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正确认识深部开采，理论技术装备发展齐头并进

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近日，山西省煤炭学会联合中国煤科开采研究院举办了第六届山西省煤炭总工程师论坛暨山西省煤炭安全绿色智能开采论坛，多位专家学者围绕深部开采研讨交流。

深部开采意味着什么

据了解，我国埋深1000米以下的煤炭资源丰富，主要分布在中东部地区。现有50余对矿井开采深度超过1000米，最深达1510米。
以山西省为例，其煤矿开采深度从2005年平均200米增长到2025年平均超过600米，部分矿井接近800米。
武汉大学教授刘泉声指出，我国煤矿深部巷道围岩稳定控制难度属世界之最。德国、英国更早进入深部开采，围岩稳定控制难题未解是其停止深部开采的主因。目前，国际上尚无可借鉴的成熟理论和技术。
“巷道大变形灾害成为深部煤炭开采的关键制约因素。”刘泉声说。
淮南、平顶山等中东部矿区较早进入深部开采。受郯庐断裂+秦岭大别山造山运动等多重强烈地质作用，中东部矿区地质条件极其复杂，地应力极高，岩体破碎软弱。仅淮南矿区探明的落差大于5米的断层就超过5300条。
受断层等地质构造影响，每年超过1000公里深部巷道严重大变形失稳，巷修经济损失超200亿元。
“煤矿巷道围岩控制难点表现在煤岩体自身强度低、结构面发育、承载能力差，部分煤系地层顶底板普遍存在遇水软化、膨胀黏土矿物。再者，高应力与采动应力叠加，深井地应力高达42兆帕，采动应力达2倍至5倍原岩应力。有些矿井甚至还受到冲击地压等大能量事件的影响。”中国煤科开采研究院研究员张镇表示。
在高强度开采条件下，如何有效控制住围岩、抵挡住来自四面八方的力，是深部开采亟需关注的重点。
刘泉声总结，深部大变形灾害控制面临三大难题，即深部巷道米级大变形灾变机理认识不清、深部巷道大变形控制缺乏适用理论及技术、大变形灾变环境下缺乏快速安全成巷新技术。

灾变机理将逐步探明

中国煤科开采研究院研究员李文洲指出，相比浅部，深部地应力越来越大，煤岩体裂隙发育、裂隙开度小、软岩流变、温度高等特征越来越明显。
“深部安全回采的难题为多场耦合作用下的煤岩体控制。”李文洲表示。据了解，现场工程中存在多个物理场，如温度场、应力场、湿度场等。这些物理场相互影响，比如温度高低会影响应力分布等，为围岩控制增加难度。
当外力作用于物体时，物体内部会产生相应的内力来抵抗变形，这就是应力。应力是材料内部的抵抗力。放到矿井中，开采使岩层产生应力，应力又反作用于顶底板。
李文洲指出，应力、材料、结构是煤岩体控制的关键。煤岩体内部结构面很大程度决定着煤岩体的强度和变形特征，而应力环境又对其结构及裂隙变形破坏起决定作用。
比如，裂隙扩展造成煤岩体强度下降，进而造成围岩可锚性降低、锚杆锚索锚固力下降，最终导致支护失效、巷道受损。常规支护配合低压浅孔注浆，无法解决目前问题。
通过深部巷道围岩渐进破坏演化实验室试验，李文洲总结出围岩渐进破坏演化规律。
“随着载荷增加，应变增大，围岩经历应变（变形程度）启动、应变逐步增大、应变扩展的过程。帮角应力集中，帮角、帮部、顶板以及两帮先后出现剪应变增大、裂隙发育、强度下降、底板破坏深度增大现象，最终在巷道周边形成一定范围的破坏区。”李文洲说。
深部巷道掘进围岩裂隙渐进演化特征的明晰，将对煤岩体支护强度的参数设置及注浆时机选择起到关键作用。
此外，刘泉声及团队揭示出深部巷道米级大变形的围岩碎胀运动机理。
何为围岩碎胀？即岩石爆破后堆积的体积比破碎前整体状态下增大的特性。形象地说，碎胀中心就像一个台风眼，外部围绕的是一圈圈破碎的、杂乱的岩石。碎胀的围岩影响着顶板管理。
“围岩块体的碎胀运动是深部巷道米级大变形灾害形成的主要动因。”刘泉声表示。
刘泉声及团队在淮南、平顶山等主要矿区进行试验，得出巷道围岩扰动应力场和围岩结构演化规律，即形成“破裂碎胀区—损伤扩容区—连续变形区”。这些破碎杂乱的岩石周边，围绕着一圈又一圈的损毁带，在开采中随时有可能垮落下来。
在此基础上，该团队建立了深部围岩碎胀大变形灾害分步联合控制理论，提出“应力恢复、围岩增强、固结修复、应力转移—承载圈控制”四项原理及其构成的围岩稳定分步联合控制理论。

有效进行支护是重点

“巷道围岩控制关键有两点，一为提升围岩自承能力，如高预应力主动支护抑制围岩裂隙张开、滑动，通过注浆恢复围岩完整性、提高围岩自身强度；二为改善围岩外部环境，如通过卸压降低巷道周边应力、通过喷浆封闭防止外部水汽侵入等。”张镇说。
近年来，中国工程院院士、中国煤炭科工集团首席科学家康红普等人，针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题，提出千米深井、软岩、强采动巷道“支护—改性—卸压”协同控制理念，研发出超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料，开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术等。
上述团队在中煤新集口孜东矿示范巷道进行井下试验与矿压监测，发现巷道变形量降低50%以上、锚杆锚索破断率降低90%，工作面采动应力明显减小。
张镇表示，“支护—改性—卸压—护表”综合控制技术能解决当前绝大多数矿井围岩控制难题。然而，锚杆锚索主动支护技术系统在很多矿区未能正确应用，关键是能否实现“锚得住、高预紧、易扩散、常稳定”。
张镇建议，复杂困难巷道支护应采用全断面支护、喷浆封闭，多巷布置矿井煤柱巷道维护时应用水力压裂区域卸压技术。煤矿应继续加强和重视顶板灾害实时监测预警，充分进行矿压监测数据分析。
刘泉声表示，面临米级大变形灾害孕育过程难捕捉、动态演化规律难总结的特点，首先需要有效手段监测和捕捉围岩扰动应力、变形破裂演化过程，揭示巷道米级大变形灾害孕育形成机理。
刘泉声团队提出深部破碎软弱围岩应力场测试技术，发明了“多点位移一体化自动监测、弱反射光纤大量程位移监测”互补的围岩变形破裂监测技术，实现了深部巷道百米范围变形破裂过程的连续跟踪监测。
上述技术应用于淮南、平顶山等矿区累计超过2000千米的深部巷道。巷道翻修周期由4个月至6个月延长到10年以上，断面收缩率由1年50%降低到10年5%，掘支维护成本降低30%，实现了大变形灾害的有效控制。
还有专家学者指出，深部开采巷道大变形灾变环境下，TBM盾构机有助于安全快速成巷；井下超长孔水平分段压裂区域卸压技术、“定向钻孔技术+压裂装置+大流量压裂泵组”成套技术与装备的应用，助推深部矿井治灾效果精细化。（王世雅）

来源：中国煤炭报

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