第二十四章深部矿井开采

1、2022-4-1912022-4-192深部开采的划分标准深部开采的划分标准国外：前苏联：前苏联：600m原西德：原西德：8001200m英国与波兰：英国与波兰：750m日本：日本： 600m国内：(无明确标准无明确标准) ) 浅矿井浅矿井 中深矿井中深矿井 深矿井深矿井 特深矿井特深矿井 采深采深 400m 400-800m 800-1200m 1200m2022-4-193目前国有重点煤矿中采深大于目前国有重点煤矿中采深大于 700m 的矿井有的矿井有50多处，以每年多处，以每年 812m的的速度递增速度递增4 国内：国内：沈阳采屯矿沈阳采屯矿1197m；浙江长广集团浙江长广集团1000m

2、；新汶孙村矿新汶孙村矿1055m；北票冠山矿北票冠山矿1059m；徐州张小楼矿徐州张小楼矿1100m；开滦赵各庄矿开滦赵各庄矿1159m；北京门头沟北京门头沟1008m。 德国德国2002年平均采年平均采深深1300m，最大采深，最大采深1500m； 超过超过1000m的国家：的国家： 俄罗斯俄罗斯 英英 国国 波波 兰兰 日日 本本 比利时等。比利时等。4 国外：国外：2022-4-194l我国是一个我国是一个缺油、少气、富煤的国家缺油、少气、富煤的国家，煤，煤炭是我国的主要能源。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

3、%天然气23%其它6.5%其它10%世界和我国能源消费结构2022-4-1950 0200200400400600600800800100010001200120019521952195719571965196519701970197819781985198519911991199419941995199519961996煤石油天然气水电年年 代代中国中国一次一次能源能源消费消费结构结构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。时期内仍需保证煤炭的高产稳产。2022-4-196

4、中国煤炭在能源消费结构中占主导地位中国煤炭在能源消费结构中占主导地位煤炭消费预测煤炭消费预测70%65%60%50%0%10%20%30%40%50%60%70%80%20002005201520502022-4-197中国煤炭资源按深度分布的储量中国煤炭资源按深度分布的储量0 020002000400040006000600080008000100001000012000120001400014000600m 约约18MPa) ) 温度高温度高 ( (矿山矿山一般一般30-400C, 个别达个别达520C, 最高达最高达700C; 5000m油井达油井达150-2500C) ) 渗透压渗透压

5、(约约7MPa)较强的时间效应较强的时间效应2022-4-1927深部开采的科学问题深部开采的科学问题深部岩体处于深部岩体处于“高温、高压、高孔隙压高温、高压、高孔隙压”条件，岩石条件，岩石力学的基本性质（即变形特征、破坏特征与强度特征等）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、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、岩石脆性高温条件下组织结构的变化、岩石脆性- -延性转化的机理、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。岩石变形特征、破坏特征、强度准则、以及本构方程。更重要的

6、是在研究深部岩石力学基础性质的基础上，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。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 2022-4-1928 地应力地应力垂直应力垂直应力(Brown & Hoek, 1978)开开采采深深度度 垂直应力垂直应力: 岩层因自岩层因自重引起的垂直重引起的垂直应力随深度增应力随深度增加呈线性增大。加呈线性增大。2022-4-1929 地应力地应力水平应力与垂直应力之比水平应力与垂直应力之比(Brown & Ho

7、ek, 1978)开开采采深深度度 水平应力水平应力: 根据世界范围内根据世界范围内116个现场资料个现场资料:埋深埋深1000m，水平，水平应力与垂直应力的应力与垂直应力的比值大约为比值大约为1.5-5.0埋深埋深1000m，水平水平应力与垂直应力的应力与垂直应力的比值逐渐趋于集中，比值逐渐趋于集中，约为约为0.5-2.02022-4-1930 水平应力与水平应力与垂直应力之比随垂直应力之比随深度的变化与国深度的变化与国外实验结果趋于外实验结果趋于一致。一致。(根据中国的有关资料根据中国的有关资料)开开采采深深度度平均水平应力与垂直应力之比平均水平应力与垂直应力之比在深部开采条在深部开采条件

8、下，水平应力件下，水平应力与垂直应力之比与垂直应力之比趋于集中、并逐趋于集中、并逐渐减小渐减小2022-4-193101020304050 岩石强度性质岩石强度性质 总体上说：总体上说：岩石的强度岩石的强度随深度的增随深度的增加而有所提加而有所提高高 100MPa1400m1200-1400m1000-1200m800-1000m600-800m600m某某矿矿区区 600-1400 米米深深度度岩岩石石强强度度的的分分布布统统计计情情况况 （%）(%)2022-4-1932 岩石变形性质岩石变形性质 (1) 岩石的脆性岩石的脆性-延性转化性质延性转化性质 岩石在浅部表现为脆性，在深部则很可能

9、转化岩石在浅部表现为脆性，在深部则很可能转化为延性为延性(ductile)。在实验中岩石的这种性质是随着。在实验中岩石的这种性质是随着围压的升高而发生的，往往存在一个围压的升高而发生的，往往存在一个“脆性脆性-韧性韧性转化临界围压转化临界围压”，对应到工程中实际上就是，对应到工程中实际上就是临界深临界深度度。 脆性力学响应脆性力学响应 韧性行为力学响应韧性行为力学响应 (ductile behavior)2022-4-1933 岩石变形性质岩石变形性质 (2) 岩石的剪涨或扩容岩石的剪涨或扩容(dilatancy)现象不明显现象不明显 实验研究表明实验研究表明，在低围压下在低围压下( (相当于

10、浅部开采相当于浅部开采) )，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而产生扩容现象扩容现象，但在，但在高围压下高围压下，岩石的这种扩容岩石的这种扩容现象不明显甚至完全消失。现象不明显甚至完全消失。2022-4-1934 岩石破坏特征岩石破坏特征1. 1. 脆性能或断裂韧度脆性能或断裂韧度 侧向应力控制的侧向应力控制的 控制的破坏控制的破坏 断裂生长破坏断裂生长破坏 浅部开采条件下浅部开采条件下 深部开采条件下深部开采条件下2. 2. 动态破坏动态破坏 准静态破坏准静态破坏(quasi-static)(Cleary, 1989)2022-4

11、-1935深部开采的岩层控制理论、技术问题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查清深部矿区现代地应力场特征，研究深层开挖条件场特征，研究深层开挖条件下巷道和采场应力场分布特下巷道和采场应力场分布特征及演化，高地应力条件下征及演化，高地应力条件下巷井道围岩变形破坏机理及巷井道围岩变形破坏机理及探讨现代应力场条件下井巷探讨现代应力场条件下井巷支护构筑物与围岩运动耦合支护构筑物与围岩运动耦合作用机理。作用机理。2022-4-1936巷道失稳、顶板破坏、岩层移动机理等问题巷道失稳、顶板破坏、岩层移动机理等问题3 深井巷道围岩变形破坏与采深关系的研究深井巷道围岩变形破坏与采深关系的研究

12、3 深井围岩流变性对巷道变形破坏的理论研究深井围岩流变性对巷道变形破坏的理论研究3 深井回采巷道的矿压显现规律的研究深井回采巷道的矿压显现规律的研究2022-4-1937 深部软岩巷道支护理论与技术问题深部软岩巷道支护理论与技术问题 F变形特征：变形特征：围岩软，强度低、具有围岩软，强度低、具有膨胀性膨胀性 深度大，应力水平高深度大，应力水平高 动荷载作用动荷载作用 大变形、大地压、难支护大变形、大地压、难支护u变形机理变形机理：挤压流动变形机理挤压流动变形机理挠曲褶皱变形机理挠曲褶皱变形机理剪切错动变形机理剪切错动变形机理遇水膨胀变形机理遇水膨胀变形机理2022-4-1938深部矿井矿压控制深部矿井矿压控制l巷道布置巷道布置开拓、准备巷道开拓、准备巷道-岩石力学性能好岩石力学性能好巷道巷道-受采动影响小的位置受采动影响小的位置服务年限服务年限-缩短（准备、回采）缩短（准备、回采）l巷道支护巷道支护强度大、可缩性好、封闭性好强度大、可缩性好、封闭性好l巷道维护巷道维护卸压法卸压法超前导硐、爆破、超前导硐、爆破、钻孔钻孔、宽巷、宽巷围岩加固围岩加固机械加固、化学加固机械加固、化学加固2022-4-1939地热和瓦斯控制地热和瓦斯控制l地热控制地热控制我国空调使用情况：我国空调使用情况：发展缓慢发展缓慢分散式多分散式多质量较差质量较差l瓦斯控制瓦斯控制控制瓦