深部煤炭安全绿色开采理论与技术研究（精）

作者简介

内容简介

第1章深部煤炭开采理论与技术研究进展
　　煤炭在我国能源生产和消费结构中长期占到70%左右，以煤炭为主体的能源结构在未 来较长时间内不会发生根本性改变。随着我国浅部煤炭资源的逐步枯竭，深部煤炭资源开 发已经是必然趋势。目前，我国煤矿矿井正以8~12m/a的平均速度向深部延伸，已有深 部煤矿的省份（山东、河南、安徽、河北等中东部省份）的国有重点煤矿平均采深超过600m，按照目前10~25m/a的延伸速度，在未来10年内普遍进入深部开米。我国西部矿 区尽管尚处于浅部开采状态，但近年来也陆续出现了一些深部开采中的灾害现象。深部煤 炭开采与浅部煤炭开采相比，深部采区地质构造、应力场、煤岩体性质、地下水系统等均 与浅部开采不同，系统梳理深部煤炭开采中面临的主要问题、理论难点和技术关键、科学 实践的思路与方法，对建立适于我国深部开采情景的煤炭安全绿色开采理论与技术体系是 十分必要的。
　　1.1我国深部煤炭开采及开采面临的主要问题
　　我国是世界上目前最大的煤炭生产国和消费国，煤炭资源量占化石能源总量的95% ， 深部煤炭开采规模（矿井数量和产能）居世界首位。目前，我国位于1000~2000m深度 的煤炭资源总量约为2.86万亿t，我国能源需求量增加和开采强度不断加大，浅部资源日 益减少，许多矿山都相继进入深部资源开采状态。与浅部开采相比，深部开采的煤岩体处 于“三高一扰动”的特殊环境，开采深度不断增加，矿井冲击地压、瓦斯爆炸、矿压显现 加剧、巷道围岩大变形、流变、地温升高等工程灾害日趋增多，对深部资源的安全高效开 采造成了巨大威胁。
　　1.1.1我国深部煤炭开采特点
　　1.深部煤炭资源分布特点
　　从我国煤炭资源地理分布看，在昆仑山一秦岭一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。目前1000m以浅的煤炭资源量中仅有可 靠级储量9169亿t，且主要分布于新疆、内蒙古、山西、贵州和陕西5省区。而经济社会 发展水平高，能源需求量大的东部地区（含东北）煤炭资源仅为全国保有资源储量的6% 。
　　然而，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。在经济发达且煤 炭需求量大的东部地区，煤炭资源严重匮乏，浙江、福建、江西、湖北、湖南、广东、广 西、海南8省区的保有煤炭资源总量仅占全国总量的0.7%。而资源丰富地区多是经济相 对不发达的边远地区，如新疆、内蒙古、陕西和山西4省区，占全国保有资源总量的79.5%。由于我国煤炭资源赋存丰度与地区经济发达程度总体上呈逆向分布，煤炭基地远 离消费市场和煤炭资源中心远离煤炭消费中心，加剧了远距离输配煤炭压力，且从保有尚 未利用资源量来看上述趋势更为凸显。
　　目前，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 的煤炭资源储量的m集中在安徽和山东，中南地区煤炭资源储量的72%集中在河南， 而位于华北聚煤区东缘的深部资源潜力巨大，仅河北、山东、江苏、安徽的深部资源量就 为浅部的2~4倍，且其晚石炭世一早二叠世煤系以中变质程度的气煤、肥煤、焦煤和痩 煤为主，具有相当的经济价值。
　　2.深部矿井分布特点
　　随着煤炭开采逐渐向深部延伸，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800m，有的甚至超过1000m。据2015年统计，我国采深超过800m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、河北8个省。现有深部矿井111个，预计2020年还有28个矿井进入深部开采（图1.1）。其中，以山东、河南和河北3省占多数，3省深部矿井数量达到81个，占全国深部矿井数量的 58. 27% (图 1.2)。
　　图1.1 2015年及2020年主要省份深部矿井数量统计及预计柱状图
　　图1.2 2015年及2020年主要省份深部矿井数量统计及预计饼状图
　　3.深部煤炭产能区位特点
　　从2002 ~2018年中国煤炭产业发展经历快速增长期（2002 ~2013年）和调整期 (2014~2018年)后，2016~2018年原煤累计产量在35亿t上下浮动。东部地区煤炭资源 枯竭，开采条件复杂，生产成本高。例如，鲁西、冀中、河南、两淮基地的资源储量有 限，地质条件复杂、煤矿开采深度大，部分矿井开采深度超过千米，安全压力大；中部和 东北地区现有开发强度大，接续资源多在深部，投资效益降低；而西部地区具备资源丰 富、开采条件好等优点，如陕北、神东基地、新疆基地等煤炭资源丰富，煤层埋藏浅，开 采条件好。2018年，内蒙古、山西和陕西3省区原煤产量占全国的69.6%，西部5省区 (山西、陕西、内蒙古、甘肃、新疆)的生产和在建产能一共占全国产能的46%，具有深 部矿井现象的一批矿井正在建设和运行。中东部地区的8个省份现有深部矿井总产能2. 41 亿t，预计2020年深部矿井总产量将达到3.00亿t，占全国总产能的7.5%。全国深部矿 井产能集中分布在安徽、山东、河南和河北4省，4省深部矿井产能超过2.3亿t，占全国 深部矿井产能的77.53% (图1.3)。其中，安徽、山东占18.26%，河北占14.73%，河 南占12.47%。预计2020年，安徽、山东、河南占比将超过60% (图1.4)。
　　总体上，我国煤炭开采显示出三个特点：一是煤炭资源富集区与经济发展水平呈逆向 分布；二是大型煤炭基地生产能力与生态脆弱程度呈正向分布；三是深部矿井生产能力与区域发展需求不相适应。从我国能源发展战略、煤炭资源赋存特点、矿井开采深度和开采 延伸速度以及促进区域经济发展和维护社会稳定等方面看，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。一方面在位于中东部的鲁西、两淮、河南、冀中等大型亿 吨级煤炭基地积极挖掘中东部老矿井的深部资源潜力，缓解我国煤炭资源分布不均；另一 方面加强西部深部开采的产区和产能科学布局，积极解决西部深部资源开发中有待解决的 水资源和生态环境破坏问题，实现深部安全绿色开采。
　　图1.3 2015年及2020年主要省份深部矿井产能统计及预计柱状图
　　图1.4 2015年及2020年主要省份深部矿井产能统计及预计饼状图
　　1.1.2深部煤炭开采面临的主要问题
　　1.深部矿井冲击地压频繁
　　冲击地压是一种深部煤炭开采中常出现的动压现象，其本质是煤岩体聚积的弹性应变 能以突然、急剧、猛烈的形式释放的过程，同时应变扰动以应力波的形式向周边煤岩体传 播，引起煤岩体震动、声响等现象，造成煤岩体破碎、巷道变形、支架设备损坏、人员伤 亡等，对煤炭正常生产系统造成严重干扰。按冲击地压发生位置可分为煤层型冲击地压、顶板型冲击地压和底板型冲击地压；按冲击压力来源可分为重力型、构造型和重力-构造 型；按冲击能量大小可分为微冲击、弱冲击、中等冲击、强冲击和灾难性冲击类型等。 Rice从煤岩材料受载类型和破坏形式将冲击地压分为受静载引起的应力型冲击地压和受动 载引起的震动型冲击地压；佩图霍夫根据冲击地压与工作面的位置关系将冲击地压分为发 生在工作面的由采掘活动直接引起的冲击地压，和远离工作面由矿区或井田内大区域范围 的应力重分布引起的冲击地压。
　　近年来，随着我国煤矿开采深度的不断增加，开采强度不断加大，发生冲击地压矿井 的分布范围越来越广，至今已有北京、枣庄、抚顺、阜新、辽源、大同、天池、开溧、新 汶、徐州、义马、鹤壁、双鸭山、鸡西、淮南、大屯、韩城、兖州、华亭、古城、贵州等 近100个矿区（井）发生过冲击地压。我国已成为世界上冲击地压较严重的国家之一。随 着我国煤矿开采深度的进一步增加和开采强度的加大，冲击地压的危害将日趋严重。
　　2.深部瓦斯抽采难度增加
　　在我国一次能源生产和消费中，煤炭至今仍占据着举足轻重的地位，是我国社会经济 中长期发展的主要能源之一。煤矿瓦斯是与煤岩层共生共存的一种洁净高热值气藏能源， 在矿井生产过程中，它以多种形式从煤岩中涌出、喷出或突出。
　　瓦斯抽采率的提高除了与抽采技术手段的先进程度有关，还受制于煤储层的瓦斯赋存 规律。
　　随着采深的增加和科技的发展进步，煤矿开采表现出新的特点。一是综合机械化开采 成为主要的回采方式，这种高强度开采方法增加了采场空间的不稳定性，增加了瓦斯通过 增透技术抽出的难度，也给采掘空间带来一定的瓦斯危险；二是埋深的增加使得地应力和 瓦斯含量增大，综合各种因素的复杂事故（如冲击诱导型煤与瓦斯突出事故）越来越多。 上述因素对瓦斯抽采造成很大的困难。因此，需要针对深部开采条件下的煤层瓦斯赋存特 点，提出有针对性的瓦斯抽采技术办法，以增加深部煤层的透气性。
　　3.地下水保护难度增大
　　煤矿水害是矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一，常常带来巨大的人员伤亡和 经济损失。在我国煤矿重特大事故中，水害事故的死亡人数仅次于瓦斯事故，居第二位; 发生次数紧随瓦斯事故和顶板事故之后，居第三位；其造成的经济损失居**位。目前， 我国煤矿开采深度正以8 ~ 12m/a的速度增加，随着开采水平不断向深部拓展，开采煤层 距离奥灰、寒灰等底板强含水层的距离越来越近，其承受的压越来越高，底板突水的风 险越来越大，而底板突水事故往往都是特大型突水事故。由于深降强排的经济成本高且对 地下水资源的破坏大，因此带压开采成为受底板高承压水威胁煤层的主要开采方式，这也 导致底板突水风险相应增加。
　　1.2深部煤炭开采理论与技术研究进展
　　深部岩体是长期赋存于高地应力环境中的地质体，它的历史必将一直影响岩体现在及未来的行为。深部岩体非线性力学行为尽管已受到了国内外学者的广泛关注，但目前尚没有得出令人满意的计算模型。模型建立的困难不仅在于如何确定深部岩体固有的非均匀、 非连续构造表征，同时还在于很大的动力变形与破坏情况。
　　1.2.1深部开采煤岩基础理论研究
　　1.深部岩石力学基础理论
　　深部煤岩体是长期赋存于高地应力环境中的地质体，原岩特性及高应力环境决定了煤 岩体现在及未来的行为。深部岩体非线性力学行为一致受到国内外学者的广泛关注。目前 描述岩石非线性力学行为的本构模型大致可以分为弹（黏）塑性模型、断裂损伤模型和物 理细观模型等。弹（黏）塑性模型通常用Drncker-Prager塑性流动理论来描述介质的变形， 应力的瞬时值与塑性增加的应变率相关。断裂损伤模型是基于断裂损伤理论提出的各种损 伤本构模型，损伤被认为是物体内缺陷形成和发展的过程，而且这个过程的强度和持续时 间是由构成损伤物体的应力-应变变化历史所决定的，损伤连续介质力学模型中以下两个 因素尤为重要：一是对作为损伤变量的具体物理力学量值的选取，以及给出适合的动力演 化方程来描述物体变形破坏时尺度定量变化；二是给出与所选度量相适应的方程来描述损 伤连续介质的变形过程。物理细观模型则是基于物理细观力学理论提出的本构模型，从这 方面看，通常认为岩体的变形是一个多阶段、多水平的松弛过程，剪切稳定性的丧失是在 微观、细观和宏观三个水平上依次丧失局部剪切稳定性的过程。
　　陈宗基提出的蠕变扩容本构模型（陈宗基等，1989;陈宗基和康文法，1991)和简化 的脆性破坏本构模型（陈宗基，1987)，前者是基于大量的现场和室内试验提出的经验本 构方程，以模拟峰前岩石的行为。该模型假定屈服面和破坏面是两个同轴的圆锥面，夹在 两个圆锥面之间的区域是扩容、微裂隙活动以及声发射区，用于宏观表征岩石破坏前裂纹 传播和连通的过程，尤其声发射的计数随着应力偏量的增大而增加，裂纹周围势能转化为 裂缝扩展能量的过程。后者假定破坏面和残余破坏面是两个共轴的曲面，忽略所有破坏前 的前兆特征，假定材料直至峰值前都是弹性的，应力强度达到破坏面以后突然下降到残余 破坏面上。该模型可用来模拟峰后岩石的行为，但由于不考虑破裂块体尺寸与破裂孕育时 间的影响，因此其 矿业学科、水利学科、环境学科的科研人员，高校教师和相关专业的高年级本科生和研究生，以及从事煤炭深部开采、矿区水资源保护、生态修复等工作的工程技术人员，对研究我国深部煤炭安全绿色开采理论与技术具有重要的参考价值