深部開采和支護現(xiàn)狀.ppt

2019/7/15,1,深部開采現(xiàn)狀,2019/7/15,2,深部開采的劃分標準,國外： 前蘇聯(lián)：600m 原西德：8001200m 英國與波蘭：750m 日本： 600m,2019/7/15,3,目前國有重點煤礦中采深大于 700m 的礦井有50多處，以每年 812m的速度遞增 國內(nèi)： 沈陽采屯礦1197m； 浙江長廣集團1000m； 新汶孫村礦1055m； 北票冠山礦1059m； 徐州張小樓礦1100m； 開灤趙各莊礦1159m； 北京門頭溝1008m。,2019/7/15,4,我國是一個缺油、少氣、富煤的國家，煤炭是我國的主要能源。,中國能源消費結構,世界能源消費結構,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%,世界和我國能源消費結構,2019/7/15,5,中國一次能源消費結構,目前我國煤炭占能源總消費的70%左右。,Mt,中國煤炭在能源消費結構中占主導地位,為了滿足國民經(jīng)濟建設的需要，在今后相當長的歷史時期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。,2019/7/15,6,目前我國煤炭占能源總消費的70%左右。我國石油資源將在2030年耗盡。為了滿足國民經(jīng)濟建設的需要，在今后相當長的歷史時期內(nèi)仍需保證煤炭的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。,中國煤炭在能源消費結構中占主導地位,煤炭消費預測,2019/7/15,7,中國煤炭資源按深度分布的儲量,儲量 ，億t,其中1000m以下的煤炭儲量2.95萬億噸，約占總儲量的53%,（資料來源：徐永圻主編，中國采煤方法圖集）,2019/7/15,8,由于開采深度的加大，巖體應力急劇增加，地溫升高，當巖體應力達到甚至超過巖體強度時，有關巖體力學科學與工程的若干問題由量變逐漸發(fā)生質的變化，造成資源開采的極端困難，并引發(fā)礦井重大安全事故危險性增加，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。 無論從戰(zhàn)略高度還是從當前生產(chǎn)實際出發(fā)，都迫切需要積極開展深部開采中的基礎理論研究，以求在新理論的指導下，使實用技術有新的突破和發(fā)展，使礦井深部開采走上安全、高產(chǎn)高效的健康軌道。 必須從巖石力學性質的基本理論出發(fā)，探索有效的深部采礦和施工技術、以及防治工程災害的基礎理論和技術手段。,2019/7/15,9,深部開采誘發(fā)的工程災害,巷道圍巖變形量增大 采場礦壓顯現(xiàn)劇烈 巷道中巖爆危險性增加 瓦斯涌出量增大 地溫升高、作業(yè)環(huán)境惡化 突水事故趨于嚴重 井筒破裂加劇 煤自燃發(fā)火、礦井火災加劇,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) 巖性對巷道變形的影響更加明顯。采深對軟巖巷道、煤層巷道的影響尤為顯著； (3) 巷道維護難度增大，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，開采對巷道變形的影響越大，影響程度也越劇烈； (6) 多數(shù)設的巷道保護煤柱達不到保護巷道的目的，對巷道維護十分不利； (7) 巷道對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、開采順序和開采邊界對巷道維護影響增大。,2019/7/15,11,德國魯爾礦區(qū)在1100m下開采，巷道寬6m，煤層厚1.9m。底板在24小時內(nèi)臌起0.8m，煤層移出0.5m。,2019/7/15,12,鶴壁礦務局 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型鋼支護翻修,極易離層破碎型頂板(、類)巷道的支護狀況,2019/7/15,14,2019/7/15,15,采場礦壓顯現(xiàn)劇烈,我國煤礦生產(chǎn)實踐表明：采深對采場支護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。 國外金屬礦開采實踐表明：深部采場更容易發(fā)生巖爆等動力災害。,長壁工作面,房柱工作面,2019/7/15,16,采場和巷道中巖爆危險性增加,由原始沉積作用和后期構造作用造成的含煤巖系的非連續(xù)性和非均質性，隨著煤炭采深的增加引起的覆巖自重壓力的增大和構造應力的增強，表現(xiàn)為圍巖發(fā)生劇烈變形、巷道和采場失穩(wěn)、并易發(fā)生破壞性的沖擊地壓，給巷道支護和頂板管理帶來許多困難。,2019/7/15,17,巖爆次數(shù)與采深的關系 (波蘭上西里西亞煤田),2019/7/15,18,我國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,隨著開采深度的增加，瓦斯急劇增大，瓦斯災害頻繁。 近年來，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)在中國東部礦區(qū)。,2019/7/15,22,煤層瓦斯壓力與采深的關系 (南桐、天府、六枝等地),煤層瓦斯壓力與采深的關系 (松藻、芙蓉、陽泉、焦作等地),2019/7/15,23,發(fā)生在上山中的煤與瓦斯突出 (德國魯爾礦區(qū)，突出煤量30t，瓦斯涌出量300m3),2019/7/15,24,德國某一煤巷中的煤與瓦斯突出： (巷道寬6m，高3m。同時從 掘進頭兩幫的煤壁中向掘進 空間拋出，約50m巷道被毀， 瓦斯涌出量4.2萬m3),向前15m巷道被 擠壓成一個小孔,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,深部開采與淺部的根本區(qū)別： “三高”和時間效應: 地應力高(自重應力約18MPa) 溫度高 (礦山一般30-400C, 個別達520C, 最高達700C; 5000m油井達150-2500C) 滲透壓(約7MPa) 較強的時間效應,2019/7/15,27,深部開采的科學問題,深部巖體處于“高溫、高壓、高孔隙壓”條件，巖石力學的基本性質（即變形特征、破壞特征與強度特征等）都將發(fā)生變化，因此，我們應該研究深部巖石在高應力、高溫條件下組織結構的變化、巖石脆性-延性轉化的機理、巖石變形特征、破壞特征、強度準則、以及本構方程。 更重要的是在研究深部巖石力學基礎性質的基礎上，要借助有關學科的研究成果，形成一些新的理論和方法。,地應力 巖石強度性質 巖石變形特征 巖石破壞特征 巖石的熱-水力耦合性質,2019/7/15,28,地應力,垂直應力,(Brown & Hoek, 1978),開采深度,垂直應力: 巖層因自重引起的垂直應力隨深度增加呈線性增大。,2019/7/15,29,地應力,水平應力與垂直應力之比,(Brown & Hoek, 1978),開采深度,水平應力: 根據(jù)世界范圍內(nèi)116個現(xiàn)場資料:,2019/7/15,30,水平應力與垂直應力之比隨深度的變化與國外實驗結果趨于一致。 (根據(jù)中國的有關資料),開采深度,平均水平應力與垂直應力之比,在深部開采條件下，水平應力與垂直應力之比趨于集中、并逐漸減小,2019/7/15,31,巖石強度性質,總體上說：巖石的強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,(1) 巖石的脆性-延性轉化性質 巖石在淺部表現(xiàn)為脆性，在深部則很可能轉化為延性(ductile)。在實驗中巖石的這種性質是隨著圍壓的升高而發(fā)生的，往往存在一個“脆性-韌性轉化臨界圍壓”，對應到工程中實際上就是臨界深度。,脆性力學響應 韌性行為力學響應 (ductile behavior),2019/7/15,33,巖石變形性質,(2) 巖石的剪漲或擴容(dilatancy)現(xiàn)象不明顯 實驗研究表明，在低圍壓下(相當于淺部開采)，巖石往往會在低于峰值強度時由于內(nèi)部微裂紋張開 而產(chǎn)生擴容現(xiàn)象，但在高圍壓下，巖石的這種擴容 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 側向應力控制的 控制的破壞 斷裂生長破壞,淺部開采條件下 深部開采條件下,2. 動態(tài)破壞 準靜態(tài)破壞(quasi-static),(Cleary, 1989),2019/7/15,35,深部開采的巖層控制理論、技術問題,查清深部礦區(qū)現(xiàn)代地應力場特征，研究深層開挖條件下巷道和采場應力場分布特征及演化，高地應力條件下巷井道圍巖變形破壞機理及探討現(xiàn)代應力場條件下井巷支護構筑物與圍巖運動耦合作用機理。,2019/7/15,36,巷道失穩(wěn)、頂板破壞、巖層移動機理等問題 深井巷道圍巖變形破壞與采深關系的研究 深井圍巖流變性對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,深部軟巖巷道支護理論與技術問題,變形特征： 圍巖軟，強度低、具有膨脹性 深度大，應力水平高 動荷載作用 大變形、大地壓、難支護,變形機理： 擠壓流動變形機理