1、浅析深井开采冲击矿压的防治技术摘 要：冲击矿压是矿井深部开采面临的重大问题。介绍了冲击矿压动力灾害的成因机理、危险性评价与预测预报和治理等内容。关键词：深井 ；采场；矿压特征；数值模拟；围岩控制1 绪论1.1 课题的意义中国是个煤炭大国，在我国的一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占的比重约为2/3，2007 年的全国煤炭产量为25.5 亿吨，由于全国对煤炭的需求量增加迅速特别是电煤，缺口仍有6000 万吨左右，新成立的国家能源局局长张国宝表示在2009 年要增加煤炭的产量，加紧审批一批大型煤矿的建设。我国正处于经济的快速增长时期，一次能源生产量和消费量均超过世界总量的10%；其中，煤炭生产量和
2、消费量约占世界的30%，且我国是个贫油气富煤的国家，煤炭资源丰富，但我国煤炭总储量的70%以上埋藏在600m 以下4，更有29500 万亿吨，埋藏在1000m以下，占总储量的53%7，煤炭资源从浅部开始开采，经过半个世纪的时间，浅部资源日益枯竭，国内外都陆续进入深部资源的开采，煤矿深井开采是世界上大多数主要采煤国目前与将来面临的亟待解决的问题。率先进入深部开采是金属矿山，早在本世纪初，南非金矿的开采深度就已超过2000m。据不完全统计，国外开采超过千米的金属矿山有80 多座，其中南非就有40 多座矿井开采深度超过1000m，其中一半多已达20003000m，如埃兰兹兰Elandsrand)金矿
3、、斯坦总统(President Steyn)金矿和博克斯堡(Boksburg)金矿等开采深度均已超过3000m，而全世界开采深度最大的地下矿山卡里顿维尔(Caritonvill)金矿(南非第三大金矿)的开采深度已超过4000m。除南非以外，加拿大、美国和印度等国非煤地下矿山的开采深度最大的也达到了20003000m，如美国的加利纳(Galena)银铅矿、加拿大的克来顿(Creighton)镍矿和印度的钱皮恩里夫(Champion Reef)金矿和科拉尔(Kolar)金矿等4。建国初期统配煤矿产量中，约有40%是从深度200m 以内的矿井中采出，而近80%的煤炭是从深度为400m 以内的矿井采出
4、。国有重点煤矿的生产的矿井，目前多数还是浅井和中深井，其百分比分别为50.08%和45.74%，而深矿井仅占4.2%。根据1997 年初的统计，国有重点煤矿的生产矿井中，目前采深已超过-800m 的矿井中有25 处，其分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶、徐州、淮南和长广等开采历史长的老矿区。据统计34-36 ，目前我国许多矿区的开采深度都己超过了600m800m,深度超过千米的矿井就有数十个，最大的开采深度己接近1200m。如沈阳矿务局彩屯煤矿(1197m),开滦赵庄煤矿(1159m)，徐州张小楼煤矿(1100m)，北票冠山煤矿(1059m)，北京门头沟煤矿(1008m)等。此外，新汶矿
5、区的大部分煤矿己进入深部开采，平均开采深度达-900m 以上，如孙庄煤矿(1055m),华丰煤矿1070m)。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我国将有更多煤矿进入1000m以下深度开采。按采深统计3、52，见表1，国有重点煤矿生产矿井多数是中深矿井，其矿井接近47%，深矿井的比重也增长到近24%，并有5.01%的矿井采深超过1200m。今后的总发展趋势是浅井(小于400m)的数目将大为减少，中深矿井(400-800m)的数目明显增加，深矿井(8001200m)的数目成倍增长，并将出现更多的特深矿井(大于1200m)，矿井的平均开采深度也将进一步增大至630 m 左右。随着矿井开采逐渐向深
6、部发展，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，矿压显现强烈，巷道位移显著增大，支架损坏严重，巷道返修量剧增，巷道维护变得异常困难，深部采场与巷道围岩稳定性控制已成为煤矿开采面临的重大课题之一，引起了世界各国采矿界的高度重视。另外深部高地压导致冲击地压危险加大，瓦斯涌出量增加以及地温升高等一系列新问题，因此，深井开采问题是采矿界面临的一个重要课题8。丁集煤矿是由淮沪煤电公司投资建设的大型煤矿，设计年生产能力5.0Mt，2007 年12 月26 日建成投产。1262(1)为丁集矿的首采面，采深在-900m 左右属于深井开采，深部开采工作面支架工作阻力大，煤壁片帮严重，
7、回采巷道在回采期间变形量大、难支护，一直是困扰煤炭工业发展的关键性问题，因此，研究其矿压显现的特征问题意义重大。方法研究深井开采矿压显现特征及围岩控制技术，指导首采工作面及类似条件工作面的安全高效生产。1.2 国内外研究概况及发展动态1.2.1 深部工作面顶板运动理论研究现状深部开采起步较晚，针对深部采场的理论研究大多基于以下基本的矿压理论。由俄国学者MM普罗托吉亚阔诺夫在对大量巷道顶板破坏情况观察的基础上提出来的自然平衡拱假说。由德国人哈克(W. Hack)和吉里策尔(G.Gilitzer)于1928年提出的压力拱假说12，14。 由德国的施托克(K.Stoke)于1916年提出的悬臂梁假说
8、，后得到英国的弗里德(IFriend)、前苏联的格尔曼等的支持12。由前苏联库兹涅佐夫于l9501954年提出铰接岩块假说。由比利时学者A拉巴斯于20世纪50年代初几乎与铰接岩块假说在同一时期提出的预成裂隙假说，假塑性梁是此假说中的主要组成部分。我国学者在总结铰接岩块假说及预成裂隙假说的基础上，以及在大量生产实践及对岩层内部移动进行现场观测的基础上，于20世纪70年代末80年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，从而发展了上述有关砌体梁力学模型假说12。解放以来，我国对煤矿开采岩层和破坏研究进入更高层次和实用阶段研究。山东科技大学宋振骐院士在深入研究分析了国内外的有关采场上覆岩层运动和破坏理
9、论后，提出了具有代表性的“传递岩梁”学说，也称之为“以采场上覆岩层运动为中心”的矿压理论。钱鸣高院士和缪协兴领导的课题组根据多年对顶板岩层控制的研究与实践,在80年代中后期提出了岩层控制的关键层理论。在“砌体梁”和“传递岩梁”理论的基础上,通过大量现场观测、实验室和理论研究,基于“岩层质量的量变引起老顶结构形式质变”的观点,姜福兴提出了老顶存在类拱、拱梁和梁式3种基本结构形式的拱梁结构理论33。国内外学者也对深部采场矿压特征进行了专门的研究：早在20世纪80年代初，国外已经开始注意对深井问题研究。1983年，苏联的权威专家就提出对超过1600m的深矿井的进行专题研究。当时的西德还建立了特大模拟
10、试验台，专门对1600m深矿井的三维矿压问题进行了模拟试验研究。1989年岩石力学学会曾在法国专门召开“深部岩石力学”问题国际会议，并出版了相关的专著。一些有深井开采矿山的国家，例如，美国、加拿大、澳大利亚、南非、波兰等，政府、工业部门和研究机构密切配合。集中人力和财力紧密结合深部开采相关理论和技术开展基础问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合，从1998年7月开始启动了一个“Deep Mine”的研究计划，耗资约合1.38亿美元，旨在解决深部的金矿安全、经济开采所需的一些关键问题。加拿大联邦和省政府及采矿工业部门合作开展了为期10年的两个深井研究计划。西澳大利亚大学在深井开采方面也进行
11、了大量工作54。原苏联CH科米萨罗夫为了确定矿山压力显现参数随开采深度增加而变化的规律性，对深井(罗斯托夫矿务局)范围内的矿山地质条件作了研究，总结了不同深度煤层顶板和底板的垂直位移与采深之间的关系55。原西德学者G.Everling通过数值模拟计算，得到了原岩应力与开采深度之间的关系；原西德埃森采矿研究中心还对深部开采在采场周围及底板岩层中的应力分布规律进行数值模拟计算。曲华和张殿振做的关于深井难采煤层上行开采的数值模拟53。杜计平与苏景春教授18等对煤矿深井开采的矿压显现及其控制的研究。谢和平54针对深部资源开采诱发的工程灾害与基础科学问题和温度压力耦合作用下深部岩石流变模型本构进行了研究
12、。蒋金泉教授采用正交梁近似计算方法32，计算各种支承条件下老顶的初次垮落步距，并分析了倾角、边界条件及采空区形状对来压步距的影响。王作棠博士还利用板模型的Marcus修正解37，提出了老顶初次来压步距的计算预测方法。戴兴国教授38等又利用极限分析方法给出了来压步距计算公式，分析中考虑了载荷动态的影响，但仍局限于刚性支座。缪协兴博士首次对采场老顶初次来压时的结构稳定性进行了较为深入的研究，研究中利用了光弹试验、梁的理论和几何分析方法，得出了对称块体挤压接触面高度、水平力等参数的计算公式，并给出了以极限下沉量。为指标的结构稳定性判据。1.2.2 深井回采巷道控制理论研究现状原西德和前苏联对深部开采
13、的巷道矿压及其控制的研究较为突出，西德侧重于深井巷道矿压控制实用技术的研究，前苏联侧重于巷道控制理论的研究。前苏联采用H c (其中c 为岩石的单轴抗压强度， 为上覆岩层容重)作为指标来评价深井巷道的稳定性，将巷道分为稳定(0.25)、中等稳定(0.250.4)和不稳定(0.40.65)3 类15。原西德学者认为：当岩石压力超过一定极限后，巷道掘进时就会产生掘进移近量，开始产生掘进移近量的压力值表达式为：H = 3.46 。式中 为底板岩层强度。从而推出在不受开采影响的岩体中巷道失稳的极限深度表达式为：138 max H = 16。20 世纪50 年代以来，人们开始用弹塑性力学解决巷道支护问题
14、，其中最著名的是Fenner20公式和Kastner 公式21。20 世纪60 年代，奥地利工程师L.V.Rabcewicz 在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥法(NATM)22，它既不是单纯的施工，不是单纯的支护方法。它的核心思想是调动围岩的承载能力，促使围岩本身成支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成为坚固的支承环。它的特点是通过许多精密的测量仪器对开挖后的巷道及硐室进行围岩动态监测，并以此指导地下支护结构设计和施工的全过程。此方法自诞生以来，在很多国家得以成功应用。20 世纪70 年代，M.D.Salamon 等人又提出了能量支护理论23。该
15、理论认为，支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。国内深井巷道研究起步相对较晚，但也引起了足够的重视，近年来也取得了许多积极的成果。付国彬教授等人对开滦赵各庄(1994 年12 月生产水平埋深1056m)不受采动影响的巷道围岩松动圈随采深变化的规律进行了实测，得出松动圈范围岩性和采深的相关关系式为17： 21= 1.3151( 0 . 0.4510） P c L P 。式中 P L 为松动圈厚度，m； 0 P
16、为原岩垂直应力，MPa； c 为单向抗压强度，MPa。杜计平博士用解析的方法分析了岩石的力学特性、采深、开采影响、服务时间和支护对巷道围岩松动碎胀圈半径、巷道围岩及支架变形的影响，得出不同掘进和布置方式的回采巷道围岩变形随采深增加的规律18。勾攀峰教授应用弹塑性力学理论建立了巷道围岩系统的势能函数，进而用突变理论方法建立了巷道围岩系统尖点突变模型，从而提出了确定深井巷道临界深度的方法19。同济大学孙均院士、安徽理工大学朱效嘉教授、东北大学郑雨天教授等提出的锚喷-大弧板支护理论24，通过壁后软性固化充填及接头处可压缩垫板而使支架具有一定的可缩让压特性，让压到一定程度，要坚决顶住，以满足软岩支护“边支边让，先柔后刚，柔让适度，刚强足够”的特点。董方庭
