深部煤炭的开采环境挑战与思考

1深部煤炭的开采环境、挑战与思考张农中国矿业大学〔全国煤矿千米深井开采技术座谈会资料之五〕2提纲引言千米深井分布情况深部开采环境及挑战深井开采方法的思考结束语3一、引言我国煤炭供给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产值我国煤炭产量连续多年位居世界第一，2012年36.5亿吨，约占世界产量50%。4国家《能源中长期发展规划纲要（2004～2020年）》已经确定，中国将“坚持以煤炭为主体、油气和新能源全面发展的能源战略”。煤炭76.90%石油11.90%天然气3.50%核电、水电7.70%能源生产结构图煤炭69.30%石油20.40%天然气3.10%核电、水电7.20%能源消费结构图从我国能源结构看，在相当长的时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代！5我国探明的煤炭资源总量中：60%埋藏深度＞800m53%埋藏深度＞1000m煤炭开采深度正以每年8-12米的速度增加，中东部矿区每年10-25米急剧进入深部开采。从资源赋存特点和开采延伸速度看，深部开采势在必行！6中国与世界的煤炭产量（据英国BP）2011年中国超越日本成为全球最大煤炭进口国，全年共进口煤炭1.824亿吨，2012年中国累计进口煤炭2.86亿吨，同比增长59%。47.5%36.52002年以来世界煤炭产量的净增长量的平均贡献率中国（70%）其他（30%）从世界煤炭格局看，我国煤炭的分量越来越重，深井开采只有立足于自主创新！7未来5～10年，全国将有更多地煤矿转移至深部，中东部矿区全面进入深部开采！我国煤炭资源赋存条件、我国能源生产和消费结构特点决定了必须将深部的煤炭资源开采出来加以利用。义务、责任、能力！8井深（m）个数比例（%）已建矿井建设中矿井990~100024.26201000~11002859.572351100~1200714.89701200~1300817.02801300~140012.13101500~160012.1310合计47100.00425山东省新汶矿业集团孙村煤矿立井开采深度：1501m（2012年）华能核桃峪矿井（甘肃华亭）主斜井长度：5875m；垂深：975m二、千米深井分布情况1）千米深井井深统计表省份数量江苏7山东21安徽6河南4河北4黑龙江2吉林2辽宁12）千米深井分省布局图10我国千米矿井平均年产量：205.66万吨，平均剩余服务年限：33.73年3）千米深井产量和服务年限91855221[VALUE][VALUE][VALUE]0510152025矿井数/个年产量/万吨已建矿井建设中矿井我国千米深井产量统计图二、千米深井分布情况112、深部开采面临的技术挑战1、深部开采的工程地质环境三、深部开采环境及挑战12五高高地应力高瓦斯高工作面环境温度高冲击矿压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1、深部开采的工程地质环境131）高地应力采深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点）1：118：1142）高瓦斯深部矿井浅部矿井运移通道畅通低瓦斯高瓦斯运移通道不畅通153）高工作面环境温度采深温度2.5~3.0℃/100m我国47对千米深井工作面温度:30～40℃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164）高冲击矿压倾向性采深增加自重应力增加构造复杂能量聚集工程扰动矿体失稳破坏所需要的能量冲击地压非冲矿井冲击矿井演变17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18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）强烈的开采应力扰动19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20三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煤层自燃高运行成本2、面临的技术挑战效率安全成本21深部岩石力学行为发生质变，表现特殊，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。顶板成为煤矿第一大事故源，严重影响煤矿的安全状况。冲击地压发生前后（抚顺）突出表现之一：顶板可靠性降低、动力灾害频发2012年煤矿各类事故起数分布22巷道维护难：围岩松软，冲击矿压频发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，承压水威胁大抽采钻孔施工难度大巷道发生剧烈变形突出表现之二：开采效率低、成本高23深部问题主要是高应力水平产生的，两条技术路线：1、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2、卸压开采：制造大范围的低应力区技术途径：安全层的无煤柱连续开采适用条件：无水害煤层群、可以疏干水的煤层群四、深井开采方法的思考24传统开采方法在深部的几个突出问题卸压开采的基本设想和步骤高瓦斯煤层群的卸压开采模式2、卸压开采方法25高瓦斯煤层群可采煤层（8~15层）煤层瓦斯含量高（12～36m3/t）埋藏深（400～1500m）极松软（坚固性系数f为0.2～0.8）透气性低（渗透率为0.001mD）瓦斯压力大（高达6MPa）煤层倾角0~90°C13B11B8B7B6B4A3A170m70m70m60m淮南矿区煤层群柱状图C14C组煤B组煤A组煤突出煤层位于上部什么顺序开采？突出问题之一：下行顺序开采方式遇到挑战26美、澳等中国采1吨煤的资源消耗量1.2~1.3吨3~4吨资源回收率80%30%连续开采可减少巷道10%~40%，提高采出率15%。留煤柱跳采开采无煤柱连续开采突出问题之二：跳采接续方式和留煤柱护巷导致资源采出率低、开采效率低27煤柱应力诱发动力灾害降低应力集中程度，利于周围采掘工程的稳定；消除因留设煤柱诱发的冲击地压。留煤柱护巷对上下采掘工程影响卸压保护区应力集中区应力集中区28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型通风无煤柱沿空护巷Y型通风上隅角瓦斯聚集，威胁安全。工作面温度聚集，加剧热害。突出问题之三：U型通风方式的在深部开采的适应性差、可靠性低29从开拓开采源头出发，统筹考虑深井开采面临的三方面七大问题，针对矿区煤系地层赋存特点，通过首采煤层的系统大面积连续开采、渐进卸压，制造含煤地层的有效卸压区域，消除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，实现低应力状态下的资源协调开采。卸压开采方法30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。卸压开采的步骤：高效薄煤层（煤线、软弱岩层）机械化开采技术！31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。卸压开采的步骤（续前）：32高瓦斯煤层群的卸压开采模式：无煤柱煤与瓦斯共采Y型通风方式，降低工作面温度消除上隅角瓦斯超限问题实现煤气共采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33（13.3%）五、结束语我国是煤炭生产和消费第一大国，在煤炭开采、尤其是在深部煤炭资源开采的科学与技术方面理应处在世界的前沿。我国贫油少气富煤的能源特点是相对的，从国际上同比煤炭资源状况不容乐观，应高度重视资源节约问题，无煤柱卸压开采是值得提倡和推广的深井科学开采模式。34敬请指导！谢谢大家！