煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析获奖科研报告

煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析获奖科研报告【摘

要】论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度，从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级。包括不同成煤期，世界煤炭开采历史，矿区、矿井的服务年限及开采参数，静态、动态煤岩力学试验，煤岩破碎，围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布。指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7～1016s，跨23个数量级。煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务，前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题，研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制。采场是移动场所，围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快，常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长，围岩变形与破坏的时效性较强，描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月。冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒，研究冲击地压发生、发展及破坏过程，煤炭开采实现了重大技术革命。但大规模煤炭开采也带来一系列问题，如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作，需要新思路、新工艺、新技术。

【关键词】煤炭开采;岩层控制;时间尺度;静态;动态;围岩变形;时效性

本文以时间为主线，介绍国内外煤炭开发历史，煤炭开采与岩层控制在不同时间尺度的主要研究内容，煤炭开采参数的时间尺度，煤岩力学试验时间尺度，及煤岩破碎、变形与破坏的时间尺度，以期对煤炭开采与岩层控制技术研究在时间上有一总体了解。

1.成煤年代与构造运动

成煤年代与构造运动的时间尺度煤是埋藏在地下的古代植物，经过漫长、极其复杂的生物化学和物理化学变化形成的固体可燃性有机岩。煤的形成与古植物、古地理、古气候和古构造密切相关。煤炭在整个地质年代中，主要有三大成煤期。古生代的石炭纪是第1个重要的成煤期，与后续的二叠纪合并称为石炭―二叠纪成煤期，该期的成煤植物主要是蕨类植物，烟煤和无烟煤为主要煤种;中生代的侏罗纪为第2个重要成煤期，接下来的白垩纪也有煤炭形成，该期成煤植物主要是裸子植物，主要煤种为褐煤和烟煤;新生代的古近纪和新近纪为第3个重要的成煤期，成煤植物主要是被子植物，煤种以褐煤为主，也存在年轻烟煤。可见，不同成煤期形成的煤种、煤的成分、煤化程度、煤的物理化学力学性质等均有所不同。当成煤环境温度、压力相近的情况下，经历的时间越长，煤化程度越高。成煤期的时间尺度为1013～1016s。从地质年代的尺度，可分析研究时间对煤炭形成、演化过程的影响。

2.煤炭开采技术发展历史

井工煤矿开采技术经历了手工开采、爆破开采、普通机械化开采到综合机械化开采的发展过程，采煤工艺经历了巷式、柱式到壁式的发展过程;落煤方式经历了手工刨煤、爆破落煤、机械割煤、机械割煤+放顶煤的发展过程。古代的煤炭开采一般用平硐、斜井或小立井方式，自然通风、人工排水，用镐刨煤，箩筐背煤，采煤与掘进基本没有区别，属于手工开采。随着蒸汽机的发明及应用，使煤炭开采进入机器开采时代。蒸汽为提升、通风及排水提供动力，后来又发明了蒸汽驱动的圆盘式截煤机，大幅提升了生产效率。气动冲击式凿岩机、安全炸药的发明及在煤矿的应用，革新了煤矿开采与掘进技术。世界机械化采煤始于20世纪40年代。英国、德国、前苏联相继研制出采煤机、刨煤机，使工作面落煤、装煤实现了机械化。1954年，综合机械化长壁开采技术在英国问世，是世界采煤史上的一次重大技术革命。随后德国、前苏联、波兰等国家进行了综采技术的试验与应用。美国一直大量采用房柱式开采，在20世纪50年代从德国引进综合机械化长壁开采技术，70年代中期又从德国引进掩护式液压支架，使得长壁综采技术得到认可和广泛应用。目前，综采已成为世界主要产煤国家的主体采煤技术。

3.采场围岩变形与破坏

采煤工作面是直接开采煤炭的场所，开采顺序包括工作面安装、初采、正常推进、末采及工作面回撤。采煤工作面的主要特点是作业场所不断移动，顶板不断处于暴露—支护—垮落的循环过程，液压支架对顶板岩层的作用不断处于加载与卸载的状态。上述特点决定了采场围岩变形与破坏随时间的变化规律。随着工作面从开切眼不断推进，顶板岩层将依次出现直接顶垮落、基本顶初次垮落、周期垮落，从而引起采场围岩变形、应力与支架阻力的不断变化，这些变化均与时间有关。顶板下沉、围岩应力重新分布、顶板岩层与煤壁破坏及采空区矸石压实均需要一定时间完成。如初次来压的持续时间一般为1～3d，周期来压持续时间一般较短。描述采场围岩变形的参数有顶板下沉量、顶板下沉速度（mm/min，mm/h）等。顶板下沉量由落煤、放顶引起的下沉量及两者间隔期间的下沉量组成，落煤与放顶造成的顶板下沉一般在较短的时间内（1～2h）即可完成。顶板下沉速度从每小时几毫米到几十毫米不等，当顶板发生突然垮落时，顶板下沉会瞬间剧烈增加甚至出现压死支架的现象。

4.巷道围岩变形与破坏

与采场相比，巷道开挖空间较小，但维护时间较长。维护时间最短的是工作面开切眼，从掘进到工作面设备安装完毕，少则1～2月，多则6个月。回采巷道的维护时间一般为1～2a，当服务两个或多个工作面时（沿空留巷、多巷布置的留巷等），维护时间要成倍增加。即使对于同一条巷道，先掘的部分比后掘的部分维护时间要长。如对于一条2000m的巷道，平均掘进速度为300m/月，最先掘进地段比最后掘进地段的维护时间长6.7个月。采区集中巷的维护时间从几年到十几年不等，而大巷、主要硐室的维护时间多为十几年到几十年，有的与矿井服务年限相当。

5.结论

（1）煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7～1016s之间，跨23个数量级。从地球上最早的成煤期到岩石动载试验中的亚微秒量级。

（2）在地质年代的时间尺度上，可研究煤的形成与古植物、古地理、古气候和古构造的关系;不同成煤期煤的种类、成分、煤化程度、煤的物理化学力学特性;构造运动对煤盆地形成与演化、煤层赋存条件与分布、煤岩体应力场演化的影响等内容。这些煤田地质领域的研究内容对煤炭开采的地质保障具有重要作用。

（3）井工煤矿开采需要根据煤田分布，划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行，不同阶段的时间尺度不同。一个矿区的开采年限一般为几十年到二三百年，而采煤工作面的服务时间一般为几个月到1～2a。煤炭开采的任何工序均需要一定的时间完成。煤炭开采涉及的很多参数与时间有关，如产量、进尺、速度、能力、流量等，常用的时间尺度从毫秒到年。

（4）煤岩力学试验是煤炭开采与岩层控制的重要研究内容。按试验时间可将煤岩力学试验分为静态和动态试验，按照应变率大小可细分为蠕