透視我國(guó)千米深井生態(tài)

　　隨著開采強(qiáng)度的不斷加大，我國(guó)煤礦開采深度以每年8米至12米的速度增加，一大批煤礦快速進(jìn)入深部開采階段，采深超過千米的煤礦已有47處。

　　煤礦進(jìn)入深部開采后，巖層壓力大、涌水量大、地溫高等現(xiàn)象普遍存在，開采技術(shù)難度不斷增大。最新的《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》（修訂稿）明確將限制1000米以深新井建設(shè)。但是，很多老礦井既是當(dāng)?shù)孛禾可a(chǎn)的主力礦井，又是經(jīng)濟(jì)支柱和主要就業(yè)單位，一時(shí)間又不得不進(jìn)入深部開采。

　　如何對(duì)千米深井開采作出合理的長(zhǎng)期規(guī)劃，如何能夠安全、高效、低成本地開采深部煤炭資源，已是我國(guó)煤炭行業(yè)必須面對(duì)的問題。

　　千米深井現(xiàn)狀

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦目前平均采深為500多米。由于開采強(qiáng)度大，一些開采年限較長(zhǎng)的礦井，淺部資源基本開采完畢，剩余資源多集中在深部，其中以1000米以深居多。

　　國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，東北、華北、華東地區(qū)的43家煤炭企業(yè)近300處礦井開采深度超過600米。其中，河北開灤、山東新汶、遼寧沈陽、黑龍江雞西、江蘇徐州等礦區(qū)近200處礦井開采深度超過800米。

　　千米深井最多的是山東省，有21處，占千米深井總量的44.7%。剩下的分布在7個(gè)省，江蘇7處，安徽6處，河南4處，河北4處，黑龍江2處，吉林2處，遼寧1處。

　　47處千米深井平均深度為1086米，其中井深超過1200米的有7處。目前，全國(guó)最深的礦井是山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦，其開采深度已達(dá)到1501米。孫村煤礦是目前亞洲采深最深的煤礦。

　　47處千米深井年產(chǎn)能9456萬噸，平均年產(chǎn)能201萬噸。其中，45%的礦井年產(chǎn)能集中在100萬噸至200萬噸，年產(chǎn)能最大的是安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦，2010年原煤產(chǎn)量為1230萬噸。

　　這些礦井平均剩余服務(wù)年限為33.73年，剩余服務(wù)年限在40年以下的占63.8%。

　　2004年，我國(guó)的千米深井僅有8處，不到10年時(shí)間，已經(jīng)增加了39處。預(yù)計(jì)在未來20年內(nèi)，很多礦井的開采深度將達(dá)到1000米至1500米。

　　深部資源情況

　　據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，目前我國(guó)垂深2000米以內(nèi)的煤炭資源總量為5.57萬億噸，其中埋深在1000米以深的煤炭資源量為2.64萬億噸，占煤炭資源總量的47.4%。

　　河北冀中能源集團(tuán)的研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前，河北、山西、江蘇、安徽、山東、河南等重要產(chǎn)煤省，由于長(zhǎng)時(shí)間開采，埋藏較淺的煤炭資源日漸減少，而埋深1000米以深的資源占這些省預(yù)測(cè)總量的65%至92.4%。

　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授張農(nóng)表示，我國(guó)探明煤炭資源中，60%埋藏深于800米，且淺部資源已有較大消耗。我國(guó)煤礦開采深度正以每年8米至12米的速度增加，中東部礦區(qū)以每年10米至25米的速度進(jìn)入深部開采，從資源賦存特點(diǎn)和開采延伸速度看，深部開采勢(shì)在必行。

　　中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)提供的《煤礦千米深井開采技術(shù)與現(xiàn)狀》指出，與國(guó)內(nèi)外煤田賦存特征比較，千米深井集中分布的我國(guó)東部礦區(qū)具有新生界覆蓋層厚、煤層埋藏深、基底為奧陶系承壓含水層的特點(diǎn)，煤層厚度穩(wěn)定，煤質(zhì)優(yōu)良。

　　由于這些煤層形成時(shí)期受到印度支那運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，煤層賦存的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，煤層傾角變化大，褶皺斷層多。比如安徽淮南礦區(qū)開采范圍內(nèi)已探明的落差5米以上斷層有1900余條，平均每平方千米1.1條。

　　千米深井集中的礦區(qū)煤層瓦斯含量高，區(qū)域內(nèi)超過半數(shù)的礦井為高瓦斯礦井。由于大多數(shù)礦區(qū)瓦斯儲(chǔ)層具有低壓力、低滲透率、低飽和度以及非均質(zhì)性強(qiáng)的“三低一強(qiáng)”特性，抽采極為困難。

　　千米深井集中的礦區(qū)底部煤層常常受到其基底巖溶水的威脅。河北、山東、安徽等地，礦井占有儲(chǔ)量為384.5億噸，而受水威脅的煤炭?jī)?chǔ)量高達(dá)149.7億噸，占39%。

　　東部地區(qū)煤層埋藏較深及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，導(dǎo)致部分地區(qū)礦井沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重。

　　深井存廢爭(zhēng)議

　　與淺部開采相比，深部開采危險(xiǎn)系數(shù)更高，熱害、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水、礦壓、煤層自燃等災(zāi)害不僅給安全生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)，還大大提高了采礦成本。

　　此外，因井深太深，緊急情況下撤人，將是個(gè)嚴(yán)峻的問題。目前，千米深井將人員撤出一般需要兩三個(gè)小時(shí)。

　　最新的《煤炭產(chǎn)業(yè)政策》（修訂稿）明確將限制1000米以深新井建設(shè)。

　　業(yè)內(nèi)也有一種觀點(diǎn)，井深不能無限延伸，千米深井要控制。

　　但對(duì)于一些老礦區(qū)，又有非?，F(xiàn)實(shí)的情況，例如千米深井最多的山東省。據(jù)山東省煤炭工業(yè)局局長(zhǎng)喬乃琛介紹，山東省現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)礦井200處，其中采深900米以上的26處，千米深井21處。千米深井核定年產(chǎn)能3142萬噸，占全省總產(chǎn)能的17.8%。千米以深煤炭?jī)?chǔ)量20.6億噸，占全省總儲(chǔ)量的43%。

　　“千米深井，加上900米以深的礦井，是山東省的生產(chǎn)主力井，也是資源主力井。”喬乃琛說。

　　山東省是全國(guó)資源消耗大省，每年需要調(diào)入1億多噸煤。受資源限制，山東省早就主動(dòng)控制煤炭產(chǎn)量。但如果這些深井都關(guān)停，即使資源保障問題靠加大外部調(diào)入力度能解決，這么多老礦井的職工再就業(yè)，礦區(qū)民生保障，地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展等問題，也是不容回避的。

　　因而，完全限制千米深井，對(duì)于某些區(qū)域，尤其是東部開采時(shí)間較長(zhǎng)的老礦區(qū)，難度較大。業(yè)內(nèi)專家還有一種較折中的觀點(diǎn)，對(duì)新建的千米深井，提高準(zhǔn)入門檻，嚴(yán)格準(zhǔn)入；對(duì)于老礦井必要的延伸，要簡(jiǎn)化系統(tǒng)，改進(jìn)裝備，加強(qiáng)技術(shù)研究，保障安全生產(chǎn)。

　　深井開采災(zāi)害及防治

　　已有的開采實(shí)踐表明，深部開采面臨六大災(zāi)害：高溫?zé)岷Α_擊地壓、煤與瓦斯突出、突水、軟巖變形和煤層自燃。近年來，我國(guó)在深井開采與災(zāi)害治理方面取得了積極進(jìn)展。

　　地溫升高，作業(yè)環(huán)境惡化

　　《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，采掘工作面氣溫不得超過26℃，硐室的氣溫不得超過30℃。

　　一般情況下，地溫隨深度增加而呈線性上升。山東新汶礦區(qū)礦井每向下延伸100米，地溫上升2.22℃至2.70℃。

　　在國(guó)外，南非西部礦井在深度3300米處氣溫達(dá)到50℃；俄羅斯千米深井平均地溫為30℃至40℃，個(gè)別地溫達(dá)52℃。山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦在深度800米處部分工作面氣溫達(dá)30℃至33℃，巨野礦區(qū)龍固礦井在深度850米處所有工作面氣溫達(dá)34℃至36℃。

　　有些千米礦井的巖石溫度已超過40℃，甚至達(dá)到50℃，地溫高并伴有熱水涌出。很多采掘工作面氣溫達(dá)到30℃，部分礦井采掘工作面氣溫達(dá)35℃以上，空氣相對(duì)濕度為90%至100%。

　　氣溫升高造成井下工人注意力分散，嚴(yán)重影響人體健康，引發(fā)各種疾病，造成事故率上升，勞動(dòng)生產(chǎn)率下降等。

　　防治技術(shù)：目前國(guó)內(nèi)外礦井降溫措施：一是非人工制冷措施，即通過增加通風(fēng)量等方式降溫。二是人工制冷降溫，此技術(shù)可分為水冷卻系統(tǒng)和冰冷卻系統(tǒng)，水冷卻系統(tǒng)是礦井空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，而冰冷卻系統(tǒng)是將冰塊灑向工作面來達(dá)到降溫的目的。

　　沖擊地壓頻率提高，強(qiáng)度加大

　　沖擊地壓是深井開采中常見的一種自然災(zāi)害，是圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象中最強(qiáng)烈的一種。隨著采深的增加，最直接的表現(xiàn)是地應(yīng)力增大，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

　　山東能源新礦集團(tuán)協(xié)莊煤礦采深在500米至700米時(shí)，實(shí)測(cè)地應(yīng)力為15兆帕至25兆帕；采深在900米至1100米時(shí)，實(shí)測(cè)地應(yīng)力為30兆帕至39.5兆帕。

　　江蘇徐州礦務(wù)集團(tuán)徐州本部自1991年首次發(fā)生沖擊地壓以來，先后有5處礦井發(fā)生了54次沖擊地壓，其中53次發(fā)生在深部。

　　在深部高地應(yīng)力復(fù)雜地質(zhì)條件下，沖擊地壓和煤與瓦斯突出共同作用，多種因素相互交織，在事故孕育、發(fā)生、發(fā)展過程中可能互為誘因，互相強(qiáng)化，或產(chǎn)生共振效應(yīng)，使災(zāi)害的預(yù)測(cè)及防治變得更為復(fù)雜和困難。

　　防治技術(shù)：在防治沖擊地壓方面，國(guó)內(nèi)外采取了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、解危、效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)“四位一體”的綜合防治措施。

　　煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性增加

　　深部高應(yīng)力作用下，煤層內(nèi)瓦斯氣體壓縮達(dá)到極限，煤巖體中積聚了大量的氣體能量，由于工程擾動(dòng)的作用，造成壓縮氣體的突然、急劇、猛烈釋放，導(dǎo)致工作面或巷道的煤巖層結(jié)構(gòu)瞬時(shí)破壞而產(chǎn)生煤與瓦斯突出，使淺部不存在煤與瓦斯突出傾向的非突礦井，進(jìn)入深部以后轉(zhuǎn)變?yōu)槊号c瓦斯突出災(zāi)害頻發(fā)的突出礦井。

　　隨著采深的增加，中國(guó)平煤神馬集團(tuán)十二礦、八礦、十礦先后轉(zhuǎn)為煤與瓦斯突出礦井。河北開灤集團(tuán)趙各莊煤礦十水平以上未發(fā)生煤與瓦斯突出，十水平以下卻發(fā)生了煤與瓦斯突出。

　　防治技術(shù)：國(guó)內(nèi)外主要采取開采保護(hù)層、瓦斯地面和井下預(yù)抽的方法治理煤與瓦斯突出災(zāi)害。

　　突水危險(xiǎn)性增加

　　隨著采深的增加，由于高應(yīng)力和高地溫的作用，水在裂隙中的流動(dòng)特征發(fā)生明顯變化，奧灰水壓持續(xù)升高，承壓水問題突出，突水幾率隨之提高。

　　河南幾個(gè)礦區(qū)均存在承壓水上開采問題，且水壓高，水量充沛；河南義馬煤業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)礦井采區(qū)工作面煤層承受的底板水壓普遍在2兆帕以上，底板灰?guī)r突水災(zāi)害曾多次發(fā)生；河南煤業(yè)化工集團(tuán)趙固礦水壓高達(dá)6兆帕，突水威脅性大。

　　防治技術(shù)：國(guó)內(nèi)目前采用地面瞬變電磁法探測(cè)和井下高密度探測(cè)相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合，深入研究深部煤層開采的水文地質(zhì)特征。針對(duì)深部水壓高的特點(diǎn)，采取水文補(bǔ)勘、超前探放水、疏水降壓、帶壓開采等措施；完善水溝、沉淀池等防淤、清淤設(shè)施，確保疏排水系統(tǒng)可靠。

　　采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈

　　高應(yīng)力環(huán)境下，巖體儲(chǔ)備了較高的能量，巷道開挖后的卸荷作用，使巖體中積聚的能量在較短時(shí)間釋放出來。同等條件下煤層巷道從500米開始，埋深每增加100米，巷道變形速度和變形量平均增加20%至30%；井深1000米時(shí)的巷道失修率約是井深500米至600米時(shí)的3倍至15倍，底鼓成為巷道失穩(wěn)破壞的主要形式。

　　淺部巖性變化對(duì)巷道變形影響較小，一般情況下，同一巷道不同巖性常采用相同支護(hù)方式和參數(shù)即能保持巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定；到深部后，不同巖性圍巖變形差異大大增加，巖性成為巷道位置選擇的主導(dǎo)因素，同一巷道不同巖性的非等強(qiáng)支護(hù)方法成為巷道維護(hù)的主要手段。

　　淺部巷道掘進(jìn)影響期一般為3天至5天，之后能基本穩(wěn)定下來；深部巷道掘進(jìn)后，巷道一直難以穩(wěn)定，當(dāng)支護(hù)不合理時(shí)，其變形可使巷道完全閉合。深部圍巖在破壞之前幾乎處于不變形狀態(tài)，破壞前兆非常不明顯，使破壞預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)十分困難。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，深部巷道實(shí)際返修率高達(dá)90%以上，這使巷道維護(hù)費(fèi)用大大增加，并造成礦井生產(chǎn)系統(tǒng)不暢，運(yùn)輸能力不足等問題。

　　防治技術(shù)：目前，國(guó)內(nèi)外主要有被動(dòng)支護(hù)、主動(dòng)支護(hù)和聯(lián)合支護(hù)三種形式。棚式金屬支架通過提供被動(dòng)的徑向支護(hù)阻力，直接作用于巷道圍巖表面，從而約束圍巖變形。錨桿（索）支護(hù)通過對(duì)巷道圍巖的表面施加托錨力從而起到支護(hù)作用。聯(lián)合支護(hù)技術(shù)逐漸由簡(jiǎn)單的支護(hù)方式疊加，改進(jìn)為多種支護(hù)方式的聯(lián)合、耦合，且在軟巖巷道工程實(shí)踐中進(jìn)行了大量應(yīng)用。

　　煤層自燃傾向強(qiáng)烈

　　研究表明，在深部較高的溫度環(huán)境下，更易引起煤層的自然發(fā)火。自然發(fā)火危險(xiǎn)礦井幾乎在所有礦區(qū)都存在，因自燃而造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)數(shù)十億元。如河南多數(shù)礦井煤層具有自然發(fā)火傾向性，河南義馬、平頂山、鶴壁等礦區(qū)煤層自然發(fā)火期較短，達(dá)到深部開采后，煤炭自然發(fā)火問題將比淺部更嚴(yán)重。同時(shí)，自然發(fā)火容易引發(fā)礦井火災(zāi)、瓦斯爆炸事故。

　　防治技術(shù)：對(duì)地溫影響顯著的自然發(fā)火礦井，應(yīng)從深部礦井開拓開采系統(tǒng)、采煤工藝方法、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)、阻化技術(shù)等全方位多管齊下。

來源：中國(guó)煤炭報(bào) 　 作者： 王麗麗 高文靜

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