深部开采和支护现状

6000
4000
2000
0 <600m
1000-
1500m
（资料来源：徐永圻主编，中国采煤方法图集）
7 2021/4/4
由于开采深度的加大，岩体应力急剧增加，地温升高，当 岩体应力达到甚至超过岩体强度时，有关岩体力学科学与工程 的若干问题由量变逐渐发生质的变化，造成资源开采的极端困 难，并引发矿井重大安全事故危险性增加，严重威胁矿井的安 全生产。
岩石在浅部表现为脆性，在深部则很可能转化
为延性(ductile)。在实验中岩石的这种性质是随着
围压的升高而发生的，往往存在一个“脆性-韧性
转化临界围压”，对应到工程中实际上就是临界深
度。
脆性力学响应
韧性行为力学响应
(ductile behavior)
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➢ 岩石变形性质
(2) 岩石的剪涨或扩容(dilatancy)现象不明显
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向前15m巷道被 挤压成一个小孔
德国某一煤巷中的煤与 瓦斯突出： (巷道宽6m，高3m。同时 从 掘进头两帮的煤壁中向掘进 空间抛出，约50m巷道被毁， 瓦斯涌出量4.2万m3)
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煤巷中煤的突出
(巷道宽2.5m，高1.6m, 煤体从两壁抛出， 在巷道中线箭头处相互挤压, 而顶底板却稳定)
水平应力与垂直应力之比
埋深≥1000m，水平
应力与垂直应力的
比值逐渐趋于集中， 约为0.5-2.0
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(Brown & Hoek, 12902718/4)/4
平均水平应力与垂直应力之比
开 采 深 度
水平应力与 垂直应力之比随 深度的变化与国 外实验结果趋于 一致。
(根据中国的有关资料)
在深部开采条
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Number of rockbursts per 10 5 tons
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
200
400
600
800
Depth, m
岩爆次数与采深的关系
(波兰上西里西亚煤田)
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➢ 瓦斯涌出量增大
随着开采深 度的增加，瓦斯 急剧增大，瓦斯 灾害频繁。
力学的基本性➢质（即地变形应特力征、破坏特征与强度特征等） 都将发生变化➢，因此岩，我石们强应该度研性究深质部岩石在高应力、 高温条件下组➢织结构岩的变石化变、岩形石特脆性征-延性转化的机理、 岩石变更形重特要征的➢、是破在坏研岩特究征石深、部破强岩度坏石准力特则学、征基以础及性本质构的方基程础。上， 要借助有关学➢科的研岩究成石果的，形热成-一水些力新的耦理合论和性方质法。
变形机理： 挤压流动变形机理 挠曲褶皱变形机理 剪切错动变形机理 遇水膨胀变形机理
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深部资源开采与地下工程是目前国内外 采矿工程界一个十分重要的研究课题。目前 我国东部矿井正以每10年延深100-250米的速 度发展，如果我们仍然习惯于浅部开采条件 下的地质作用特征和矿山压力显现规律来推 断和分析深部开采的安全事故及相关现象， 显然远远不够。因此，我们应予以高度重视 并广泛开展研究与探索。
深部开采现状
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深部开采的划分标准
国外：
➢ 前苏联：>600m ➢ 原西德：800～1200m ➢ 英国与波兰：>750m ➢ 日本：> 600m
国内：(无明确标准)
浅矿井 中深矿井
深矿井 特深矿井
采深 < 400m 400-800m 800-1200m 1200m
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机遇与挑战并存！
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目前国有重点煤矿中采深大于 700m 的矿井有50多处，以每年 8~12m的 速度递增
国内：
国外：
沈阳采屯矿1197m； 浙江长广集团1000m； 新汶孙村矿1055m； 北票冠山矿1059m； 徐州张小楼矿1100m； 开滦赵各庄矿1159m； 北京门头沟1008m。
德国2002年平均采 深1300m，最大采深 1500m；
件下，水平应力
与垂直应力之比
趋于集中、并逐
渐减小
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➢ 岩石强度性质
某矿区 600-1400 米深度岩石强度的分布统计情况（%）
50 (%)
40 30 20 10
总体上说： 岩石的强度 随深度的增 加而有所提 高
0
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➢ 岩石变形性质
(1) 岩石的脆性-延性转化性质
80%
70% 65% 60% 50%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2000 2005 2015 2050
煤炭消费预测
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中国煤炭资源按深度分布的储量
1 4 0 0 0其中1000m以下的煤炭储量2.95万亿吨，约占总储量的53% 12000
储
量 10000
， 亿t
8000
准静态破坏(quasi-static)
(Cleary, 1989)
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巷道失稳、顶板破坏、岩层移动机理等问题
深井巷道围岩变形破坏与采深关系的研究 深井围岩流变性对巷道变形破坏的理论研究 深井回采巷道的矿压显现规律的研究
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深部软岩巷道支护理论与技术问题
变形特征： 围岩软，强度低、具有膨胀性 深度大，应力水平高 动荷载作用 大变形、大地压、难支护
实验研究表明，在低围压下(相当于浅部开采)， 岩石往往会在低于峰值强度时由于内部微裂纹张开 而产生扩容现象，但在高围压下，岩石的这种扩容 现象不明显甚至完全消失。
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➢ 岩石破坏特征
浅部开采条件下
深部开采条件下
1. 脆性能或断裂韧度 侧向应力控制的
控制的破坏
断裂生长破坏
2. 动态破坏
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➢ 地应力
开 采 深 度
垂直应力
垂直应力: 岩层因自
重引起的垂直 应力随深度增 加呈线性增大。
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(Brown & Hoek, 12902718/4)/4
➢ 地应力
水平应力:
根据世界范围内116 个现场资料:
开
埋深≤1000m，水平 采
应力与垂直应力的 深 比值大约为1.5-5.0 度
超过1000m的国家： ➢ 俄罗斯 ➢ 英国 ➢ 波兰 ➢ 日本 ➢ 比利时等。
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我国是一个缺油、少气、富煤的国家，煤 炭是我国的主要能源。
世界和我国能源消费结构
中国能源消费结构
世界能源消费结构
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中国煤炭在能源消费结构中占主导地位
目前我国煤炭占能源总消费的70%左右。我 国石油资源将在2030年耗尽。为了满足国民经济 建设的需要，在今后相当长的历史时期内仍需保证 煤炭的高产稳产。
形 响范 程围 度大也;越剧烈；
((26)) 岩 多性 数对 设巷 的道巷变道形保的护影煤响柱更达加不明到显保。 护采 巷深 道对 的目
软 的岩 ，巷 对道巷、道煤维层护巷十道分的不影利响；尤为显著；
((37)) 巷 巷道 道维 对护 支难 架度的增工大作，性废能弃要巷求道更数高量 ，增 必加 须； 提高
(4) (8)
巷 巷道道主 支布持要 架置续特 初、变征撑开形；力采、、顺流工序变作和成阻开为力采深和边部可界巷缩对道量巷变；道形维的护
影响增大。
10 2021/4/4
德国鲁尔矿区在1100m下开采，巷道宽6m，煤层厚 1.9m。底板在24小时内臌起0.8m，煤层移出0.5m。
11 2021/4/4
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深部开采与浅部的根本区别：
“三高”和时间效应:
地应力高(自重应力>约18MPa) 温度高
(矿山一般30-400C, 个别达520C, 最高达700C; 5000m油井达150-2500C)
渗透压(>约7MPa) 较强的时间效应
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深部开采的科学问题
深部岩体处于“高温、高压、高孔隙压”条件，岩石
国外金属矿开采实践表明：深部采场更容易发生岩 爆等动力灾害。
长壁工作面
房柱工作面
15 2021/4/4
➢ 采场和巷道中岩爆危险性增加
由原始沉积作用和后期构造作用造成 的含煤岩系的非连续性和非均质性，随着 煤炭采深的增加引起的覆岩自重压力的增 大和构造应力的增强，表现为围岩发生剧 烈变形、巷道和采场失稳、并易发生破坏 性的冲击地压，给巷道支护和顶板管理带 来许多困难。
近年来，由 于瓦斯突出和爆 炸引起的死亡10 人以上的煤矿事 故70％出现在中 国东部矿区。
21 2021/4/4
煤层瓦斯压力与采深的关系 (南桐、天府、六枝等地)
煤层瓦斯压力与采深的关系 (松藻、芙蓉、阳泉、焦作等20地21/4)2/24
发生在上山中的煤与瓦斯突出
(德国鲁尔矿区，突出煤量30t，瓦斯涌出量300m3)Leabharlann Baidu
深部开采诱发的工程灾害
巷道围岩变形量增大 采场矿压显现剧烈 巷道中岩爆危险性增加 瓦斯涌出量增大 地温升高、作业环境恶化 突水事故趋于严重 井筒破裂加剧 煤自燃发火、矿井火灾加剧
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➢ 巷道围岩变形量增大
深部巷道围岩变形表现出以下特征：
(15) 巷 采道 深变 越形 大速 ，度开快采、对变巷形道量变大形、的巷影道 响围 越岩 大变 ，影
无论从战略高度还是从当前生产实际出发，都迫切需要积极 开展深部开采中的基础理论研究，以求在新理论的指导下，使 实用技术有新的突破和发展，使矿井深部开采走上安全、高产 高效的健康轨道。
必须从岩石力学性质的基本理论出发，探索有效的深部采 矿和施工技术、以及防治工程灾害的基础理论和技术手段。
8 2021/4/4
鹤壁矿务局 10矿 -575水平南大巷 （采深725m）
支架 扭曲变形
12 2021/4/4
极易离层破碎型顶板(Ⅳ、Ⅴ类)巷道的支护状况
梯形矿工钢冒顶翻修
U型钢支护翻修
13 2021/4/4
14 2021/4/4
➢ 采场矿压显现剧烈
我国煤矿生产实践表明：采深对采场支护方面 的影响不十分明显，而煤壁片帮、端面冒落带高度却 随采深的增加而明显增大。