深部開(kāi)采和支護(hù)現(xiàn)狀.ppt

2019/7/15,1,深部開(kāi)采現(xiàn)狀,2019/7/15,2,深部開(kāi)采的劃分標(biāo)準(zhǔn),國(guó)外： 前蘇聯(lián)：600m 原西德：8001200m 英國(guó)與波蘭：750m 日本： 600m,2019/7/15,3,目前國(guó)有重點(diǎn)煤礦中采深大于 700m 的礦井有50多處，以每年 812m的速度遞增 國(guó)內(nèi)： 沈陽(yáng)采屯礦1197m； 浙江長(zhǎng)廣集團(tuán)1000m； 新汶孫村礦1055m； 北票冠山礦1059m； 徐州張小樓礦1100m； 開(kāi)灤趙各莊礦1159m； 北京門頭溝1008m。,2019/7/15,4,我國(guó)是一個(gè)缺油、少氣、富煤的國(guó)家，煤炭是我國(guó)的主要能源。,中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),煤炭71.6%,煤炭27%,石油19.8%,石油40%,天然氣2.1%,天然氣23%,其它6.5%,其它10%,世界和我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),2019/7/15,5,中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),目前我國(guó)煤炭占能源總消費(fèi)的70%左右。,Mt,中國(guó)煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位,為了滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。,2019/7/15,6,目前我國(guó)煤炭占能源總消費(fèi)的70%左右。我國(guó)石油資源將在2030年耗盡。為了滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。,中國(guó)煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位,煤炭消費(fèi)預(yù)測(cè),2019/7/15,7,中國(guó)煤炭資源按深度分布的儲(chǔ)量,儲(chǔ)量 ，億t,其中1000m以下的煤炭?jī)?chǔ)量2.95萬(wàn)億噸，約占總儲(chǔ)量的53%,（資料來(lái)源：徐永圻主編，中國(guó)采煤方法圖集）,2019/7/15,8,由于開(kāi)采深度的加大，巖體應(yīng)力急劇增加，地溫升高，當(dāng)巖體應(yīng)力達(dá)到甚至超過(guò)巖體強(qiáng)度時(shí)，有關(guān)巖體力學(xué)科學(xué)與工程的若干問(wèn)題由量變逐漸發(fā)生質(zhì)的變化，造成資源開(kāi)采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險(xiǎn)性增加，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。 無(wú)論從戰(zhàn)略高度還是從當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，都迫切需要積極開(kāi)展深部開(kāi)采中的基礎(chǔ)理論研究，以求在新理論的指導(dǎo)下，使實(shí)用技術(shù)有新的突破和發(fā)展，使礦井深部開(kāi)采走上安全、高產(chǎn)高效的健康軌道。 必須從巖石力學(xué)性質(zhì)的基本理論出發(fā)，探索有效的深部采礦和施工技術(shù)、以及防治工程災(zāi)害的基礎(chǔ)理論和技術(shù)手段。,2019/7/15,9,深部開(kāi)采誘發(fā)的工程災(zāi)害,巷道圍巖變形量增大 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈 巷道中巖爆危險(xiǎn)性增加 瓦斯涌出量增大 地溫升高、作業(yè)環(huán)境惡化 突水事故趨于嚴(yán)重 井筒破裂加劇 煤自燃發(fā)火、礦井火災(zāi)加劇,2019/7/15,10,巷道圍巖變形量增大,(1) 巷道變形速度快、變形量大、巷道圍巖變形范圍大; (2) 巖性對(duì)巷道變形的影響更加明顯。采深對(duì)軟巖巷道、煤層巷道的影響尤為顯著； (3) 巷道維護(hù)難度增大，廢棄巷道數(shù)量增加； (4) 巷道持續(xù)變形、流變成為深部巷道變形的主要特征；,深部巷道圍巖變形表現(xiàn)出以下特征：,(5) 采深越大，開(kāi)采對(duì)巷道變形的影響越大，影響程度也越劇烈； (6) 多數(shù)設(shè)的巷道保護(hù)煤柱達(dá)不到保護(hù)巷道的目的，對(duì)巷道維護(hù)十分不利； (7) 巷道對(duì)支架的工作性能要求更高，必須提高支架初撐力、工作阻力和可縮量； (8) 巷道布置、開(kāi)采順序和開(kāi)采邊界對(duì)巷道維護(hù)影響增大。,2019/7/15,11,德國(guó)魯爾礦區(qū)在1100m下開(kāi)采，巷道寬6m，煤層厚1.9m。底板在24小時(shí)內(nèi)臌起0.8m，煤層移出0.5m。,2019/7/15,12,鶴壁礦務(wù)局 10礦 -575水平南大巷 （采深725m）,支 架 扭曲變形,2019/7/15,13,梯形礦工鋼冒頂翻修,U型鋼支護(hù)翻修,極易離層破碎型頂板(、類)巷道的支護(hù)狀況,2019/7/15,14,2019/7/15,15,采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈,我國(guó)煤礦生產(chǎn)實(shí)踐表明：采深對(duì)采場(chǎng)支護(hù)方面的影響不十分明顯，而煤壁片幫、端面冒落帶高度卻隨采深的增加而明顯增大。 國(guó)外金屬礦開(kāi)采實(shí)踐表明：深部采場(chǎng)更容易發(fā)生巖爆等動(dòng)力災(zāi)害。,長(zhǎng)壁工作面,房柱工作面,2019/7/15,16,采場(chǎng)和巷道中巖爆危險(xiǎn)性增加,由原始沉積作用和后期構(gòu)造作用造成的含煤巖系的非連續(xù)性和非均質(zhì)性，隨著煤炭采深的增加引起的覆巖自重壓力的增大和構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)，表現(xiàn)為圍巖發(fā)生劇烈變形、巷道和采場(chǎng)失穩(wěn)、并易發(fā)生破壞性的沖擊地壓，給巷道支護(hù)和頂板管理帶來(lái)許多困難。,2019/7/15,17,巖爆次數(shù)與采深的關(guān)系 (波蘭上西里西亞煤田),2019/7/15,18,我國(guó)煤礦深井沖擊地壓發(fā)生情況,2019/7/15,19,50年代中期印度某金礦 巷道中巖爆造成的戲劇性效果(dramatic effect),巖爆前,中度破壞區(qū),2019/7/15,20,嚴(yán)重破壞區(qū),完全閉合區(qū),2019/7/15,21,瓦斯涌出量增大,隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯急劇增大，瓦斯災(zāi)害頻繁。 近年來(lái)，由于瓦斯突出和爆炸引起的死亡10人以上的煤礦事故70出現(xiàn)在中國(guó)東部礦區(qū)。,2019/7/15,22,煤層瓦斯壓力與采深的關(guān)系 (南桐、天府、六枝等地),煤層瓦斯壓力與采深的關(guān)系 (松藻、芙蓉、陽(yáng)泉、焦作等地),2019/7/15,23,發(fā)生在上山中的煤與瓦斯突出 (德國(guó)魯爾礦區(qū)，突出煤量30t，瓦斯涌出量300m3),2019/7/15,24,德國(guó)某一煤巷中的煤與瓦斯突出： (巷道寬6m，高3m。同時(shí)從 掘進(jìn)頭兩幫的煤壁中向掘進(jìn) 空間拋出，約50m巷道被毀， 瓦斯涌出量4.2萬(wàn)m3),向前15m巷道被 擠壓成一個(gè)小孔,2019/7/15,25,煤巷中煤的突出 (巷道寬2.5m，高1.6m, 煤體從兩壁拋出，在巷道中線箭頭處相互擠壓, 而頂?shù)装鍏s穩(wěn)定),2019/7/15,26,深部開(kāi)采與淺部的根本區(qū)別： “三高”和時(shí)間效應(yīng): 地應(yīng)力高(自重應(yīng)力約18MPa) 溫度高 (礦山一般30-400C, 個(gè)別達(dá)520C, 最高達(dá)700C; 5000m油井達(dá)150-2500C) 滲透壓(約7MPa) 較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng),2019/7/15,27,深部開(kāi)采的科學(xué)問(wèn)題,深部巖體處于“高溫、高壓、高孔隙壓”條件，巖石力學(xué)的基本性質(zhì)（即變形特征、破壞特征與強(qiáng)度特征等）都將發(fā)生變化，因此，我們應(yīng)該研究深部巖石在高應(yīng)力、高溫條件下組織結(jié)構(gòu)的變化、巖石脆性-延性轉(zhuǎn)化的機(jī)理、巖石變形特征、破壞特征、強(qiáng)度準(zhǔn)則、以及本構(gòu)方程。 更重要的是在研究深部巖石力學(xué)基礎(chǔ)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，要借助有關(guān)學(xué)科的研究成果，形成一些新的理論和方法。,地應(yīng)力 巖石強(qiáng)度性質(zhì) 巖石變形特征 巖石破壞特征 巖石的熱-水力耦合性質(zhì),2019/7/15,28,地應(yīng)力,垂直應(yīng)力,(Brown & Hoek, 1978),開(kāi)采深度,垂直應(yīng)力: 巖層因自重引起的垂直應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。,2019/7/15,29,地應(yīng)力,水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比,(Brown & Hoek, 1978),開(kāi)采深度,水平應(yīng)力: 根據(jù)世界范圍內(nèi)116個(gè)現(xiàn)場(chǎng)資料:,2019/7/15,30,水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度的變化與國(guó)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致。 (根據(jù)中國(guó)的有關(guān)資料),開(kāi)采深度,平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比,在深部開(kāi)采條件下，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比趨于集中、并逐漸減小,2019/7/15,31,巖石強(qiáng)度性質(zhì),總體上說(shuō)：巖石的強(qiáng)度隨深度的增加而有所提高,20MPa,20-40MPa,40-60MPa,60-80MPa,80-100MPa,100MPa,1400m,1200-1400m,1000-1200m,800-1000m,600-800m,600m,(%),2019/7/15,32,巖石變形性質(zhì),(1) 巖石的脆性-延性轉(zhuǎn)化性質(zhì) 巖石在淺部表現(xiàn)為脆性，在深部則很可能轉(zhuǎn)化為延性(ductile)。在實(shí)驗(yàn)中巖石的這種性質(zhì)是隨著圍壓的升高而發(fā)生的，往往存在一個(gè)“脆性-韌性轉(zhuǎn)化臨界圍壓”，對(duì)應(yīng)到工程中實(shí)際上就是臨界深度。,脆性力學(xué)響應(yīng) 韌性行為力學(xué)響應(yīng) (ductile behavior),2019/7/15,33,巖石變形性質(zhì),(2) 巖石的剪漲或擴(kuò)容(dilatancy)現(xiàn)象不明顯 實(shí)驗(yàn)研究表明，在低圍壓下(相當(dāng)于淺部開(kāi)采)，巖石往往會(huì)在低于峰值強(qiáng)度時(shí)由于內(nèi)部微裂紋張開(kāi) 而產(chǎn)生擴(kuò)容現(xiàn)象，但在高圍壓下，巖石的這種擴(kuò)容 現(xiàn)象不明顯甚至完全消失。,2019/7/15,34,巖石破壞特征,1. 脆性能或斷裂韌度 側(cè)向應(yīng)力控制的 控制的破壞 斷裂生長(zhǎng)破壞,淺部開(kāi)采條件下 深部開(kāi)采條件下,2. 動(dòng)態(tài)破壞 準(zhǔn)靜態(tài)破壞(quasi-static),(Cleary, 1989),2019/7/15,35,深部開(kāi)采的巖層控制理論、技術(shù)問(wèn)題,查清深部礦區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場(chǎng)特征，研究深層開(kāi)挖條件下巷道和采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分布特征及演化，高地應(yīng)力條件下巷井道圍巖變形破壞機(jī)理及探討現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)條件下井巷支護(hù)構(gòu)筑物與圍巖運(yùn)動(dòng)耦合作用機(jī)理。,2019/7/15,36,巷道失穩(wěn)、頂板破壞、巖層移動(dòng)機(jī)理等問(wèn)題 深井巷道圍巖變形破壞與采深關(guān)系的研究 深井圍巖流變性對(duì)巷道變形破壞的理論研究 深井回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究,2019/7/15,37,深部軟巖巷道支護(hù)理論與技術(shù)問(wèn)題,變形特征： 圍巖軟，強(qiáng)度低、具有膨脹性 深度大，應(yīng)力水平高 動(dòng)荷載作用 大變形、大地壓、難支護(hù),變形機(jī)理： 擠壓流動(dòng)變形機(jī)理