怎么破解乳化现象(深部开采势在必行？如何破解深井开采的关键技术)

Posted 2023-05-26

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怎么破解乳化现象(深部开采势在必行？如何破解深井开采的关键技术)

随着开采强度的不断加大，我国煤矿开采深度以每年8米至12米的速度增加，一大批煤矿快速进入深部开采阶段！

深部开采势在必行了！

煤矿进入深部开采后，岩层压力大、涌水量大、地温高等现象普遍存在，开采技术难度不断增大。很多老矿井既是当地煤炭生产的主力矿井，又是经济支柱和主要就业单位，一时间又不得不进入深部开采。

如何对千米深井开采作出合理的长期规划，如何能够安全、高效、低成本地开采深部煤炭资源，已是我国煤炭行业必须面对的问题。

摆在采矿人面前的难题有很多，如何破解呢？

01 建井技术

德国、前苏联、加拿大和美国在深部矿井建设和开发过程中遇到了一些共性的技术难题，有些已经得到较好解决。在深厚冲积层特殊凿井技术方面，德国、英国、波兰、加拿大、比利时等国家冻结法凿井深度均达到500m以深。煤矿中冻结深度最深的波兰的鲁布林煤矿一号井，冻结深度达到725m。国外钻井法用于施工的类似我国地层条件的井筒不多。

近年来我国在深井开发建设中，先后完成了淄博唐口矿同一井场3个超千米井（筒）的建设，研究开发了邢台邢东矿深井“三同时”快速凿井新技术，以及新汶龙固矿4个近600m深厚冲积层特殊凿井工程。这些都属国际深井建设的先进水平。“三同时”建井，是在受控钻孔（定向钻进）技术发展的基础上提出的，将传统井筒建设中上部冲积层冻结、下部岩层注浆、井筒掘砌依次施工的顺序，通过一定的技术手段，使三者在同一井筒、同一时间、不同深度上同时施工，达到缩短工期、确保安全的平行作业。

提高深井建设水平，除上述专项技术外，关键在于提高施工机械化水平。近年来我国在通过引进学习国际先进技术的基础上，研究开发了适合我国条件的深井掘砌工艺和机械设备，取得了较大的进步。

国家科技支撑计划重点项目“深厚冲积层千米深井快速建井关键技术”针对我国中东部地区煤炭供需矛盾持续紧张、煤炭资源开采深度逐年增加的实际情况，研究开发了适于深厚冲积层千米深井建设时期的高压注浆装备、特殊注浆堵水材料及深井注浆工艺，解决了深井建设中的水害威胁，为安全快速建井提供打干井条件；研发了冲积层钻井法新型钻头、刀具，形成“一扩成井”钻井凿井技术及装备；研究开发了立井凿井“钻--注平行作业”和千米深井基岩快速掘砌施工工艺及配套装备等关键技术；通过技术集成和相应工程示范，全面提高了我国深井建设技术与装备水平，加快深井开发建设速度，为深部煤炭资源安全、快速开发提供了科技支撑。

02 巷道支护技术

目前，国内外已形成被动支护、主动支护和联合支护三种形式。

2.1 围岩支护技术（被动支护）

棚式金属支架是巷道支护中最为常用的被动支护手段，它是通过提供被动的径向支护阻力，其直接作用于巷道围岩表面，来平衡围岩变形压力，从而约束围岩变形。

国外棚式支护发展的特点：由原始的木支架向金属支架发展，由刚性支架刚向可缩性支架发展；重视巷旁充填和壁后充填方法，完善了拉杆、背板，提高了支护质量；由刚性梯形支架向拱形可缩性支架逐渐发展，研制和应用非对称性可缩性支架。

国内巷道棚式支护：支架材料主要是矿用工字钢材和 U 型钢材，并已形成支护系列；研究和发展了力学性能较好、使用可靠、方便的连接组件；研究、设计了多种新型实用可缩性金属支架；提出了确定巷道断面和选择支架的重要方法；改进了支架本身的力学性能，提高了支架承载能力。

2.2 围岩加固技术（主动支护）

锚杆（索）支护作为是一种植入围岩内部巷道的主动支护方式，其不仅给巷道围岩的表面施加托锚力从而起到支护作用，还能给锚固体施加一定的约束控制围岩变形，使围岩强度得以提高，起到加固控制围岩变形的目的。

美国是世界上使用锚杆支护技术最早的国家之一，澳大利亚、英国、德国等国家煤矿行业广泛使用了锚杆支护的主动支护方法，较好的控制了煤矿巷道顶板、两帮等变形破坏问题。我国煤矿是从 1956 年开始使用锚杆支护，最初是被应用在岩石巷道，上世纪 60 年代开始在煤巷中试验应用，现已被广泛的应用于控制围岩变形破坏工程。注浆加固技术是一种较好的围岩加固技术，其能够显著的改善工程岩体的力学性能及其完整性结构，会促使围岩形成整体的结构，且能封堵裂隙，起到防止岩体泥化和风化的作用，同时能够改善锚杆和金属支架的受力状态，在使用浆体材料得当的前提下，将会充分发挥保护围岩体的自承载能力，其在软岩巷道工程中得到了广泛应用。

2.3 联合支护技术

联合支护技术是指用多种不同性能单一支护的简单叠加，复合支护技术是指几种支护形式的组合或者采用复合材料进行支护巷道，而耦合支护技术是指对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生变形不协调的部位，通过支护的耦合而使巷道围岩变形协调，从而限制围岩产生的有害变形和损伤，实现围岩—支护一体化、载荷均匀化，从而达到巷道稳定的目的。联合支护技术最初仅为各类支护体的简单叠加，当随着联合支护理论研究的不断深入，逐渐由简单的支护方式叠加，改进为多种支护方式的联合、耦合，且在软岩巷道工程实践中进行了大量应用。目前，联合支护技术在支护方式的选择上主要集中在各种主动支护方式联合，如锚杆+锚索、锚杆+锚注等等；在特殊情况下时亦有主被动方式的联合，如碹体+锚杆（索）、金属支架+锚杆（索）、金属支架+锚注等。针对深部巷道围岩的变形破坏特点，已形成以锚杆支护体系为主，以锚索和注浆动态迭加，辅助架棚和卸压等技术为辅的深部巷道围岩支护技术，同时也强调破碎软弱结构等关键部位进行加强支护的方法。

03 采掘技术

进入深部开采以后，各个矿井因地质条件和煤层赋存的不同而采用不同的采煤工艺。目前我国千米深井中有93%的矿井采煤工艺基本都使用综采或综采与炮采、普采、水采等相结合的采煤工艺，少数矿井使用炮采、水采、综放等工艺。在掘进工艺方面，有78.72%的矿井都采用综掘或综掘与普掘、炮掘相结合的掘进工艺，其中又以综掘与炮掘相结合为主，占59.57%。与浅部开采相比，深井开采的采掘工艺并无明显的区别。

04 热害治理技术

目前国内外的矿井降温，主要有两个方面的措施：一是非人工制冷措施，即通过改善通风方式，加大通风量等方式来进行降温，这种措施虽然经济实用，但是降温幅度有限，且受到诸多因素的制约；二是人工制冷降温，此技术可以分为水冷却系统和冰冷却系统，水冷却系统就是矿井空调技术的应用，而冰冷却系统则是将冰块洒向工作面来达到降温的目的。

国外在矿井降温方面起步较早，采用的方法主要有几种：机械制冷、利用电厂余热的溴化锂机组制冷、矿井瓦斯发电余热或直燃式溴化锂机组制冷等方法，德国和南非等国家的降温技术较为领先，德国气冷式降温技术和南非冰冷式降温技术比较有代表性。

早在20世纪70年代，我国就开始矿用制冷设备的研制工作，但进展相对缓慢。80年代后，随着矿井开采深度的加深，矿井热害已经严重影响到了煤矿的正常生产。1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第 609研究所联合研制成 KKL101矿用无氟空气制冷机，并且在平煤五矿己三轨道下山掘进工作面实施局部制冷降温，可使掘进工作面的气温降低 5～8℃。1996后又与相关单位合作，用 LSLGF-300、1000、500螺杆式水冷机组对工作面降温，效果明显。近两年，随着对矿用机械制冷设备需求量的增加，国内一些厂家也开始对矿用制冷设备的研制，国内企业合作开发的 ZJL-500矿用大气降温装置已经通过安标国家中心的矿用产品安全标志认证。山东能源在世界上首家自主研发并成功投用了冰冷低温辐射降温技术，使采掘地点温度下降5至10摄氏度，能够控制在26摄氏度以下。目前，该矿已建成国内最大的矿井降温技术研发基地，承担了国内31个矿井的降温工程。

05 冲击地压防治技术

目前，在冲击地压防治方面，国内外普遍采取预测预报、解危措施、效果检验、安全防护“四位一体”的综合防治措施。利用开采保护层、合理采区布置等方法降低应力集中程度。通过煤层预注水、高压注水、卸压钻孔、卸压爆破等措施，改变煤岩体的物理力学性能，减弱积聚弹性能的能力和释放速率。

（1）煤层注水工程。水能显著降低煤的冲击倾向性，煤层注水防治冲击地压的原理是：通过煤层注水，煤的结构发生改变、强度下降、变形特性明显“塑化”，煤体中积聚弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗弹性能的增加，煤的冲击倾向性大为减弱，甚至完全失去冲击能力。

（2）大直径钻孔卸压。钻孔卸压能把钻孔深入到高压带。大直径钻孔卸压是指在煤岩体应力集中区域或可能的应力集中区域施工直径大于95mm的钻孔，通过排出钻孔周围破坏区煤体变形或钻孔冲击所产生的大量煤粉，使钻孔周围煤体破坏区扩大，从而使钻孔周围一定区域范围内煤岩体的应力集中程度下降，或者高应力转移到煤岩体的深处，实现对局部煤岩体卸压解危或预卸压的目的。在唐口矿井，大直径钻孔卸压作为最主要的卸压手段，不仅是发现冲击危险时的解危手段，还作为采掘工作面施工前的预卸压手段，通过在掘进迎头及回采工作面两顺槽超前施工大直径卸压钻孔，形成卸压保护带来达到安全采掘的目的。

（3）煤体深孔爆破卸压。煤体深孔卸压爆破技术长期以来一直是用于解除冲击危险的基本措施, 并得到广泛的应用。爆破卸压是对已形成冲击危险的煤体实施钻孔爆破，以减缓或消除其冲击危险的一种解危措施。爆破卸压的原理是：通过对煤体实施钻孔爆破，使钻孔周围一定区域的煤岩体产生裂隙，其结构发生破坏，承载能力下降，在一定的范围内形成卸载带，便于应力和能量的释放，消除发生冲击地压的应力条件，避免冲击地压的发生。根据目前现场实施的煤体卸压措施来看，兖州矿区适宜的钻孔卸压参数为：钻孔间距为3 m左右，视煤体应力集中程度及冲击危险程度而定；钻孔深度为10 m以上，视煤层及顶底板情况而定。

（4）顶板深孔爆破。顶板深孔爆破就是在沿空巷道内向采空区方向处的巷道上方顶板采用锚杆钻机打一定深度的钻孔，并在孔内装炸药进行爆破，将顶板破断，降低顶板整体强度，释放因应力集中而产生的能量，减少顶板由于采动影响和时间效应而产生的断裂对煤层和支架的冲击震动。

（5）超深钻孔坚硬顶板断裂爆破技术。新矿集团采用MK-3 型全液压钻机，钻孔直径为75mm；用BCJ-5型装药车，采用压风机械化乳化炸药现场混装技术；用ZQF-1型压风封孔器进行压风喷泥封孔。结合金属矿常用的扇形中深孔爆破技术经验，向沿空巷道上方布置深度分别为19~ 32m 的钻孔，钻孔数量为10 个左右，呈扇形布置。爆破后能有效地破碎坚硬顶板，降低应力集中程度，从而大幅度消除冲击危险。

（6）爆破与注水组合卸压。五龙矿实施深孔大药量爆破结合高压注水，对局部含有夹石的煤岩体给予强行卸压，以达到防冲目的。因为局部含有夹石时增加了煤体强度，单一采用高压注水时很难将煤体压裂，不易达到卸压目的。对此，五龙矿专业防冲人员积极想办法，摸索出了有针对性的措施，就是首先对防冲注水孔进行爆破预裂，人为降低煤岩体强度，而后再进行高压注水，由此形成了巷道保护带，这在很大程度上避免或减弱了因冲击地压造成的巷道破坏。

（7）垛式支架强力支护。针对巷道的高应力状况，仅靠锚杆锚索联合支护已不能满足巷道支护需求，在掘进和回采期间，对严重冲击危险区域的巷道安设了成组垛式支架，增加了巷道的支护强度，提高了巷道抵御冲击地压的能力。实践证明，在严重冲击危险区，高强度支护是维护巷道、保证有足够作业空间、保证人身及设备安全的最成功有效的措施和途径。

06 煤与瓦斯突出防治技术

国内外主要采取开采保护层、瓦斯地面和井下预抽的方法治理煤与瓦斯突出灾害。由于预抽孔本身就有消突的作用，预抽孔配合保护层开采技术，更是对消突效果的一次巩固和提高。根据瓦斯运移变化规律，采取采空区埋管抽采与顶板高位走向钻孔抽采相结合、固定与移动相配合的瓦斯抽采方法，实现采前、采中、采后全过程的立体化瓦斯抽采。抽采装备有打长钻孔用的强力钻机、钻具以及定向控制技术和钻孔的封孔技术。

（1）本煤层瓦斯瓦斯预抽技术。主要采用在工作面上下平巷内施工本煤层孔，通过抽采泵站进行联孔抽采，达到治理本煤层瓦斯的目的。

（2）定向千米钻机施工穿层预抽钻孔。国内引进了定向千米钻机，可在不掘送底板抽采巷的前提下施工穿层预抽钻孔，大大缩短工期，同时减少不必要的井巷工程费用。

（3）深孔预裂爆破技术。为防止发生煤与瓦斯突出，揭煤前必须首先进行瓦斯抽采、瓦斯排放等措施进行消突。而对于透气性差的突出煤层单纯进行瓦斯抽采效果差，抽采时间长，增加揭煤工期和费用。采用深孔预裂爆破技术可大大提高煤层透气性，为瓦斯抽采创造有利条件。

（4）交替掩护式高位钻孔采空区瓦斯抽采技术。高位钻孔主要以回采工作面采动压力形成的顶板裂隙作为通道，能抽采工作面煤壁、采空区涌出的瓦斯，截断涌入工作面的瓦斯来源。交替掩护式高位钻孔瓦斯抽采实际是通过轨道平巷和胶带平巷内的高位钻孔抽采上部及本层采空区中部垮落带及断裂带积累的大量高浓度瓦斯来减少采空区的瓦斯涌出量。其方法的优点在于：在钻场、钻孔的施工当中，不与工作面其他生产环节发生冲突；抽采管理简单，交替掩护式布置合理利用空间，连网管路定期可进行回收，经济效益显著，有较高的成孔率。

（5）煤层水力置换驱替瓦斯技术应用。传统煤层注水是指通过向煤层中施工钻孔，然后通过钻孔向煤层内渗水，使煤岩湿润。其作用主要是湿润煤体，增加煤体的水分，同时改变煤体的力学性质，消除采掘工作面前方的应力分布不均匀。随着注水工艺、技术和设备的发展,煤矿现场开始应用高压水使煤岩体产生水压裂缝，利用水压裂缝的扩展达到使煤岩体强度弱化和增透的目的，即我们所说的“水力压裂”。

07 综合防治水技术

国内针对大采深条件下突水机理，目前采用地面瞬变电磁法探测和井下高密度探测相结合、物探与钻探相结合，深入研究深部煤层开采的水文地质特征。开发了工作面底板网络电法动态监测系统，将静态工作面底板水文地质探查技术和井下二维电法勘探技术结合，建立起工作面底板动态监测系统并实现了井下三维电法勘探，解决了传统的高密度电法对工作面底板富水性探测只能完成一次电法数据采集，难以做到适时监测的难题，实现了对工作面开采过程中煤层底板在采动影响下的水文变化情况进行实时监测，来动态监测地下水体的赋存、变化规律。

针对深部徐、奥灰水水压高、富水性相对较弱的特点，采取水文补勘、超前探放水、疏水降压、带压开采等措施。完善疏排水系统，建全水沟、沉淀池等防淤、清淤设施，确保疏排水系统可靠。对断层留设足够的防水煤柱，优化巷道布置，合理调整开采工艺。对后组煤开采，适当缩短工作面斜长或采取条带开采、充填开采等，采用适当的支护方式，及时放顶，加快推采速度，以减小底板采动破坏带的深度等措施的综合应用，基本保证了深部开采防治水安全。

08 灾害监测技术

（1）地震勘探技术。现已成熟的探测技术包括：三维地震勘探，在地面查明煤层中落差5m左右的断层和直径15m左右的地质异常体（陷落柱、采空区等）；槽波地震勘探，查明工作面内落差大于1/2煤厚的断层；瑞利波地震勘探，在掘进工作面迎头、巷道两帮、顶底板对岩性分界面、断层面、陷落柱、岩溶空洞、小间距下伏煤层赋存情况可进行30m范围内的跟踪探测；矿井直流电法和矿井瞬变电磁法，在巷道内探测煤层工作面底板下导水、含水构造、隔水层厚度、巷道掘进前方超前预测预报、煤层内已知陷落柱含（导）性探测等；矿井地质雷达，探测工作面内地质异常体，但探测距离较小；无线电波透视，圈定工作面内地质异常区（特别是含水构造）；钻探及随钻测井技术，沿煤层定向钻探(100~300m)探测工作面内构造及煤厚，重点验证物探探测结果，提高地质解释精度；室内测试，对有底板突水危险的工作面，采集煤样测定煤层构造破碎度，判断底板隔水层构造破坏程度。

（2）非地震勘探技术。非地震勘探技术主要包括重力勘探、磁法勘探、矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、矿井地质雷达、无线电波透视技术和音频电透视技术等地球物理勘探技术。随着电子技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，重、磁、电等非地震物探技术得到了较大发展。目前，重、磁、电采集仪器的体积已大大地缩小，记录方式开始采用自动记录、自动存储，特别是观测精度得到大幅度提高。

09 深井开采研究展望

地下开采是围岩应力场、破坏场、变形场和裂隙场不断演化的过程，采场矿山压力客观上是一个三维问题，开采引起的围岩压力重新分布、围岩变形移动破坏及煤岩动力灾害等根本上是采场围岩三维矿山压力演化所决定的，故深部煤炭资源的安全高效开采急需矿山压力理论方面的基础理论和相关研究支持，以便更好地指导高强度开采技术的推广与应用，更大限度地提高资源采出率，实现安全高效生产。

（1）对矿井深部开采工程动力的探讨。在进行深部开采时，岩层和地表控制预测的重要因素是保持工程岩体的动力平稳性。一般来讲，工程岩体的动力平稳性指的是煤柱、上覆或下伏岩层力学这些系统受到外力作用，随着时间的推移本来的平衡或运动状态和内部结构功能是否能保持一致。对工程动力稳定性的探讨主要应该研究对煤柱动力稳定性的相关影响原因。根据物理力学的原理，主要研究深部开采工程岩体动力学的模型，找出深部开采煤柱变形、滑动和破坏等平稳性模型以及如何判定稳定性的标准，并进行分析。要解决地表与岩体预测和控制问题，就要研究出岩体动力平稳性的规律。

（2）对深井巷道矿压基础进行研究。矿压问题是直接影响煤矿生产和安全问题的重要因素，对它的基础理论进行研究是解决巷道工程的基本依据。只有对深部巷道围岩的变形规律有较深的认识，才能让巷道围岩的控制问题具有科学性质。

（3）对深井巷道的安排和底鼓预防的研究。巷道的稳定性是设计的关键问题。针对巷道的特性，对原来浅部巷道的安排方式要进行改进，要尽量躲开应力的高峰期，对开采的程序进行优化，把动压对巷道的影响程度降到最低。底鼓是引起深井巷道失去平衡的主要原因。

（4）深部开采发生灾害机理研究。在进行深部开采过程中，深部岩体的基本特性和组织结构都会发生变化，从而造成深部开采事故的经常发生。因此，对于深部开采发生灾害的机理进行研究是非常必要的。要对引起事故发生的因素进行探讨，分析它们之间的联系和规律，总结出一套预测方法和预防措施。