深井连续卸压开采与沿空留巷技术

深井连续卸压开采与沿空留巷技术张农中国矿业大学哈尔滨引言深部开采条件及技术挑战深井连续卸压开采方法沿空留巷技术汇报提纲一、引言我国煤炭产量连续多年位居世界第一，2012年达36.5亿吨，支撑着国民经济的快速发展，保障着国家的能源安全。煤炭产量与GDP增长的关系0204060010203040200220042006200820102012GDP产值(万亿元)煤炭产量(亿吨)煤炭产量GDP产值中国与世界的煤炭产量（BP世界能源统计）2002年以来世界煤炭产量净增长量平均贡献率中国（70%）其他（30%）《BP世界能源统计2013》：2012年世界煤炭产量78.645亿吨，中国生产和消费占47.5%和50.2%，消费首次过半。从我国能源的生产和消费结构看，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代！高强度开采将长期存在！近10年来，我国煤炭在世界煤炭产量净增长量平均贡献率达70%。我国探明煤炭资源储量：60%埋藏深度＞800m53%埋藏深度＞1000m从资源赋存特点看，60%煤炭资源埋藏深度超过800m，从开采延伸速度看，下延速度8-12米/年，深部开采势在必行！2012年度，我国平均采深500余米，国有煤矿中，东北、华北、华东43家煤炭企业300余座矿井采深超过600m，采深超千米的矿井有47个，总产量9456万吨，平均采深1086m，平均产能207万吨/年，最深的孙村矿采深达1501m。井深（m）个数比例（%）990~100024.261000~11002859.571100~1200714.891200~1300817.021300~140012.131500~160012.13省份数量山东21江苏7安徽6河南4河北4黑龙江2吉林2辽宁1千米深井各省分布图二、深部开采条件及技术挑战五高高地应力高瓦斯高工作环境温度高冲击倾向性高渗透压两扰动开采的强烈应力扰动巷道群开挖时序的强烈扰动2.1深部开采条件采深500m1000m垂直地应力13.5MPa27.0MPa后期构造运动煤层形成较大的构造应力场+垂直应力水平分量水平应力垂直应力淮南实测侧压系数（19个点）1：118：11）高地应力低瓦斯高瓦斯运移通道不畅通深部矿井浅部矿井运移通道畅通2）高瓦斯采深温度2.5~3.0℃/100m我国47对千米深井工作面温度:30～40℃有测试记录的矿井最高岩石温度60℃危害：岩体热胀冷缩破碎，温度变化1℃可产生0.4～0.5MPa的地应力变化工人工作效率下降，易引发事故3）高工作环境温度非冲矿井4）高冲击倾向性浅部深部第四纪含水层地表水承压水水压小涌水量小水压大涌水量大采掘活动导致断层裂隙活化突水灾害+5）高渗透压深部高地应力开采活动数倍的原岩应力附加浅部工程硬岩深部工程软岩演变弹性应力状态塑性应力状态演变6）开采的强烈应力扰动巷道群掘进先掘巷道后掘巷道强扰动影响底臌、两帮急剧收敛高地应力7）巷道群开挖时序的强烈扰动三个方面七大问题环境热害冲击地压煤与瓦斯突出矿井突水深井矿压五高两扰动煤层自燃高运行成本2.2深部开采的技术挑战效率安全成本深部岩石力学行为表现特殊，巷道维护难顶板成为煤矿第一大事故源，严重影响煤矿的安全巷道顶板垮冒深部开采突出表现之一：顶板事故频发、开采成本高煤矿各类事故起数分布（2012）冲击矿压频率和强度均明显增加，成灾机理更加复杂，防治愈加困难瓦斯抽采难：煤层渗透率低，瓦斯处于吸附状态水害治理难：裂隙发育，承压水威胁大深部开采突出表现之二：动力灾害严重、安全可靠性低冲击地压突水煤与瓦斯突出C13B11B8B7B6B4A3A170m70m70m60m淮南矿区煤层群柱状图C14C组煤B组煤A组煤煤层赋存条件差异性大：可采厚度不同顶底板条件不同层间距差别大瓦斯含量不同冲击倾向性不同瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气性低(瓦斯含量为8~26m3／t，瓦斯压力最高达6MPa，煤层渗透率为0.0011毫达西)地压大、煤岩松软(开采深度达1000m，最大主应力达26.8MPa)？进入深部，可采煤层全部成为突出煤层时，开拓布局极其困难选择性开采成为可能，也是一种必然问题之一：下行顺序开采方式遇到挑战同一煤层内跳采卸压区应力集中区应力集中区应力集中区应力集中区上行开采时上下煤层内形成应力集中问题之二：留煤柱护巷和跳采接续方式导致资源采出率低、开采效率低我国煤炭采出率仅为30%~40%，其中煤柱损失所占比重最大；无煤柱开采可提高资源回收率15%以上。矿区采区煤炭损失构成分类及比重（%）煤柱损失落煤损失厚度损失地质损失其他大同54.593.9321.1513.506.83阳泉63.825.532.5421.206.81西山50.074.5526.1414.614.63平顶山24.806.2021.3037.5910.11澄合22.902.0041.8230.502.78蒲白42.604.5026.19--23.20抚顺64.235.6920.371.797.92部分矿区采区煤炭损失构成情况减少回采巷道掘进工程量20%~80%；实现连续开采，避免跳采、孤岛工作面和区域应力集中。采空区Goaf首采面采空区Goaf煤层双巷或多巷布置及跳采沿空留巷及顺序开采第一接替面第二接替面（13.3%）我国煤炭资源储量少，储产比低，节约资源势在必行！取消煤柱的开采方式值得提倡和推广。工作面回采区段煤柱上隅角采空区上区段采空区采空区空气流场进风回风上区段采空区沿空护巷工作面采空区空气流场采空区进风进风回风传统留煤柱U型通风沿空护巷Y型通风上隅角瓦斯积聚，威胁安全工作面温度聚集，加剧热害问题之三：U型通风方式在深部开采的适应性差、可靠性低巷道+钻孔问题之四：瓦斯治理工程量大，实施困难三、深井连续卸压开采方法深部开采问题主要是由高应力引起的，是不够科学合理的开采布局产生的，由此提出两条技术路线：静态开采：尽可能小的应力扰动技术途径：充填置换开采适用条件：地面环境要求、承压水害防治连续卸压开采：形成大范围的低应力区技术途径：安全层的沿空留巷和无煤柱连续开采适用条件：首采层的安全保障3.1概念从开拓开采源头出发，统筹考虑深井开采面临的三个方面七大问题，利用矿区煤系地层的差异化赋存特点，通过首采煤（岩）层的系统大面积连续开采，形成邻近含煤地层的有效卸压范围，消除煤与瓦斯突出和冲击矿压等动力灾害、减弱围岩矿压、解析低透气性瓦斯，优化巷道布置，实现深部煤层及其伴生资源（瓦斯）在低应力状态下的协调开采。3.1概念评估资源及开采条件，选择安全有保障、可供直接开采的煤层（煤线、软弱岩层）首先开采：顶底板条件好，巷道容易维护瓦斯含量小，突出危险性低冲击倾向性低，无冲击矿压承压水威胁小，水量可控高效薄煤层（煤线、软弱岩层）机械化开采技术！3.2步骤在卸压区布置和维护巷道:选择合适的时机在首采层开采形成的采动卸压区布置巷道，实现巷道在低压区维护在低应力状态下统筹协调开采（煤与瓦斯共采）利用卸压效应和已布置的巷道选择合适方式抽采游离瓦斯开采抽采达标、充分卸压的邻近安全煤层3.2步骤高瓦斯煤层群的开采模式：无煤柱连续卸压开采及煤与瓦斯共采Y型通风方式，降低工作面温度消除上隅角瓦斯超限问题抽采邻近卸压层瓦斯取消煤柱，连续开采充分卸压，消除高应力减少工程量，低成本开采区域煤与瓦斯共采四、沿空留巷技术1950年代1960年代1970－80年代自发应用巷内架木棚砌矸石墙初期试验巷内架棚跨大巷、上山和石门发展阶段巷内架U型棚石膏、速成水泥墙体可缩性2004－至今淮南.留巷钻孔法“煤与瓦斯”共采试验成功，全国推广,各类复杂条件下留巷试验1990年代相对低谷巷内锚、架高水材料充填墙体厚直接顶一层顶板垮13m19m薄直接顶一层顶板垮14m基本顶直覆裂隙初现厚层直接：顶板垮落最及时——强度低、自重大；薄层直接：顶板垮落稍滞后——强度底、自重较小；基本顶直覆：悬而不垮，悬臂最长——强度高。22m厚直接顶二层顶板垮25m薄直接顶二层顶板垮30m基本顶直覆裂隙发育顶板前期垮落特点4.1理论基础—沿空留巷顶板运动特征32m厚直接顶三层顶板垮36m薄直接顶三层顶板垮33m基本顶直覆基本顶垮落顶板中期垮落特点：厚层直接：垮落及时、采空区充填充分；薄层直接：垮落滞后、采空区充填较充分；基本顶直覆：悬臂过长，垮落突然、关键块体旋转角大。厚直接顶回采结束薄直接顶回采结束基本顶直覆回采结束顶板后期垮落特点：顶板条件老顶破断位置周期来压步距顶板旋转角留巷来压强度厚层直接顶充填体外5m18m6°缓和薄层直接顶充填体外3m20m16°较强基本顶直覆充填体边缘33m21°强烈上覆顶板的运动过程控制着下部留巷工程，是影响沿空留巷围岩稳定的根本诱因。随直接顶厚度的降低，基本顶破断位置不断靠近充填体，充填体破坏程度依次增加。基本顶回转角、顶板垮落角随直接顶厚度减小而增大，基本顶回转角、顶板垮落角越大，对留巷围岩破坏越严重。调控顶板运动状态，是优化留巷区域应力状态，维护留巷稳定的治本之策。小结051015202530020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m051015202530020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m0102030020406080100工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m0102030020406080100工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m厚直接顶薄直接顶05101520253035020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m05101520253035020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m基本顶直覆煤层上方10m应力分布特点：侧向应力分布存在“双峰应力”:侧向支承应力和墙体上集中应力；侧向支承应力：直接顶越薄，应力集中系数越大，老顶直覆时最大；墙上集中应力：同样如此，说明老顶的施载效应随着直接顶的减小而增强。顶板10m层位的垂直应力4.1理论基础-沿空留巷围岩应力演化特征厚直接顶薄直接顶基本顶直覆0510152025020406080100120140160180200工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m0510152025020406080100120140160180200工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m0510152025020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m0510152025020406080100120工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m0510152025020406080100120140160180200工作面倾向/m垂直应力/MPa超前60m超前40m超前20m0510152025020406080100120140160180200工作面倾向/m垂直应力/MPa工作面附近滞后20m滞后40m滞后60m煤层上方20m应力分布特点：侧向应力为“单峰应力”，墙上无集中应力:支撑体不能控制高位岩层；侧向支承应力：直接顶越薄，峰值越靠近留巷，对巷道的影响越大。顶板20m层位的垂直应力无论何种顶板条件，工作面开采均会造成留巷周围支承应力升高随工作面推进，采动应力不断调整，加快了围岩破坏速度采动应力调整阶段，支承应力集中系数随直接顶厚度的减小而增大，支承应力极值位置随直接顶厚度的减小而远离工作面减缓支承应力集中程度是控制留巷围岩变形的技术方向小结4.1理论基础-沿空留巷区域应力优化原理采空区充填体巷道煤直接顶块体C块体B岩体Alh0112m0001010pAi00i1b1P++x(+b+xtan)(+b+xtan)22M()mimiiij