高强度开采是什么？关于高强度开采的科普介绍

创闻用户 2022-08-07 10:04:28

厚煤层(M≥3. 5m)综合机械化一次采全高(放顶煤或大采高支架)、工作面尺寸较大(L≥200 m)、推进速度较快(v≥5 m/d)、工作面单产较大(一般 500 ～1 000 万 t/a 以上，最小300 万 t/a)、工作面深厚比较小(H/M＜100)、覆岩与地表破坏严重的高产高效采煤方法。该定义同时将高强度开采的正外部影响(高产、高效)及负外部影响(采动影响破坏) 纳入其中。

高强度开采特征及指标

主要特征如下：

①地质采矿条件简单；

② 开采厚度大，深厚比小；

③ 工作面尺寸大；

④ 工作面技术装备水平高，一般采用大采高综采或综放，并向智能工作面方向发展；

⑤ 工作面推进速度快；

⑥ 工作面单产大，效率高。

高强度开采的指标体系如图 1所示。

高强度开采覆岩破坏特征

高强度开采形成的大范围采空区必然引起覆岩的严重破坏，且时空过程较为复杂，剧烈程度也异于常规开采。

覆岩破坏高度

一般情况下，软弱型覆岩的破坏高度为采厚的 9 ～ 12 倍，中硬型覆岩为采厚的 12 ～18 倍，坚硬型覆岩为采厚的 18 ～28 倍。目前，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中给出的覆岩破坏高度计算经验公式应用最普遍，可根据工作面不同开采方法及覆岩岩性选用相对应的公式进行计算。

此外，还有许多专家根据不同的地质条件提出了预计覆岩破坏高度的方法。

覆岩破坏充分采动与判据

根据覆岩破坏传递过程，可将覆岩破坏阶段划分为：覆岩非充分采动与充分采动阶段。其中，覆岩破坏充分采动为工作面开采引起的覆岩破坏高度达到其采矿地质条件下的最大值，且不再随开采尺寸的增加而增大。

因此，覆岩破坏充分采动的特征为：

① 裂缝带与弯曲下沉带之间的离层高度趋于0；

② 覆岩破坏高度达到最大值；

③ 覆岩破坏高度随着开采尺寸的增加不再增大。

覆岩破坏充分采动时临界推进距离与工作面倾向长度、深厚比成反比。

覆岩“两带”破坏模式

不同采矿地质条件下会存在不同的覆岩破坏模式，包括覆岩“两带”直接贯通地表模式，覆岩“两带”与地裂缝贯通模式，覆岩“两带”未与地表裂缝贯通模式 3 种破坏模式。

（1）浅埋煤层

浅埋煤层高强度开采现场观测及理论计算均显示覆岩破坏高度可直达地表，无弯曲下沉带，仅形成“两带”模式，且“两带”中垮落带一般破碎严重，且发育高度一般较大覆岩“两带”模式的形成主要由煤层厚度及覆岩结构所致。西北矿区采厚大、采深小、覆岩结构简单，工作面开采后覆岩破断回转时由于基岩较薄，导致覆岩裂隙直通地表或与地裂缝贯通，形成“两带”模式。

（2）中厚煤层

根据相关研究可知，厚煤层高强度开采覆岩“两带”破坏模式存在覆岩切落型破坏模式与裂缝贯通型破坏模式 2 种类型。

(1)覆岩切落型破坏表现为覆岩裂隙由煤层顶板发育，直接与地表贯通。通常情况下，多存在于地质条件为浅埋厚煤层的工作面。

(2)覆岩裂缝贯通型破坏表现为工作面推进过程中基岩中的关键层断裂失稳，产生覆岩“两带”裂隙，即上行裂隙，上行裂隙发育与地表拉伸裂缝贯通，形成覆岩裂缝贯通型破坏模式。当覆岩裂隙与地裂缝贯通时，覆岩裂隙高度小于开采煤层深度，即覆岩不会发生全厚切落现象。

高强度长壁开采“两带”模式下可能伴有工作面涌水、溃砂、漏风现象，采动影响迅速波及地表，在生态脆弱的西部地区，高强度开采造成的地表沉陷、台阶裂缝、水土流失等问题比中东部更严重

高强度开采地表变形破坏特征

高强度开采地表裂缝特征

地表对高强度开采的破坏特征一般表现为非连续破坏(地裂缝)。根据其受力及形态，可分为拉伸型裂缝、剪切型裂缝、挤压型裂缝和塌陷型裂缝。其中拉伸型及剪切型裂缝为高强度开采矿区常见裂缝。

在西北高强度开采矿区，地表下沉过程较剧烈，工作面前方出现裂缝群，地表裂缝呈现的主要特征有：

（1）动态拉伸型裂缝密度大，宽度较小。根据现场监测，动态拉伸型地表裂缝约超前 1 d 且平行工作面出现(平均推进速度约 15 m/d)，并随工作面推进而周期性向前移动。

（2）台阶型裂缝较发育。通过对多个高强度开采矿区现场监测发现，台阶型地表裂缝大多数位于工作面开采边界、终采线与开切眼上方，呈“带状”分布；而工作面终采线上方台阶型裂缝呈圆弧“带状”形式。

（3）裂缝形态及发育与工作面位置密切相关。位于工作面上方垂直于推进方向的裂缝，多以拉伸型及小台阶裂缝为主，且主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致，为临时裂缝，具有一定的修复功能；而在工作面边界处多以台阶裂缝为主，其发育过程经历“产生-扩展-最大或稳定”，为永久裂缝，对地表及生态环境的影响较大。

高强度开采地表移动变形规律

高强度开采地表移动变形规律主要表现为以下方面：

（1）地表移动变形剧烈，采动影响范围相对较小。由于高强度开采工作面推进速度快，基本顶极限垮距增大，导致基本顶破断释放的能量也较大，引起覆岩及地表移动变形剧烈，下沉曲线具有突变性，导致采动影响范围相对较小；同时引起的地表裂缝角(72° ～ 90°)及最大下沉角(89° ～ 90°)偏大，主要影响半径偏小，水平移动系数偏大。

（2）下沉速度快，下沉量大。由于高强度开采覆岩及地表移动变形剧烈，故而引起的地表下沉速度也较快，最大下沉速度达 700. 5 mm/d，地表下沉系数一般为 0. 55 ~0. 80，但由于煤层开采厚度大，导致地表下沉量大。

（3）地表移动持续时间短。高强度开采引起的地表开始及活跃阶段持续时间较短，但地表在活跃阶段的下沉量占比较大，主要是由于工作面开采后顶板悬露的空间较大，造成高强度开采后覆岩与地表在短期内产生剧烈的移动变形，即活跃阶段下沉量较大。

综上可知，高强度开采能引起剧烈的地表移动变形，对地表负外部影响严重。

高强度开采地表负外部影响

结合西北高强度开采地表响应特征及移动变形规律，可知高强度开采对地表生态环境的扰动较为显著，其负外部影响主要表现以下方面。

（1）水资源破坏。对于生态脆弱的西北矿区，高强度开采产生的矿井水、煤矸石、地表塌陷等会污染地表水体。由于地表水通过土壤水补给地下水，因此，会间接影响土壤水与地下水的水质及水量。同时，地表裂缝不仅破坏植被根系，使植被枯萎或衰退，还会疏干地表水体或泉域，导致地下水位下降。因此，高强度开采对水资源的影响主要表现在：① 覆岩与地表的剧烈运动破坏了地下水的平衡，如大柳塔矿 52505 工作面大地电磁探测高强度开采对含水层的影；② 矿井水的排放污染了水资源的水质；③ 采动贯通裂缝改变了地下水径流条件，引起了地下水位下降，导致地表水体、泉域及湿地缩减，使地表植被由喜水植物向旱作植物转变。

（2）土地资源破坏。开采对土地资源的负外部影响主要表现在土地资源的占用及破坏方面。在占用土地资源方面，主要体现在煤炭开采过程中的建筑物用地、矸石排放及尾矿库占地等，导致了土地利用结构的改变;而破坏土地资源方面主要表现为地表裂缝、地面塌陷、水土流失、土地沙化、土壤污染及微生物分布更替等。煤矿开采对土地资源的破坏，不仅改变了原始地形地貌，引起土地的坡度、标高发生变化，而且降低了林地及农牧地的质量及肥力，土壤的理化性质，导致农作物生产力下降、地表植被减退、土壤向沙漠化、盐渍化转变，恶化了地表生态环境。

（3）地表生态环境破坏。在地表生态环境系统中，土地资源为地表植被提供基础，而水资源是其生长中不可或缺的成分。由于地表植被是地表生态系统进行物质循环和能量交换的枢纽，且在保水固土方面具有重要作用，因此，地表植被盖度的变化与土地及水资源的状态具有密切关系，地表生态环境可通过地表植被的生长状况反映。在西北高强度开采矿区，由于水资源与土地资源均受到开采裂缝的影响，势必会影响到地表植被，进一步恶化了地表生态环境。

（4）建筑物破坏。由于建筑物以地基为承载依附于地表，根据其结构特点可知，地表倾斜、曲率及水平变形对建筑物影响较大。由高强度开采地表移动变形特征可知，高强度开采势必对地表建筑物产生严重破坏，威胁矿区居民的生活及生产安全，具有范围广、危害大及损害严重等特点，尤其在村庄稠密、人口密度大的矿区。根据大量现场调查可知，建筑物门窗变形、墙体裂缝较为普遍，墙体裂缝宽度达 20cm。

（5）线性构筑物破坏。线性构筑物主要指铁路、公路、堤坝、桥梁、隧道、高压线铁塔及各类管线设施等，结合线性构筑物的特点可知，构筑物对地表变形的敏感性比建筑物的大，所受到的损害也更严重；由于线性构筑物分布较为普遍，煤炭资源开采会导致大量线性构筑物受到严重破坏，影响人民生命财产和交通运输安全。

此外，由于高强度开采引起覆岩破坏严重，会造成覆岩中井巷工程、井筒变形破坏，主要表现为轴线偏斜、竖向拉断或压跨、径向截面变化或沿弱面错开。对于南部矿区，由于岩溶发育，开采使溶洞塌陷，在地面形成塌陷漏斗，导致巨大的灾害。

高强度开采采动损坏防控思路与技术

在进行高强度开采时，应以尽可能少地扰动生态环境为主。即通过科学规划，采取合适的采煤方法及生态环境治理措施，达到预防和控制高强度开采负外部影响的目的，为绿色矿山与地表生态环境的和谐发展提供技术保障。

防控思路

维持覆岩稳定或减小覆岩的破坏程度及高度是主动避免地质灾害及实现地表生态环境保护最有效、最长久的途径，同时也是矿井开发利用地下开采空间的基础条件。高强度开采负外部影响的防控思路即是对其本质原因采取相应的抑制对策或技术，而分析高强度开采负外部影响的最终目的是形成有效的防范措施，以实现生态脆弱区生态环境保护与煤炭资源绿色开采的协调发展。

目前，控制覆岩及地表移动的技术方法主要有充填开采、协调开采、部分开采及离层注浆技术等。

充填开采

其本质是用充填材料替换煤炭的一种方法，主要分为传统充填开采和现代充填开采，由于传统充填弊端较为凸显而退出，现代充填开采已成为目前充填开采的主要方法，主要包括固体充填、膏体充填、(超)高水充填等，分别叙述如下。固体充填是目前应用较多的开采方法之一，是针对煤矸石排放及土地资源问题提出的一种绿色开采技术，已在很多矿区得到成功应用。此外，为实现西北矿区近零生态环境损害及污染物排放，在煤矸井下分选及充填的基础上形成了一种“采选充 +X”绿色化开采技术体系。膏体充填也是目前应用较多的开采方法之一。由于西北地表覆盖大量具有良好的抗变形能力风积沙，形成了以风积沙为主料的充填方法，有效地解决了覆岩与地表破坏问题，保护了西部矿区环境，为我国西部沙漠化矿区绿色开采开辟了一条新的技术途径。(超)高水充填开采是以粉煤灰或尾矿等为主料，延缓剂、速凝剂、固化剂和膨胀剂等为辅料，与水混合制成充填料浆充填至采空区，具有流动性好、成本低及工艺简单等优点。

此外，还有壁式连采连充采煤方法、控制潜水流失的条带充填开采、保水开采、“煤－水”双资源型矿井、和地下水库等保护水资源。

协调开采

协调开采是利用 2 个或多个相邻工作面，在时间和空间上保持一定关系的向前推进，以部分抵消地表移动变形的开采方式，可分为两煤层(分层)或同一煤层多工作面协调开采、对称开采。

部分开采

部分开采是有效控制覆岩与地表移动的开采方法，主要包括条带开采、旺格维利采煤法、限厚开采、房柱式开采等。条带开采一般常用于“三下”开采中，它不仅能回收部分煤炭资源，又能较好地控制地表沉陷、保护地表建筑物。由于开采效率及采出率低，在目前西北高强度开采矿区追求高产高效率的情况下，一般不单独使用，常与充填开采配合使用。