近日，山西省煤炭學會聯合中國煤科開采研究院舉辦了第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇，多位專家學者圍繞深部開采研討交流。

深部開采意味著什么

據了解，我國埋深1000米以下的煤炭資源豐富，主要分布在中東部地區?，F有50余對礦井開采深度超過1000米，最深達1510米。

以山西省為例，其煤礦開采深度從2005年平均200米增長到2025年平均超過600米，部分礦井接近800米。

武漢大學教授劉泉聲指出，我國煤礦深部巷道圍巖穩定控制難度屬世界之最。德國、英國更早進入深部開采，圍巖穩定控制難題未解是其停止深部開采的主因。目前，國際上尚無可借鑒的成熟理論和技術。

“巷道大變形災害成為深部煤炭開采的關鍵制約因素。”劉泉聲說。

淮南、平頂山等中東部礦區較早進入深部開采。受郯廬斷裂+秦嶺大別山造山運動等多重強烈地質作用，中東部礦區地質條件極其復雜，地應力極高，巖體破碎軟弱。僅淮南礦區探明的落差大于5米的斷層就超過5300條。

受斷層等地質構造影響，每年超過1000公里深部巷道嚴重大變形失穩，巷修經濟損失超200億元。

“煤礦巷道圍巖控制難點表現在煤巖體自身強度低、結構面發育、承載能力差，部分煤系地層頂底板普遍存在遇水軟化、膨脹黏土礦物。再者，高應力與采動應力疊加，深井地應力高達42兆帕，采動應力達2倍至5倍原巖應力。有些礦井甚至還受到沖擊地壓等大能量事件的影響。”中國煤科開采研究院研究員張鎮表示。

在高強度開采條件下，如何有效控制住圍巖、抵擋住來自四面八方的力，是深部開采亟需關注的重點。

劉泉聲總結，深部大變形災害控制面臨三大難題，即深部巷道米級大變形災變機理認識不清、深部巷道大變形控制缺乏適用理論及技術、大變形災變環境下缺乏快速安全成巷新技術。

災變機理將逐步探明

中國煤科開采研究院研究員李文洲指出，相比淺部，深部地應力越來越大，煤巖體裂隙發育、裂隙開度小、軟巖流變、溫度高等特征越來越明顯。

“深部安全回采的難題為多場耦合作用下的煤巖體控制。”李文洲表示。據了解，現場工程中存在多個物理場，如溫度場、應力場、濕度場等。這些物理場相互影響，比如溫度高低會影響應力分布等，為圍巖控制增加難度。

當外力作用于物體時，物體內部會產生相應的內力來抵抗變形，這就是應力。應力是材料內部的抵抗力。放到礦井中，開采使巖層產生應力，應力又反作用于頂底板。

李文洲指出，應力、材料、結構是煤巖體控制的關鍵。煤巖體內部結構面很大程度決定著煤巖體的強度和變形特征，而應力環境又對其結構及裂隙變形破壞起決定作用。

比如，裂隙擴展造成煤巖體強度下降，進而造成圍巖可錨性降低、錨桿錨索錨固力下降，最終導致支護失效、巷道受損。常規支護配合低壓淺孔注漿，無法解決目前問題。

通過深部巷道圍巖漸進破壞演化實驗室試驗，李文洲總結出圍巖漸進破壞演化規律。

“隨著載荷增加，應變增大，圍巖經歷應變(變形程度)啟動、應變逐步增大、應變擴展的過程。幫角應力集中，幫角、幫部、頂板以及兩幫先后出現剪應變增大、裂隙發育、強度下降、底板破壞深度增大現象，最終在巷道周邊形成一定范圍的破壞區。”李文洲說。

深部巷道掘進圍巖裂隙漸進演化特征的明晰，將對煤巖體支護強度的參數設置及注漿時機選擇起到關鍵作用。

此外，劉泉聲及團隊揭示出深部巷道米級大變形的圍巖碎脹運動機理。

何為圍巖碎脹?即巖石爆破后堆積的體積比破碎前整體狀態下增大的特性。形象地說，碎脹中心就像一個臺風眼，外部圍繞的是一圈圈破碎的、雜亂的巖石。碎脹的圍巖影響著頂板管理。

“圍巖塊體的碎脹運動是深部巷道米級大變形災害形成的主要動因。”劉泉聲表示。

劉泉聲及團隊在淮南、平頂山等主要礦區進行試驗，得出巷道圍巖擾動應力場和圍巖結構演化規律，即形成“破裂碎脹區—損傷擴容區—連續變形區”。這些破碎雜亂的巖石周邊，圍繞著一圈又一圈的損毀帶，在開采中隨時有可能垮落下來。

在此基礎上，該團隊建立了深部圍巖碎脹大變形災害分步聯合控制理論，提出“應力恢復、圍巖增強、固結修復、應力轉移—承載圈控制”四項原理及其構成的圍巖穩定分步聯合控制理論。

有效進行支護是重點

“巷道圍巖控制關鍵有兩點，一為提升圍巖自承能力，如高預應力主動支護抑制圍巖裂隙張開、滑動，通過注漿恢復圍巖完整性、提高圍巖自身強度;二為改善圍巖外部環境，如通過卸壓降低巷道周邊應力、通過噴漿封閉防止外部水汽侵入等。”張鎮說。

近年來，中國工程院院士、中國煤炭科工集團首席科學家康紅普等人，針對煤礦千米深井、軟巖、強采動巷道圍巖大變形難題，提出千米深井、軟巖、強采動巷道“支護—改性—卸壓”協同控制理念，研發出超高強度、高沖擊韌性錨桿支護材料，開發出微納米無機有機復合改性材料及配套高壓劈裂注漿技術等。

上述團隊在中煤新集口孜東礦示范巷道進行井下試驗與礦壓監測，發現巷道變形量降低50%以上、錨桿錨索破斷率降低90%，工作面采動應力明顯減小。

張鎮表示，“支護—改性—卸壓—護表”綜合控制技術能解決當前絕大多數礦井圍巖控制難題。然而，錨桿錨索主動支護技術系統在很多礦區未能正確應用，關鍵是能否實現“錨得住、高預緊、易擴散、常穩定”。

張鎮建議，復雜困難巷道支護應采用全斷面支護、噴漿封閉，多巷布置礦井煤柱巷道維護時應用水力壓裂區域卸壓技術。煤礦應繼續加強和重視頂板災害實時監測預警，充分進行礦壓監測數據分析。

劉泉聲表示，面臨米級大變形災害孕育過程難捕捉、動態演化規律難總結的特點，首先需要有效手段監測和捕捉圍巖擾動應力、變形破裂演化過程，揭示巷道米級大變形災害孕育形成機理。

劉泉聲團隊提出深部破碎軟弱圍巖應力場測試技術，發明了“多點位移一體化自動監測、弱反射光纖大量程位移監測”互補的圍巖變形破裂監測技術，實現了深部巷道百米范圍變形破裂過程的連續跟蹤監測。

上述技術應用于淮南、平頂山等礦區累計超過2000千米的深部巷道。巷道翻修周期由4個月至6個月延長到10年以上，斷面收縮率由1年50%降低到10年5%，掘支維護成本降低30%，實現了大變形災害的有效控制。

還有專家學者指出，深部開采巷道大變形災變環境下，TBM盾構機有助于安全快速成巷;井下超長孔水平分段壓裂區域卸壓技術、“定向鉆孔技術+壓裂裝置+大流量壓裂泵組”成套技術與裝備的應用，助推深部礦井治災效果精細化。