楊 軍, 閔鐵軍,2, 劉斌慧,2, 陳奎奎,2, 楊 柳

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)資源的需求量不斷增大，地球淺部的礦物資源逐漸枯竭，礦物資源的開采不斷走向地球深處[1-5]。目前，煤炭資源開采深度達(dá)到1 500 m，地?zé)豳Y源開采深度超過3 000 m，有色金屬礦開采深度超過4 350 m，油氣資源開采深度已達(dá)7 500 m[1]。煤礦方面，中國(guó)煤炭產(chǎn)量中的90%以上都來自地下開采，埋深超過1 000 m的煤炭資源量占已探明的5.57×1012t煤炭資源的53%，經(jīng)過長(zhǎng)期大規(guī)模的開采，淺部資源逐漸減少，煤炭開采深度以每年10～25 m的速度向深部擴(kuò)展，平均采深已達(dá)700 m左右，中東部主要礦井采深已達(dá)800～1 000 m[6-8]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)現(xiàn)有采深超過1 000 m的礦井共47座(總產(chǎn)量9 456×104t)，平均采深1 086 m[1,9]。金屬礦方面，國(guó)外開采深度超過1 000 m的金屬礦超過80座，大多數(shù)分布在南非、加拿大、美國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、波蘭等地區(qū)，其中南非和加拿大最多，南非絕大多數(shù)金礦的開采深度超過2 000 m[10-12]；當(dāng)前，中國(guó)超千米深的金屬礦約32座[3]，如云南的會(huì)澤鉛礦，安徽銅陵的冬瓜山銅礦，河北的壽王墳銅礦，遼寧撫順的紅透山銅礦等。未來，中國(guó)煤礦與金屬礦的深部開采將趨于常態(tài)。

深部開采時(shí)，巖石賦存環(huán)境十分復(fù)雜，且其力學(xué)行為特征與淺部相比發(fā)生了明顯變化，因此，深部資源開采中發(fā)生的災(zāi)害性事故與淺部相比，頻率更高，程度更劇烈，成災(zāi)機(jī)理更復(fù)雜[2]。隨著開采深度的增加，上覆巖層的自重應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力均明顯增大，導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生劇烈變形，采場(chǎng)容易失穩(wěn)，巖爆、沖擊地壓等災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)、強(qiáng)度和規(guī)模均明顯增大，給巷道支護(hù)和頂板管理帶來了很大的困難[13]。同時(shí)，深部巷道圍巖在破壞時(shí)表現(xiàn)出突然、劇烈的特征，破壞前兆不明顯，這為技術(shù)人員在破壞發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)帶來了很大的挑戰(zhàn)。在深部開采條件下，受高地應(yīng)力和高承壓水的作用，煤巖層內(nèi)積聚了大量的瓦斯以及其他氣體和液體能量，在開采擾動(dòng)的作用下，氣體及液體能量會(huì)突然猛烈地向巷道和采掘工作面釋放，造成嚴(yán)重的煤與瓦斯突出事故以及突水事故。另外，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，高溫環(huán)境不僅容易導(dǎo)致煤層自燃，引發(fā)礦井火災(zāi)和瓦斯爆炸事故，并且讓工人難以集中注意力，降低了工作效率[14]。因此，針對(duì)深部開采出現(xiàn)的工程災(zāi)害問題，應(yīng)該研究其發(fā)生機(jī)理并提出相應(yīng)的防治措施。

1 引起深部資源開采災(zāi)害的因素

深部開采災(zāi)害頻發(fā)，這是由深部巖體的賦存環(huán)境所決定的，即高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的“三高”賦存環(huán)境，這一賦存環(huán)境的特點(diǎn)決定了巖石的原始物理力學(xué)特性，另外，深部開采強(qiáng)烈的工程擾動(dòng)加劇了深部巖體動(dòng)力響應(yīng)的突變性[1-2]。一是高地應(yīng)力：包括上覆巖層的自重應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，深部巖體所承受的地應(yīng)力往往超過其抗壓強(qiáng)度，使其內(nèi)部形成很高的地應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)積聚了大量的變形能量。二是高地溫：越往地下深處，地溫越高，高地溫不僅對(duì)巖石的力學(xué)特性和變形性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，而且會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力的變化。三是高巖溶水壓：地應(yīng)力與地溫升高的同時(shí)，巖溶水壓也逐漸升高，高巖溶水壓會(huì)促進(jìn)巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育，改變巖體受力狀態(tài)，造成礦井突水等災(zāi)害事故。四是強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)：強(qiáng)擾動(dòng)會(huì)引起高強(qiáng)度的應(yīng)力集中，且遠(yuǎn)高于工程巖體的抗壓水平，在高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的共同作用下，極易導(dǎo)致深部巖體發(fā)生突然的、無征兆的破壞，如大范圍的失穩(wěn)和坍塌等。

在上述因素中，高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓屬于深部巖體賦存環(huán)境本身的特點(diǎn)，開采所引起的強(qiáng)擾動(dòng)則是深部巖體賦存環(huán)境的附加特征，二者是導(dǎo)致深部開采災(zāi)害頻發(fā)的根本原因[1]。人類社會(huì)不斷發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求不會(huì)停止，煤炭開采進(jìn)入深部以后，將不可避免地面臨高頻度和高強(qiáng)度的動(dòng)力災(zāi)害。因此，人們?cè)谶M(jìn)行深部開采時(shí)，必須事先預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害事故的可能性，并做好防范措施。目前，災(zāi)害類型主要包括軟巖大變形、巖爆、高礦壓、熱害、瓦斯突出和強(qiáng)擾動(dòng)等。

2 深部開采中的軟巖大變形災(zāi)害

進(jìn)入深部以后，受高地應(yīng)力和工程擾動(dòng)等作用，巖體所處的應(yīng)力狀態(tài)與淺部相比發(fā)生了明顯的變化，使得深部巖體表現(xiàn)出軟巖的特征，進(jìn)入塑性變形階段，產(chǎn)生圍巖大變形和強(qiáng)流變等現(xiàn)象。

2.1 深部軟巖工程大變形破壞機(jī)理

深部軟巖中含有大量蒙脫石、高嶺石等黏土礦物成分，這些黏土礦物內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)的缺陷會(huì)使其產(chǎn)生負(fù)電性，從而對(duì)水分子擁有較強(qiáng)的吸附能力。井下開采過程中，巖體不斷吸水膨脹，強(qiáng)度逐漸降低，最終導(dǎo)致圍巖大變形和巷道塌方[15-16]。

研究深部巖體變形時(shí)，必須考慮地質(zhì)環(huán)境因素的影響，如巖層的產(chǎn)狀與結(jié)構(gòu)以及地應(yīng)力場(chǎng)的方向性等。研究表明，巷道方向與地應(yīng)力主方向不同，巖體及巖層中的結(jié)構(gòu)面不對(duì)稱，都會(huì)明顯降低深部巷道圍巖的強(qiáng)度，使其產(chǎn)生非對(duì)稱大變形破壞，常規(guī)的對(duì)稱支護(hù)方法無法起到有效作用，需設(shè)計(jì)重點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)面的非對(duì)稱支護(hù)方法[17-18]。

深井濕熱的環(huán)境對(duì)圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了影響，通過對(duì)巖石從普通環(huán)境至高溫高濕環(huán)境下的力學(xué)性質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)高溫高濕環(huán)境容易引起圍巖軟化，強(qiáng)度降低，產(chǎn)生較大的變形量，從而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)[19-20]。

2.2 深部軟巖工程大變形控制對(duì)策

對(duì)深部軟巖變形破壞機(jī)理的研究，為軟巖巷道變形控制對(duì)策的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。針對(duì)地質(zhì)力學(xué)環(huán)境使巷道圍巖產(chǎn)生差異性變形的問題，控制對(duì)策的重點(diǎn)是改善巷道周邊圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，充分利用圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的承載能力，加強(qiáng)對(duì)圍巖關(guān)鍵部位的支護(hù)，避免其產(chǎn)生劇烈變形，防止因巷道局部破壞而產(chǎn)生非對(duì)稱大變形。經(jīng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[18]，提出了“錨網(wǎng)噴+錨索+底角錨桿”非對(duì)稱耦合支護(hù)方式，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好的效果，有效地控制了巷道圍巖關(guān)鍵部位的非對(duì)稱變形，提高了巷道的穩(wěn)定性。

除了在支護(hù)形式方面進(jìn)行新的嘗試，深部軟巖大變形控制材料的研發(fā)也取得了新的進(jìn)展。傳統(tǒng)支護(hù)材料受允許變形量的限制，無法滿足深部巷道圍巖產(chǎn)生的大變形，往往被拉斷失效。為此，何滿潮等[21-22]研發(fā)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)(negative Poisson’s ratio, NPR)的新型恒阻大變形錨桿/索，適用于深部軟巖巷道的圍巖支護(hù)。新型恒阻大變形錨桿/索(NPR錨桿/索)是一種由負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合裝置，如圖1所示，可以在保持恒定工作阻力的同時(shí)提供較大的變形量，在巷道圍巖出現(xiàn)大變形破壞時(shí)，新型恒阻大變形錨桿/索能夠吸收周圍巖體的變形能量，通過自身結(jié)構(gòu)變形而不是材料變形來避免巖體發(fā)生變形，從而維護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定。經(jīng)過靜力拉伸試驗(yàn)、動(dòng)力沖擊試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用等研究，結(jié)果表明，新型恒阻大變形錨桿/索可以有效控制巷道圍巖緩慢大變形，抵抗動(dòng)力沖擊作用，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性，降低了發(fā)生沖擊地壓、巷道塌方等事故的風(fēng)險(xiǎn)，是深部軟巖巷道支護(hù)的可靠選擇[22]。

圖1 NPR錨桿三維圖[22]Fig.1 Three-dimensional view of the NPR bolt[22]

3 深部開采中的巖爆災(zāi)害

3.1 巖爆的機(jī)制

巖爆是井下巷道或硐室圍巖在高地應(yīng)力作用下發(fā)生突然破壞，破碎的巖石向自由空間彈射或拋擲的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，伴隨著大量彈性應(yīng)變能的猛烈釋放[23-25]。隨著開采深度的增加，地應(yīng)力不斷增大，巖爆發(fā)生的頻率和破壞性也逐漸升高。巖爆現(xiàn)象通常發(fā)生在承受高應(yīng)力的硬巖巖體中，誘發(fā)因素包括強(qiáng)工程擾動(dòng)、疊加開采和構(gòu)造面引起的高應(yīng)力集中[26-27]。在深部高地應(yīng)力狀態(tài)下，開挖卸荷以及動(dòng)力作用會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖中的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，并以兩種形式產(chǎn)生巖爆，一種形式是直接造成圍巖的破碎和巖塊的彈射，另一種形式是使圍巖中的已有斷層和結(jié)構(gòu)面或新結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致巖體的破壞和碎石的崩落[23]。

3.2 巖爆的預(yù)測(cè)與防治

巖爆造成的巷道垮塌、支護(hù)失效，以及井下設(shè)備損壞，作業(yè)人員傷亡，嚴(yán)重危害礦山安全高效生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益，因此，如何對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)的預(yù)測(cè)和有效的防治就顯得尤為重要。

由于巖爆發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性和隨機(jī)性，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)十分困難，但巖爆主要是由深部巖體開挖卸荷引起的地應(yīng)力變化所決定，且斷層發(fā)育，支撐壓力高，采掘空間大等不利因素的出現(xiàn)，會(huì)增加巖爆發(fā)生的概率。因此，通過工程地質(zhì)勘查，地應(yīng)力場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬等方法結(jié)合巖爆傾向性判據(jù)，對(duì)巖爆發(fā)生的可能性大小和強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。例如，利用上述方式對(duì)玲瓏金礦發(fā)生巖爆的可能性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，玲瓏金礦深部花崗巖內(nèi)儲(chǔ)存著較大的彈性應(yīng)變能，具有巖爆和沖擊的可能性[28]。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)包括單軸壓縮循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，單軸與三軸剛性實(shí)驗(yàn)，加載巖爆實(shí)驗(yàn)和卸載巖爆實(shí)驗(yàn)等，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析巖石的破壞狀態(tài)，破壞形式以及內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的特性。巖石脆性系數(shù)、彈性能量指數(shù)、應(yīng)力系數(shù)和沖擊能量指數(shù)等可作為判據(jù)對(duì)巖爆發(fā)生的傾向性進(jìn)行分析，針對(duì)不同的礦井實(shí)際情況，應(yīng)結(jié)合多個(gè)判據(jù)聯(lián)合分析，并進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，增加巖爆預(yù)測(cè)的可靠性。

目前，地下開采主要采取以下措施對(duì)巖爆進(jìn)行防治。

(1)對(duì)巷道和采掘工作面位置進(jìn)行合理布局，優(yōu)化開采和掘進(jìn)區(qū)域的尺寸以及推進(jìn)順序，降低工作面周圍巖體的應(yīng)力集中，維護(hù)巷道及工作面巖體穩(wěn)定。

(2)及時(shí)充填采空區(qū)，減小采空區(qū)空頂面積，避免頂板巖體長(zhǎng)時(shí)間暴露，以防止長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力狀態(tài)下的巖體向自由空間彈射。

(3)采用錨網(wǎng)柔性支護(hù)對(duì)硐室及巷道進(jìn)行支護(hù)，改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)，主動(dòng)吸收應(yīng)變能，防止破碎巖石向自由空間拋擲和彈射。

4 深部開采中的高礦壓災(zāi)害

隨著開采深度的不斷增加，上覆巖層自重應(yīng)力明顯增大，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)更加復(fù)雜，巷道及采煤工作面礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，導(dǎo)致圍巖變形嚴(yán)重，破壞范圍和程度大，煤壁片幫、頂板冒落和支架損壞等現(xiàn)象突出[29-30]。深部開采時(shí)，傳統(tǒng)淺部巷道支護(hù)材料與方法強(qiáng)度低，效果差，且需要多次維護(hù)和翻修，難以保持深部巷道圍巖長(zhǎng)期的完整與穩(wěn)定。

4.1 深部高礦壓控制技術(shù)現(xiàn)狀

采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)，可有效應(yīng)對(duì)深部開采礦山壓力強(qiáng)度高、危害大的問題，防止深部巷道圍巖與頂板發(fā)生明顯的變形與破壞。高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)由強(qiáng)力錨桿、強(qiáng)力鋼帶、強(qiáng)力錨索及其他構(gòu)件組成[31-32]。將錨桿預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行大幅度的提高，抑制圍巖發(fā)生離層、滑動(dòng)，防止巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展或產(chǎn)生新裂紋，保持巖體的整體性和穩(wěn)定性，利用托盤、鋼帶和金屬網(wǎng)等構(gòu)件擴(kuò)大錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍，改善巖體的受力狀態(tài)。通過大幅度提高頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)度，控制頂板下沉，降低煤幫壓力，抑制底鼓出現(xiàn)。同時(shí)，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)能夠提供足夠的延伸率，巷道圍巖可以產(chǎn)生一定程度的連續(xù)變形，以釋放巖體中的高應(yīng)力。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明[33-34]，高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿組合支護(hù)系統(tǒng)在深部開采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的巷道具有良好的支護(hù)效果，可以有效控制巷道圍巖的變形和破壞程度，保持圍巖穩(wěn)定性，避免不斷的維護(hù)和修繕，確保井下安全開采。

4.2 深部巷道圍巖控制技術(shù)研究進(jìn)展

隨著采煤深度的增加，傳統(tǒng)長(zhǎng)壁開采方法引起的圍巖應(yīng)力集中程度和采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度均明顯增加，所造成的災(zāi)害事故也更加嚴(yán)重。針對(duì)這一問題，有學(xué)者提出了切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)，通過定向爆破切縫技術(shù)切斷礦山壓力在頂板巖梁間的傳遞路徑，待工作面回采后利用垮落矸石的碎脹性形成巷幫，實(shí)現(xiàn)無煤柱自成巷開采，在多座礦井的應(yīng)用中都取得了良好的效果[35-37]。切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)不僅使回采巷道處于礦山壓力卸壓區(qū)，降低了下一回采工作面的支承壓力，有效控制了巷道圍巖的變形，而且無須留設(shè)煤柱，減少了巷道掘進(jìn)量，提高了資源回收率，為推動(dòng)中國(guó)礦業(yè)科學(xué)技術(shù)變革做出了突出的貢獻(xiàn)。

在技術(shù)構(gòu)想方面，康紅普等[38-39]提出了巷道支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù)，如圖2所示，以應(yīng)對(duì)深部開采高礦壓下的圍巖控制問題。研發(fā)高強(qiáng)度、大延伸率、高沖擊韌性錨桿支護(hù)材料與構(gòu)件對(duì)圍巖進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，開發(fā)深井巷道圍巖高壓劈裂注漿改性技術(shù)，研制深部巷道水力壓裂主動(dòng)卸壓裝備與技術(shù)，綜合3種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深部巷道圍巖的聯(lián)合控制。

圖2 錨桿支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制示意圖[38]Fig.2 Schematic diagram of collaborative groundcontrol using bolting-grouting-destressing technology[38]

5 深部開采中的熱害

隨著開采深度的增加，地溫逐漸升高，越來越多的礦井面臨高溫?zé)岷栴}。根據(jù)資料，地溫梯度通常情況下為30 ℃/km，在中國(guó)采深超過1 000 m的礦井，工作面溫度可達(dá)34～36 ℃。高溫高濕環(huán)境不僅會(huì)影響工人身心健康，降低工作效率，造成安全事故，還會(huì)觸發(fā)巖體的熱力學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生礦井災(zāi)害[40-41]。

5.1 深部巖體的熱力學(xué)效應(yīng)

通過對(duì)取自深部的煤巖樣品的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，煤巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均逐漸降低，即煤巖體抵抗變形與破壞的能力降低；同時(shí)，隨著溫度的升高，煤樣中吸附的甲烷和二氧化碳等氣體逐漸逸出，尤其當(dāng)溫度超過30 ℃時(shí)，煤樣中逸出的瓦斯量急劇增加[42-43]。環(huán)境溫度升高會(huì)導(dǎo)致煤基質(zhì)中的瓦斯壓力增加，有效應(yīng)力減小，從而使煤體強(qiáng)度減弱；當(dāng)吸附瓦斯解吸后，煤基質(zhì)發(fā)生收縮，宏觀裂縫面的摩擦減小，也使煤體強(qiáng)度降低。高溫使原本吸附態(tài)的瓦斯氣體分子轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)脫離煤體顆粒表面，填充在微裂隙中間，增大了顆粒間裂隙的同時(shí)降低了黏結(jié)力，則煤體抵抗變形的能力減弱。深部開采時(shí)，高溫軟化效應(yīng)和高溫吸附氣體逸出效應(yīng)是導(dǎo)致礦井塌方和瓦斯爆炸事故的重要原因。

5.2 熱害的控制對(duì)策

深井高溫環(huán)境影響工人健康，危害礦井安全，須采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的通風(fēng)、熱源隔離和個(gè)體防護(hù)等非人工制冷技術(shù)無法解決深井高溫?zé)岷栴}。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐探索中，形成了以地面集中制冷降溫系統(tǒng)、地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)、回風(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng)、地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫系統(tǒng)和冰冷降溫系統(tǒng)等為主的人工制冷技術(shù)，在一定程度上緩解了深井高溫?zé)岷ΜF(xiàn)象。地面集中制冷降溫系統(tǒng)是通過地面的制冷機(jī)組和井下的換熱器，將地面的水冷卻后輸送到工作面進(jìn)行降溫，其優(yōu)點(diǎn)是主要設(shè)備在地面，維護(hù)方便，但在采深超1 000 m的礦井中應(yīng)用較少，原因是其輸送管線長(zhǎng)，需要的設(shè)備壓力和造成的冷損都比較大。地面排熱井下集中降溫系統(tǒng)是將壓縮冷凝機(jī)組布置在井下，地表保留冷卻塔進(jìn)行散熱，縮短了冷能輸送距離，降低了冷損，但向地面排熱管道線路長(zhǎng)，設(shè)備承壓大[44]?；仫L(fēng)排熱井下集中降溫系統(tǒng)則是將水冷卻器和冷凝機(jī)組都布置在井下，縮短了輸送管線長(zhǎng)度，但冷卻器在井下，排熱困難，適用于冷量較小的工作面或掘進(jìn)頭降溫。地面熱電聯(lián)產(chǎn)制冷降溫系統(tǒng)利用電廠余熱以及溴化鋰制冷機(jī)組和乙二醇螺桿制冷機(jī)組制備出乙二醇溶液并輸送至井下，經(jīng)井下?lián)Q冷器為工作面提供涼風(fēng)，這一方法將瓦斯電廠的廢棄余熱充分利用，但輸送管路長(zhǎng)，冷損大，且使用條件受限。冰冷降溫系統(tǒng)是將地表制冰系統(tǒng)制出的冰送至井下，用冰將井下水冷卻后對(duì)工作面進(jìn)行噴霧降溫，優(yōu)點(diǎn)是輸送管路無須承受高壓，缺點(diǎn)是冰在輸送時(shí)冷損大易導(dǎo)致管道堵塞。

除上述技術(shù)外，以礦井涌水為冷源的溫控模式逐漸得到應(yīng)用[45]。該模式利用能量提取系統(tǒng)從礦井涌水中提取冷量，然后用提取出的冷量同采掘面高溫氣體進(jìn)行換熱，從而降低工作面的溫度，此外，被提取冷量后的礦井涌水在被輸送至地面的同時(shí)，可攜帶熱能至地表從而為鍋爐供熱，該溫控技術(shù)分為礦井涌水豐富型、礦井涌水不足型和礦井涌水缺乏型3種模式以適應(yīng)不同的礦井條件。以礦井涌水為冷源的溫控模式不僅實(shí)現(xiàn)了井下降溫的目的，還完成了礦井熱害轉(zhuǎn)化為地面熱能的有效利用，保障了礦井安全生產(chǎn)和綠色環(huán)保發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的效果[40,46]。

6 深部開采中的瓦斯突出災(zāi)害

在成煤過程中，煤化作用會(huì)產(chǎn)生甲烷等氣體，隨著埋藏深度的增加，在高溫、高壓條件下，以甲烷為主的烴類物質(zhì)伴隨煤化作用大量產(chǎn)生，使深部煤層瓦斯壓力和瓦斯含量增大，同時(shí)，深部高地應(yīng)力降低了煤層透氣性。在深部高地應(yīng)力、高溫和采掘擾動(dòng)條件下，瓦斯的賦存特點(diǎn)增大了發(fā)生瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故的風(fēng)險(xiǎn)[47-48]。因此，深部礦井瓦斯防治措施的研究對(duì)于降低事故發(fā)生概率和保障礦井安全生產(chǎn)有著極其重要的意義。

深部開采時(shí)，瓦斯綜合治理應(yīng)當(dāng)從防突和抽采兩個(gè)方面著手[49]。防治煤與瓦斯突出措施可分為區(qū)域防突措施和局部防突措施，其中，區(qū)域防突有效措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯，局部防突措施主要為水力化措施，包括水力壓裂、水力沖孔和煤層注水等。瓦斯抽采分為本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采[50-51]。實(shí)際情況中，受瓦斯來源、地質(zhì)條件和煤巖體力學(xué)性質(zhì)等因素影響，采用單一的防治措施可能無法實(shí)現(xiàn)目的，往往需要采取多種措施綜合治理。

6.1 深部開采的區(qū)域防突措施

開采保護(hù)層是治理煤與瓦斯突出最為有效的區(qū)域性措施。開采保護(hù)層后，采場(chǎng)周圍的煤巖體發(fā)生移動(dòng)變形，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，使得采空區(qū)頂板周圍地應(yīng)力降低，被保護(hù)層卸壓，煤層發(fā)生膨脹變形，從而增大了煤層的透氣性，加強(qiáng)了瓦斯的解吸與流動(dòng)速率，使得被保護(hù)層中的瓦斯壓力降低，瓦斯含量減小[52-53]。在開采層間距較小(<50 m)的煤層群時(shí)，被保護(hù)層卸壓后，層間薄弱的巖層會(huì)產(chǎn)生裂隙，為采空區(qū)和鄰近層的瓦斯涌向開采層提供了通道，從而導(dǎo)致開采層瓦斯超限。此時(shí)，需將采空區(qū)抽采和鄰近層抽采兩種方式結(jié)合才能夠降低本煤層工作面和上隅角的瓦斯含量，同時(shí)也促進(jìn)了被保護(hù)層瓦斯的釋放。在開采突出煤層上方的極薄保護(hù)層時(shí)，可利用鉆卸法使煤層應(yīng)力重新分布，達(dá)到卸壓效果，防止被保護(hù)層煤與瓦斯突出。

當(dāng)開采單一煤層或保護(hù)層為突出煤層時(shí)，需進(jìn)行本煤層瓦斯抽采以降低煤層瓦斯壓力，減少瓦斯含量，避免發(fā)生瓦斯突出危險(xiǎn)。瓦斯抽采不僅可以有效防止煤與瓦斯突出，還可以將瓦斯作為能源充分利用。本煤層瓦斯預(yù)抽是向突出煤層打大量鉆孔，使煤體轉(zhuǎn)變?yōu)榫植啃秹籂顟B(tài)，并進(jìn)行瓦斯抽采以降低瓦斯含量和壓力，從而使煤層發(fā)生變形，地應(yīng)力減小，透氣性系數(shù)增加，實(shí)現(xiàn)降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性、保障采掘工作順利進(jìn)行的目的。本煤層瓦斯預(yù)抽包括地面長(zhǎng)鉆孔抽采、穿層鉆孔條帶抽采、順層鉆孔抽采、網(wǎng)格式穿層鉆孔抽采以及綜合抽采等方式[54]。

6.2 深部開采的局部防突措施

在抽采瓦斯的條件下，可進(jìn)一步采取水力化措施以增大煤層透氣性，提高抽采效率。通過水力沖孔、水力沖刷和水力壓裂等措施，使煤層中出現(xiàn)空洞，或使已有孔隙與裂縫擴(kuò)展，引起煤體中的應(yīng)力重新分布，增大卸壓范圍，促進(jìn)瓦斯排出[55]。煤層注水可以濕潤(rùn)煤體，使其物理力學(xué)特性發(fā)生變化，原本的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐模岣呙后w的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

7 深部開采中的強(qiáng)擾動(dòng)災(zāi)害

7.1 深部巖體工程的強(qiáng)擾動(dòng)特征

除原始地應(yīng)力環(huán)境外，地下巖體的應(yīng)力環(huán)境還包括工程擾動(dòng)引起的擾動(dòng)應(yīng)力。擾動(dòng)應(yīng)力包括開挖引起的應(yīng)力重分布和爆破、切削等帶來的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波動(dòng)[56]。深部開采時(shí)，巖體處于靜水壓力狀態(tài)，采掘活動(dòng)引起的工程巖體的動(dòng)力響應(yīng)更加復(fù)雜多變，表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)擾動(dòng)特征。由于深部原巖應(yīng)力較高，煤層開采、鑿巖掘巷、水力壓裂等局部卸荷作用引起的高集中應(yīng)力往往超過巖石的極限荷載，使周圍巖體形成擾動(dòng)影響區(qū)，工程采動(dòng)引起的彈性能釋放和應(yīng)力波傳遞情況決定了擾動(dòng)影響區(qū)的范圍，擾動(dòng)影響區(qū)的不斷發(fā)展導(dǎo)致巖體發(fā)生流變甚至破壞[57-62]。深部巷道開挖后，支護(hù)作用可以調(diào)整圍巖應(yīng)力變化路徑，使擾動(dòng)區(qū)內(nèi)巖石的最終應(yīng)力分布狀態(tài)更合理，避免巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。

7.2 深部巖巷強(qiáng)擾動(dòng)控制技術(shù)

針對(duì)深部受高地應(yīng)力和強(qiáng)擾動(dòng)影響的巷道，一般采用的支護(hù)方式是首先對(duì)圍巖完成柔性讓壓支護(hù)，然后選擇適宜的時(shí)間實(shí)施二次高強(qiáng)度支護(hù)。但傳統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)采用的是U形鋼支架，支護(hù)反力和支護(hù)強(qiáng)度較低，支護(hù)能力不足，且受扭轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生變形。針對(duì)這一問題，提出由錨網(wǎng)噴+鋼管混凝土支架組成的復(fù)合支護(hù)技術(shù)[59,63]。初次錨網(wǎng)噴支護(hù)的目的是改善圍巖的受力狀態(tài)，增大其自身承載能力；二次加強(qiáng)支護(hù)使用鋼管混凝土支架，可提供1 500～2 500 kN的支護(hù)反力。為適應(yīng)深部巷道的變形，使圍巖能夠適度泄壓，初次支護(hù)和支架間留有100～200 mm的空間，并用柔性支護(hù)體進(jìn)行填充。鋼管混凝土支架是根據(jù)巷道斷面的形狀與尺寸，將空鋼管制作成相應(yīng)的規(guī)格，并在空鋼管內(nèi)填充混凝土形成的構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。支架分為左幫段、右?guī)投?、頂弧段和底弧?部分，通過套管將各段相連，相鄰支架間用連桿連接。受鋼管管殼的束縛，支架內(nèi)的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度因此增強(qiáng)[59,64]。當(dāng)受到軸向壓力作用時(shí)，鋼管和混凝土能夠共同承載，這一特點(diǎn)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了支架的使用壽命。鋼管混凝土支架斷面為無異向性的圓柱狀，克服了U形鋼支架易發(fā)生扭曲變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的缺點(diǎn)。

室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用表明，鋼管混凝土支架具有較高的承載能力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支護(hù)強(qiáng)度高，可以提高深部巷道圍巖的抗擾動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)強(qiáng)擾動(dòng)下巷道的變形破壞進(jìn)行積極有效的控制。

圖3 鋼管混凝土支架結(jié)構(gòu)示意圖[59]Fig.3 Schematic diagram of the concrete-filled steel tubular stent[59]

8 深部開采災(zāi)害防治面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，深部開采巖體力學(xué)理論與災(zāi)害控制技術(shù)研究取得了一定的進(jìn)展，獲得的成果對(duì)工程實(shí)踐提供了一定的幫助。然而，考慮深部巖體現(xiàn)場(chǎng)原位應(yīng)力狀態(tài)以及開采或開挖路徑影響的深部巖體力學(xué)理論尚處于初步探索過程，有關(guān)深部巖體的基本力學(xué)特性、損傷變形破壞過程、能量耗散與釋放規(guī)律等一系列力學(xué)行為還需深入研究與驗(yàn)證，對(duì)于巖體變形尤其是巖爆的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與方法的研究還要做大量工作，深部礦井多種災(zāi)害可能同時(shí)顯現(xiàn)引起的復(fù)合型災(zāi)害給防治技術(shù)研究帶來了很大困難。此外，深部資源流態(tài)化、智能化、無人化綠色安全開采理論與技術(shù)是值得深入研究與突破的方向[65-69]。

9 結(jié)論

隨著人類對(duì)資源的需求和采掘機(jī)械化程度的不斷提高，淺部資源逐漸枯竭，越來越多的礦井逐步進(jìn)入深部開采。通過對(duì)深部開采面臨的工程問題及防治措施的分析，得到以下結(jié)論。

(1) 深部巖體復(fù)雜的賦存環(huán)境即高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的工程擾動(dòng)，是導(dǎo)致深部開采災(zāi)害頻發(fā)的根本原因。

(2) 關(guān)于深部開采中遇到的問題，如軟巖大變形、巖爆、高溫?zé)岷?、瓦斯突出和?qiáng)擾動(dòng)等，目前進(jìn)行了一些理論分析和試驗(yàn)研究，提出了相應(yīng)的防治措施，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了積極的效果。

(3) 目前人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論不適用于深部開采，有關(guān)深部巖體性質(zhì)和力學(xué)行為，巖體變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警，巖體穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)，綠色高效開采理論與技術(shù)，以及相關(guān)的試驗(yàn)方法和設(shè)備還有待進(jìn)一步研究。