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近日，山西省煤炭學(xué)會聯(lián)合中國煤科開采研究院舉辦了第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇，多位專家學(xué)者圍繞深部開采研討交流。
深部開采意味著什么
據(jù)了解，我國埋深1000米以下的煤炭資源豐富，主要分布在中東部地區(qū)?，F(xiàn)有50余對礦井開采深度超過1000米，最深達(dá)1510米。
以山西省為例，其煤礦開采深度從2005年平均200米增長到2025年平均超過600米，部分礦井接近800米。
武漢大學(xué)教授劉泉聲指出，我國煤礦深部巷道圍巖穩(wěn)定控制難度屬世界之最。德國、英國更早進(jìn)入深部開采，圍巖穩(wěn)定控制難題未解是其停止深部開采的主因。目前，國際上尚無可借鑒的成熟理論和技術(shù)。
“巷道大變形災(zāi)害成為深部煤炭開采的關(guān)鍵制約因素?！眲⑷曊f。
淮南、平頂山等中東部礦區(qū)較早進(jìn)入深部開采。受郯廬斷裂+秦嶺大別山造山運動等多重強(qiáng)烈地質(zhì)作用，中東部礦區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地應(yīng)力極高，巖體破碎軟弱。僅淮南礦區(qū)探明的落差大于5米的斷層就超過5300條。
受斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響，每年超過1000公里深部巷道嚴(yán)重大變形失穩(wěn)，巷修經(jīng)濟(jì)損失超200億元。
“煤礦巷道圍巖控制難點表現(xiàn)在煤巖體自身強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、承載能力差，部分煤系地層頂?shù)装迤毡榇嬖谟鏊浕?、膨脹黏土礦物。再者，高應(yīng)力與采動應(yīng)力疊加，深井地應(yīng)力高達(dá)42兆帕，采動應(yīng)力達(dá)2倍至5倍原巖應(yīng)力。有些礦井甚至還受到?jīng)_擊地壓等大能量事件的影響?！敝袊嚎崎_采研究院研究員張鎮(zhèn)表示。
42兆帕是什么概念？記者了解到，1兆帕相當(dāng)于大約10公斤的力壓在一平方厘米的物體上，可讓鋼塊像面團(tuán)一樣被擠壓變形。在高強(qiáng)度開采條件下，如何有效控制住圍巖、抵擋住來自四面八方的力，是深部開采亟需關(guān)注的重點。
劉泉聲總結(jié)，深部大變形災(zāi)害控制面臨三大難題，即深部巷道米級大變形災(zāi)變機(jī)理認(rèn)識不清、深部巷道大變形控制缺乏適用理論及技術(shù)、大變形災(zāi)變環(huán)境下缺乏快速安全成巷新技術(shù)。
災(zāi)變機(jī)理將逐步探明
中國煤科開采研究院研究員李文洲指出，相比淺部，深部地應(yīng)力越來越大，煤巖體裂隙發(fā)育、裂隙開度小、軟巖流變、溫度高等特征越來越明顯。
“深部安全回采的難題為多場耦合作用下的煤巖體控制?！崩钗闹薇硎?。據(jù)了解，現(xiàn)場工程中存在多個物理場，如溫度場、應(yīng)力場、濕度場等。這些物理場相互影響，比如溫度高低會影響應(yīng)力分布等，為圍巖控制增加難度。
當(dāng)外力作用于物體時，物體內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力來抵抗變形，這就是應(yīng)力。應(yīng)力是材料內(nèi)部的抵抗力。放到礦井中，開采使巖層產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力又反作用于頂?shù)装濉?/p>
李文洲指出，應(yīng)力、材料、結(jié)構(gòu)是煤巖體控制的關(guān)鍵。煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面很大程度決定著煤巖體的強(qiáng)度和變形特征，而應(yīng)力環(huán)境又對其結(jié)構(gòu)及裂隙變形破壞起決定作用。
比如，裂隙擴(kuò)展造成煤巖體強(qiáng)度下降，進(jìn)而造成圍巖可錨性降低、錨桿錨索錨固力下降，最終導(dǎo)致支護(hù)失效、巷道受損。常規(guī)支護(hù)配合低壓淺孔注漿，無法解決目前問題。
通過深部巷道圍巖漸進(jìn)破壞演化實驗室試驗，李文洲總結(jié)出圍巖漸進(jìn)破壞演化規(guī)律。
“隨著載荷增加，應(yīng)變增大，圍巖經(jīng)歷應(yīng)變（變形程度）啟動、應(yīng)變逐步增大、應(yīng)變擴(kuò)展的過程。幫角應(yīng)力集中，幫角、幫部、頂板以及兩幫先后出現(xiàn)剪應(yīng)變增大、裂隙發(fā)育、強(qiáng)度下降、底板破壞深度增大現(xiàn)象，最終在巷道周邊形成一定范圍的破壞區(qū)?！崩钗闹拚f。
深部巷道掘進(jìn)圍巖裂隙漸進(jìn)演化特征的明晰，將對煤巖體支護(hù)強(qiáng)度的參數(shù)設(shè)置及注漿時機(jī)選擇起到關(guān)鍵作用。
此外，劉泉聲及團(tuán)隊揭示出深部巷道米級大變形的圍巖碎脹運動機(jī)理。
何為圍巖碎脹？即巖石爆破后堆積的體積比破碎前整體狀態(tài)下增大的特性。形象地說，碎脹中心就像一個臺風(fēng)眼，外部圍繞的是一圈圈破碎的、雜亂的巖石。碎脹的圍巖影響著頂板管理。
“圍巖塊體的碎脹運動是深部巷道米級大變形災(zāi)害形成的主要動因?！眲⑷暠硎?。
劉泉聲及團(tuán)隊在淮南、平頂山等主要礦區(qū)進(jìn)行試驗，得出巷道圍巖擾動應(yīng)力場和圍巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，即形成“破裂碎脹區(qū)—損傷擴(kuò)容區(qū)—連續(xù)變形區(qū)”。這些破碎雜亂的巖石周邊，圍繞著一圈又一圈的損毀帶，在開采中隨時有可能垮落下來。
在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊建立了深部圍巖碎脹大變形災(zāi)害分步聯(lián)合控制理論，提出“應(yīng)力恢復(fù)、圍巖增強(qiáng)、固結(jié)修復(fù)、應(yīng)力轉(zhuǎn)移—承載圈控制”四項原理及其構(gòu)成的圍巖穩(wěn)定分步聯(lián)合控制理論。
有效進(jìn)行支護(hù)是重點
“巷道圍巖控制關(guān)鍵有兩點，一為提升圍巖自承能力，如高預(yù)應(yīng)力主動支護(hù)抑制圍巖裂隙張開、滑動，通過注漿恢復(fù)圍巖完整性、提高圍巖自身強(qiáng)度；二為改善圍巖外部環(huán)境，如通過卸壓降低巷道周邊應(yīng)力、通過噴漿封閉防止外部水氣侵入等。”張鎮(zhèn)說。
近年來，中國工程院院士、中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家康紅普等人，針對煤礦千米深井、軟巖、強(qiáng)采動巷道圍巖大變形難題，提出千米深井、軟巖、強(qiáng)采動巷道“支護(hù)—改性—卸壓”協(xié)同控制理念，研發(fā)出超高強(qiáng)度、高沖擊韌性錨桿支護(hù)材料，開發(fā)出微納米無機(jī)有機(jī)復(fù)合改性材料及配套高壓劈裂注漿技術(shù)等。
上述團(tuán)隊在中煤新集口孜東礦示范巷道進(jìn)行井下試驗與礦壓監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)巷道變形量降低50%以上、錨桿錨索破斷率降低90%，工作面采動應(yīng)力明顯減小。
張鎮(zhèn)表示，“支護(hù)—改性—卸壓—護(hù)表”綜合控制技術(shù)能解決當(dāng)前絕大多數(shù)礦井圍巖控制難題。然而，錨桿錨索主動支護(hù)技術(shù)系統(tǒng)在很多礦區(qū)未能正確應(yīng)用，關(guān)鍵是能否實現(xiàn)“錨得住、高預(yù)緊、易擴(kuò)散、常穩(wěn)定”。
張鎮(zhèn)建議，復(fù)雜困難巷道支護(hù)應(yīng)采用全斷面支護(hù)、噴漿封閉，多巷布置礦井煤柱巷道維護(hù)時應(yīng)用水力壓裂區(qū)域卸壓技術(shù)。煤礦應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)和重視頂板災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警，充分進(jìn)行礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。
劉泉聲表示，面臨米級大變形災(zāi)害孕育過程難捕捉、動態(tài)演化規(guī)律難總結(jié)的特點，首先需要有效手段監(jiān)測和捕捉圍巖擾動應(yīng)力、變形破裂演化過程，揭示巷道米級大變形災(zāi)害孕育形成機(jī)理。
劉泉聲團(tuán)隊提出深部破碎軟弱圍巖應(yīng)力場測試技術(shù)，發(fā)明了“多點位移一體化自動監(jiān)測、弱反射光纖大量程位移監(jiān)測”互補(bǔ)的圍巖變形破裂監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了深部巷道百米范圍變形破裂過程的連續(xù)跟蹤監(jiān)測。
上述技術(shù)應(yīng)用于淮南、平頂山等礦區(qū)累計超過2000千米的深部巷道。巷道翻修周期由4個月至6個月延長到10年以上，斷面收縮率由1年50%降低到10年5%，掘支維護(hù)成本降低30%，實現(xiàn)了大變形災(zāi)害的有效控制。
還有專家學(xué)者指出，深部開采巷道大變形災(zāi)變環(huán)境下，TBM盾構(gòu)機(jī)有助于安全快速成巷；井下超長孔水平分段壓裂區(qū)域卸壓技術(shù)、“定向鉆孔技術(shù)+壓裂裝置+大流量壓裂泵組”成套技術(shù)與裝備的應(yīng)用，助推深部礦井治災(zāi)效果精細(xì)化。