深部开采和支护现状.ppt

2019/7/15,1,深部开采现状,2019/7/15,2,深部开采的划分标准,国外： 前苏联：600m 原西德：8001200m 英国与波兰：750m 日本： 600m,2019/7/15,3,目前国有重点煤矿中采深大于 700m 的矿井有50多处，以每年 812m的速度递增 国内： 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。,2019/7/15,4,我国是一个缺油、少气、富煤的国家，煤炭是我国的主要能源。,中国能源消费结构,世界能源消费结构,煤炭71.6%,煤炭27%,石油19.8%,石油40%,天然气2.1%,天然气23%,其它6.5%,其它10%,世界和我国能源消费结构,2019/7/15,5,中国一次能源消费结构,目前我国煤炭占能源总消费的70%左右。,Mt,中国煤炭在能源消费结构中占主导地位,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。,2019/7/15,6,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。,中国煤炭在能源消费结构中占主导地位,煤炭消费预测,2019/7/15,7,中国煤炭资源按深度分布的储量,储量 ，亿t,其中1000m以下的煤炭储量2.95万亿吨，约占总储量的53%,（资料来源：徐永圻主编，中国采煤方法图集）,2019/7/15,8,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。 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。,2019/7/15,9,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,2019/7/15,10,巷道围岩变形量增大,(1) 巷道变形速度快、变形量大、巷道围岩变形范围大; (2) 岩性对巷道变形的影响更加明显。采深对软岩巷道、煤层巷道的影响尤为显著； (3) 巷道维护难度增大，废弃巷道数量增加； (4) 巷道持续变形、流变成为深部巷道变形的主要特征；,深部巷道围岩变形表现出以下特征：,(5) 采深越大，开采对巷道变形的影响越大，影响程度也越剧烈； (6) 多数设的巷道保护煤柱达不到保护巷道的目的，对巷道维护十分不利； (7) 巷道对支架的工作性能要求更高，必须提高支架初撑力、工作阻力和可缩量； (8) 巷道布置、开采顺序和开采边界对巷道维护影响增大。,2019/7/15,11,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。,2019/7/15,12,鹤壁矿务局 10矿 -575水平南大巷 （采深725m）,支 架 扭曲变形,2019/7/15,13,梯形矿工钢冒顶翻修,U型钢支护翻修,极易离层破碎型顶板(、类)巷道的支护状况,2019/7/15,14,2019/7/15,15,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。 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,2019/7/15,16,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。,2019/7/15,17,岩爆次数与采深的关系 (波兰上西里西亚煤田),2019/7/15,18,我国煤矿深井冲击地压发生情况,2019/7/15,19,50年代中期印度某金矿 巷道中岩爆造成的戏剧性效果(dramatic effect),岩爆前,中度破坏区,2019/7/15,20,严重破坏区,完全闭合区,2019/7/15,21,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。 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。,2019/7/15,22,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、焦作等地),2019/7/15,23,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),2019/7/15,24,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),向前15m巷道被 挤压成一个小孔,2019/7/15,25,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),2019/7/15,26,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,2019/7/15,27,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，岩石力学的基本性质（即变形特征、破坏特征与强度特征等）都将发生变化，因此，我们应该研究深部岩石在高应力、高温条件下组织结构的变化、岩石脆性-延性转化的机理、岩石变形特征、破坏特征、强度准则、以及本构方程。 更重要的是在研究深部岩石力学基础性质的基础上，要借助有关学科的研究成果，形成一些新的理论和方法。,地应力 岩石强度性质 岩石变形特征 岩石破坏特征 岩石的热-水力耦合性质,2019/7/15,28,地应力,垂直应力,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,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。,2019/7/15,29,地应力,水平应力与垂直应力之比,(Brown & Hoek, 1978),开采深度,水平应力: 根据世界范围内116个现场资料:,2019/7/15,30,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),开采深度,平均水平应力与垂直应力之比,在深部开采条件下，水平应力与垂直应力之比趋于集中、并逐渐减小,2019/7/15,31,岩石强度性质,总体上说：岩石的强度随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,岩石变形性质,(1) 岩石的脆性-延性转化性质 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),2019/7/15,33,岩石变形性质,(2) 岩石的剪涨或扩容(dilatancy)现象不明显 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。,2019/7/15,34,岩石破坏特征,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,浅部开采条件下 深部开采条件下,2. 动态破坏 准静态破坏(quasi-static),(Cleary, 1989),2019/7/15,35,深部开采的岩层控制理论、技术问题,查清深部矿区现代地应力场特征，研究深层开挖条件下巷道和采场应力场分布特征及演化，高地应力条件下巷井道围岩变形破坏机理及探讨现代应力场条件下井巷支护构筑物与围岩运动耦合作用机理。,2019/7/15,36,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,2019/7/15,37,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,变形机理： 挤压流动变形机理