，且主要分布于新疆、内蒙古、山西、贵州和陕西 5 省( 区) [2]。而经济社会发展水平高，能源需求量大的东部地区 ( 含东北) 煤炭资源量仅为全国保有资源储量的 6% 。中东部地区的浅部煤炭资源已近枯竭，但深部煤炭资源还相对丰富，华东地区的煤炭资源储量 87% 集中在安徽省和山东省; 中南地区煤炭资源的 72% 集中在河南省[3]。华北聚煤区东缘深部资源潜力巨大，河北、山东、江苏、安徽省深部资源量为浅部资源量的 2 ～ 4 倍，且其晚石炭 - 早二叠世煤系以中变质程度的气煤、肥煤、焦煤和瘦煤为主，具有较高的经济价值[4]。东北及华北聚煤区拥有全国 13 个大型亿吨级煤炭基地中的蒙东( 东北) 、鲁西、两淮、河南、冀中等 5 个大型亿吨级煤炭基地。由于近年来的大规模开采，一些地区的浅部煤炭资源已近枯竭，因此，发挥中东部老矿井作用，挖掘深部资源潜力，对于缓解我国煤炭资源分布不均，解决局部地区能源供需矛盾具有重要的现实意义。在我国煤炭开采技术和装备快速发展的背景下，开采强度不断提高，开采水平也在不断延伸，国内许多大型矿区的开采或开拓延伸的深度目前均已超过 800 m，目前已有江苏、山东、河南、河北、黑龙江等省多个大型煤矿的采深超过 1 000 m[5]。随着开采深度的日益增大，深部矿井的数量不断增多。未来 10 年之内，我国多地煤矿将全面进入深部开采阶段，在深部高地应力、高地温、高瓦斯、高水压等环境和高强度开采扰动下，矿井灾害显现越来越频繁，如冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井突水、巷道围岩大变形、地热灾害、自然发火等，对深部资源的安全高效开采造成了巨大威胁。基于此，笔者采用文献调研、现场调研和发函调研相结合的方式，对目前我国深部煤矿开采的现状及灾害类型进行了调查、统计和分析，这对我国煤矿实施科学采矿理念、保障深部矿井安全生产、制定安全科技发展规划等都具有重要意义。

　　1 深部矿井数量及产能情况

　　当前国内外学者对于深部矿井深度界定的认识还不尽一致，很多学者认为深部矿井的深度既包含绝对采深，也是一个与开采强度、开采方法、地质构造等因素紧密相关的相对概念[6 - 8]。为便于收集资料和分析，本文的深部矿井特指开采深度超过 800 m 的矿井。根据本次统计结果，我国目前采深已超过和即将超过 800 m 的深部煤矿集中分布在华东、华北和东北地区的江苏、河南、山东、黑龙江、吉林、辽宁、安徽和河北等 8 个省。另外在江西、湖南和重庆等省 ( 市) 也有个别深部生产矿井，共计 141 个煤矿。在本次统计的 141 个深部生产矿井中，国有重点煤矿有 110 个，占 78% 。全国主要深部煤矿在不同开采深度下的数量分布情况见表 1。由表 1 可知，目前全国深部煤矿以山东、河南和河北 3 省占多数，3 省深部矿井数量达到 80 个，占全国深部矿井数量的 57. 97% 。

　　目前全国煤矿总产能约为 40 亿 t，本次统计的深部矿井总产能为 2. 98 亿 t，占全国煤矿总产能的 7. 45%。全国煤矿主要深部矿井不同开采深度的产能分布情况见表 2。由表 2 可知，全国深部煤矿产能集中分布在安徽、山东、河南和河北 4 省，4 省深部煤矿产能达到23 043 万 t，占全国深部煤矿产能的 77. 37% 。

　　目前我国煤矿矿井正以 8 ～ 12 m /a 的平均速度向深部延伸，中东部地区的延伸速度达到了 10 ～ 25 m /a [9]。已有深部煤矿的省份，尤其是山东、河南、安徽、河北等中东部省区国有重点煤矿目前的平均采深在 600 m 以上，按照 10 ～ 25 m /a 的延伸速度，将在未来 10 年内普遍进入深部开采，未来我国深部煤矿数量及产能所占比例越来越大。

　　2 深部矿井主要灾害分析

　　2. 1 深部矿井灾害主要影响因素 2. 1. 1 基本地质力学特性对灾害的影响 1) 高地压。随着矿区开采深度的增加，原岩应力和构造应力不断升高。在采深 800 m，仅重力引起的垂直原岩应力就达到 20 MPa，超过了一般工程岩体的抗压强度。围岩在临近破坏时通常表现出变形加剧现象，使得冲击地压及煤与瓦斯突出等动力灾害的威胁逐渐增大。随着煤层埋深增大，对于泥岩、页岩等强度低的围岩，在上覆岩层重力作用下，会产生塑形变形; 在浅部呈现中硬岩变形破坏特征的工程岩体，进入深部后转化为高应力软岩，表现出大变形、高应力和难支护的软岩特征[10]。深部岩体具有的大变形和强流变特性，常导致巷道顶板下沉和两帮移近明显，底鼓严重，巷道维护十分困难。 2) 高地温。随着开采深度的不断增加，原岩温度不断升高，回采与掘进工作面的高温热害日益严重。如徐州夹河、张双楼、三河尖、张集等矿工作面温度超过 35 ℃，严重影响工人的身心健康。一般情况下，地温随着深度增加呈线性或非线性递增的趋势; 在调研中也发现，一些矿井出现了到达某一深度后温度突然变化，出现局部异常的现象; 由于岩层结构变化改变了热流方向，导致井田不同区域温度场分布差异，如越靠近褶曲构造轴部地温越高; 另外，进入深部开采后，高地温诱发岩体的物理力学性质也会发生剧烈变化[11]。据相关资料，岩体内温度变化 1 ℃可产生 0. 4 ～ 0. 5 MPa 地应力变化。深部岩体在高温环境下出现了很多的热力学效应，从而可能引发深部开采中的许多次生灾害。

　　2. 1. 2 开采强度对灾害的影响近年来，随着煤矿采深的日益增大，煤矿机械化程度也在不断提升，集约化开采强度增大，深部条件下大空间快速推采的开采方法对围岩形成强烈开采扰动，引起上覆岩层垮落、地表大变形沉降。据统计，采动后的矿山压力一般是采动前原始应力的 2 ～ 6 倍。另外，随着推进速度的加快，使瓦斯压力梯度增加，在高地应力、高采动应力和高瓦斯压力梯度的综合作用下，容易诱发各种灾害。

　　2. 2 深部矿井灾害属性分析对全国 138 个主要深部煤矿按煤体冲击倾向性、水文地质类型、瓦斯等级、矿井热害等级、煤自燃等级等 5 个基本灾害属性进行统计。其中，冲击倾向性等级依据 GB /T 25217. 2—2010《煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法》划分为: 无冲击倾向性、弱冲击倾斜性、强冲击倾向性 3 类; 水文地质类型按《煤矿防治水规定》划分为: 简单、中等、复杂、极复杂 4 类; 瓦斯等级按《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》划分为: 瓦斯矿井、高瓦斯矿井、突出矿井 3 类; 矿井热害等级按 MT /T 1136—2011《矿井降温技术规范》划分为: 一级热害矿井、二级热害矿井和三级热害矿井 3 级; 煤自燃等级依据 GB /T 20104. 2—2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》划分为: Ⅰ类容易自燃、Ⅱ类自燃和Ⅲ类不易自燃 3 类。 1) 热害。据不完全统计，我国已有 130 余处大型煤矿的采掘工作面最高气温超过 30 ℃，最高温度达到 37 ℃，大幅超过《煤矿安全规程》规定[16]。矿井热害不但对井下作业人员的健康造成了严重危害，引发机电设备故障，而且使劳动生产率降低，增加了事故发生率。在我国东部矿区，较厚的新生界松散层形成锅盖效应，地层散热条件差，聚热效应明显。在本次统计的深部矿井中，有一级热害矿井 34 个，所占比例 24. 64% ; 二级热害矿井 26 个，所占比例 18. 84% ; 三级热害矿井 9 个，所占比例 6. 52% 。主要分布在江苏、山东、黑龙江、吉林、河南等省。 2) 冲击地压。我国现已成为世界上煤矿冲击地压危害最严重的国家。随着开采强度和采深的持续增加，现有冲击地压矿井的冲击频率和强度，以及冲击地压矿井数量在不断增加，冲击地压矿井分布范围正日趋扩大，而且灾害日趋严重[17]。据不完全统计，全国现有冲击地压矿井 150 余个。在本次统计的深部矿井中，煤层具有冲击倾向性矿井 56 个，所占比例 40. 58%，冲击地压灾害的主要类型按力源分主要有: 构造型、重力型、瓦斯参与型冲击地压。冲击地压矿井主要分布在江苏、山东、黑龙江、河南等省。

　　2. 3 深部矿井灾害事故分析对本次统计的深部煤矿在近 5 年发生的灾害事故进行统计分析，结果见表 4。由表 4 可知，瓦斯灾害事故( 包括煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸和瓦斯窒息) 共 发 生 12 起，占 30. 77% ，死亡 121 人，占 65. 40% ，平均死亡 10 人/起，说明瓦斯灾害事故仍是深部矿井的第一大“杀手”。顶板灾害虽然死亡人数较多，但死亡人数最低，平均 1. 6 人/起。冲击地压灾害事故起数和死亡人数都占较大比例，平均死亡 4. 4 人/起。多灾害复合是深部矿井的一个新特征，统计的灾害事故中，有 3 起事故属于复合型灾害，分别是: 阜新五龙矿“1·12”瓦斯参与的较大冲击地压事故，死亡 8 人; 阜新恒大公司“11·26”矿震( 冲击地压) 引起的重大瓦斯爆炸事故，死亡 28 人; 吉林八宝煤矿“3·29”采空区煤炭自燃引发的特别重大瓦斯爆炸事故，死亡 36 人。复合型灾害事故程度通常比单一型灾害程度更高，容易造成重大人员伤亡。

　　3 深部矿井灾害防治技术及装备分析

　　1) 地热灾害。地热灾害防治已成为我国深部煤矿开采过程中亟待解决的重大难题之一。调研中发现: 目前我国千米以下深井多数靠通风散热，效果较差; 千米以上深井采用的人工空调设备效果较好，但设备及运行费用高昂，企业负担重。我国煤矿高温热害防治技术的相关研究起步较晚，在一些关键技术及核心装备上尚属空白，深部矿井地热灾害防治技术及装备亟待大力开发。 2) 瓦斯灾害。近年来随着我国煤矿安全投入的不断增加，以“区域防突措施先行，局部防突措施补充、不掘突出头、不采突出面”为核心的区域瓦斯治理工作体系逐渐建立完善，瓦斯治理水平得到了大幅提升，突出事故持续下降，煤矿安全生产形势明显好转[20 - 21]。调研中发现具备保护层开采条件的煤矿防突效果很好。由于深部开采条件下瓦斯灾害影响因素更加复杂，瓦斯灾害防治不容忽视。深部矿井瓦斯灾害防治技术水平仍需提高，尤其是瓦斯预测技术[22]。 3) 冲击地压。我国冲击地压灾害事故在近年来有大幅上升，目前对冲击地压机理的认识不清导致一些条件复杂矿井的冲击地压防治效果十分有限。在冲击地压监测方面，虽然目前已有多种监测手段，但缺乏多参量联合预警方法，难以做到较准确的冲击地压预警预报。预警技术水平低也是造成目前我国煤矿冲击地压防治困难的重要原因。对于深部煤矿，冲击地压开始和煤与瓦斯突出发生联系，防治难度更大，冲击地压防治技术及装备急需加大力度开展攻关研究。

　　4 深部开采面临的困难及问题

　　深部煤岩体以其特殊的地质力学环境，在矿井高强度开采的扰动下和深部地质构造低探测精度的背景下，矿井灾害显现日趋频繁，灾害防治的难度很大，主要体现在以下方面。 1) 多种灾害相互联系，复合型灾害的破坏性更大。随着煤矿开采深度的增加，瓦斯涌出量增大，瓦斯灾害日趋严重; 同时地应力增加，煤岩破碎量增大，地温升高，煤自燃灾害也越发凸显。矿震与瓦斯爆炸、冲击地压与煤与瓦斯突出、煤自燃与瓦斯灾害共生等复合型灾害开始逐渐显现，复合型灾害的发生门 槛 可 能 更 低，灾害程度通常比单一灾害更大[26]。目前对冲击地压和煤与瓦斯突出、瓦斯与煤自燃共存、地热与水害共存的复合灾害机理研究及综合防治技术研究还很缺乏，复合灾害的综合防治是一系列重大技术难题。 2) 多种灾害防治相互制约，影响防治效果。在深部开采条件下，各种灾害相互联系和影响，针对不同灾害采取的防治手段，常顾此失彼。如冲击地压防治要求推进速度慢，防采空区自然发火要求推进速度快，在易自燃且具有冲击地压危险煤层，合理的推进速度确定是一个难题。防冲击地压采取的爆破卸压工程通常在巷道围岩一定深度进行，爆破产生的应力波常对巷道支护造成一定影响，在围岩条件较差的矿井，冲击地压防治与巷道支护常存在矛盾，成为困扰现场工程技术人员的难题。在高瓦斯煤层进行瓦斯抽采后，煤层中的瓦斯压力下降，瓦斯含量随之降低，增加了煤与空气接触的机会，加大了煤自燃的概率。

　　5 结论及建议

　　1) 我国煤矿深部矿井目前集中分布在江苏、河南、山东、黑龙江、吉林、辽宁、安徽和河北等 8 个省。全国深部矿井总产能为 2. 98 亿 t，占全国矿井总产能的 7. 45% 。山东、河南、安徽和河北等中东部省区国有重点煤矿将在未来 10 年内普遍进入深部开采。 2) 挖掘深部资源潜力，对于缓解我国煤炭资源分布不均、解决局部地区能源供需矛盾具有重要的现实意义，加强深部煤炭资源开发是保障我国能源安全的必然战略选择，深部开采势在必行。 3) 深部矿井的灾害形式主要表现为: 自然发火、煤与瓦斯突出及瓦斯爆炸、冲击地压、热害和突水。深部矿井发生的灾害事故以瓦斯灾害为主，平均死亡人数最多。煤矿深部灾害尤其是复合型灾害必须引起高度重视。

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　　《我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析》来源：《煤炭科学技术》，作者：蓝 航1，2 ，陈东科3 ，毛德兵1，2

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