矿山岩层控制基础研究

1 绪论 1.1 煤炭革命与未来 1.1.1　世界能源结构及变化 1）世界能源结构变化趋势及煤炭地位 在世界能源的历史舞台上，煤炭消费曾经保持了近60年的高速增长。然而，过去的100年间，世界能源体系经历若干能源革命，煤炭在世界能源结构中的比例，从昀高时期的48%降到目前的27%左右。发达国家能源结构的优化主要出于洁净、绿色、低碳的目的，但同时考虑到能源安全和多元化发展，仍然保持了一定的煤炭比例。2020年，煤炭在世界主要发达国家 /地区能源结构中的比例分别是：美国10.5%、日本 26.8%、欧盟10.6%、德国15.2%。可见，煤炭依然是全球重要的基础能源之一。 世界能源未来变化趋势主要有以下三个方面的特征：一是页岩气、页岩油、可燃冰等非常规能源将有较大发展，形成新的能源供应和消费格局。全球能源消费结构将继续沿着低密度能源向高密度能源的方向发展，天然气、石油、核能在全球能源消费结构中的比例将有较大增加。二是虽然化石燃料的时代远未结束，但其主导地位会有所下滑。由于煤炭具有资源丰富、分布广泛、供应可靠、价格低廉等突出特点，未来煤炭将在高碳能源低碳化利用方面发挥重要作用。三是风能、太阳能、核能等新能源技术将进入快速工业化阶段，新能源消费总量将稳步增加。新能源及绿色低碳能源的发展有望成为世界经济新的增长引擎。 根据世界能源研究机构对未来世界能源结构的预测，到2035年，能源品种中煤炭、石油、天然气的比例将趋于均等，初显全球能源煤炭、石油、天然气、核能、可再生能源五足鼎立的态势。 2）我国能源结构演变及煤炭角色 我国煤炭资源丰富、品种齐全、分布广泛，而石油、天然气资源相对匮乏，能源结构一直以煤炭为主。随着经济社会发展，能源消费总量持续较快上升，已成为世界**能源消费大国，面临的资源、环境压力越来越突出。近年来，在国家产业政策引导和鼓励下，能源呈现多元化发展，天然气、核电、水电和其他可再生能源快速发展，已成为能源供应的重要组成部分，对煤炭的替代作用不断显现。在有效利用国际资源，不断增加石油、天然气供应，保障能源安全的同时，顺应世界能源发展趋势，进一步加快发展水电、核电、风电、太阳能等清洁能源，加快调整能源结构，与世界同步进入低碳能源时代，是我国能源发展的必然方向。根据《能源发展“十三五”规划》，2030年以前我国能源消费结构发展趋势，如图1-1所示。 煤炭是我国的基础能源，也是重要的工业原料，我国经济增长与煤炭生产和消费增长具有较大的相关性。虽然，近年来我国煤炭消费总量已出现转折，经济对煤炭消费的相关系数有所下降，但我国经济高度依赖煤炭的特征短时间内很难发生根本改变，煤炭供应的稳定与安全直接关乎我国国民经济运行的稳定与安全。同时，和我国经济一样，高强度、低水平的煤炭生产和消费模式已经终结，煤炭行业已然走向结构调整、精细化发展的新时期。生产的绿色化、无人化，利用的清洁化、低碳化成为煤炭行业的发展方向。 1.1.2　煤炭发展面临的重大挑战 1）经济可采的煤炭资源并不富余 我国煤炭资源总量丰富，但勘查程度低，详查储量占26%，普查储量占41%。可供建井的精查储量严重不足，仅占尚未利用资源量的12%。煤炭资源勘查现状不容乐观，基础地质勘查滞后，勘查程度低，煤炭资源保障程度低，已经成为制约煤炭现代化建设的瓶颈。另外，在已探明的5.57万亿t煤炭资源中，埋深在1000m以下的为2.95万亿t，约占已探明煤炭资源总量的53%，可经济可采的煤炭资源并不富余。 2）安全高效绿色开采面临地质条件复杂、采深逐年增加等多重压力 地质条件复杂，开采难度大。煤矿深部岩体长期处于高压、高渗透压、高地温环境，并受采掘扰动影响，使岩体表现出特殊的力学行为，并可能诱发以煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井突水、顶板大面积来压为代表的一系列重大灾害性事故，严重影响煤矿安全生产。目前我国煤矿开采深度以平均每年10～25m的速度向深部延伸。特别是在中东部经济发达地区，煤炭开发历史较长，浅部煤炭资源已近枯竭，许多煤矿已进入深部开采（采深800～1500m），煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害问题更加严重。 3）科学产能不足与当前产能总体过剩相矛盾 煤炭开采对生态环境影响较为严重。煤炭开采引起地表沉陷，并诱发地质灾害，造成土地挖损和占压，大量耕地损害，植被破坏、水土流失与土地荒漠化加剧，给矿区农业生产、人民生活及社会安定带来一定影响。 2016年以来煤炭行业化解过剩产能取得良好效果，但我国煤炭产能相对过剩的格局仍然存在。随着环境保护的要求日益提升，越来越迫切地要求煤炭实现绿色开采，而实现煤炭绿色开采的科学产能依然不足，科学产能总体水平依然较低，与世界先进采煤国家差距较大。 4）对煤炭的持续需求与当前不够清洁的利用方式相矛盾 我国能源资源禀赋和当前经济发展阶段，决定了未来相当长时期内煤炭仍将是我国的主体能源和基础能源。煤炭在能源结构中的比例会有所下降，但煤炭消费总量仍将保持在较高水平。我国煤炭中硫分和灰分含量较大，大气污染物排放量中约93%的SO2、70%的NOx和67%的烟粉尘排放都来自煤炭使用，使用散煤燃烧所产生的污染物量昀高达到污染物排放总量的 40%左右（图 1-2）。煤炭的持续需求与当前不够清洁的利用方式的矛盾迫切需要解决。 5）煤炭利用的低效率高排放与生态环境要求相矛盾 煤炭作为高含碳能源，利用过程中不可避免地带来碳排放。我国单位GDP的CO2排放量远高于发达国家，排放总量已居世界**位。随着对气候变化的认识逐步深入，生态环境的低碳要求日益明显，煤炭利用的碳排放问题备受重视。我国政府已向国际社会庄严承诺，力争 2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，必将对我国煤炭需求和利用方式产生重要影响。 1.1.3　煤炭未来开采理论与技术 煤炭革命的关键是依靠技术革命，科技发展的演替过程和规律决定了煤炭技术革命的阶段性，不同阶段的技术革命具有不同的标准和要求。煤炭未来开采的变革性理论与技术主要包括以下几种。 1）近零生态损害的智能化无人开采理论与技术 煤炭近零生态损害开采技术是在20世纪90年代提出的绿色生产技术基础上逐步发展起来的一项变革性技术。进入21世纪以后，全国煤炭年产量均超过30亿t，受煤炭开采影响的范围及影响强度越来越大，严重影响了矿区的生产生活环境，甚至威胁了人们的生命安全。因此，消除煤炭生产给生态环境带来的不利影响，实现行业的可持续发展，是科学开采的重要理念。 近年来，绿色生产技术初步实现了从“降低损害”到“恢复生态”的转变，同时将煤炭开发与生态环境治理进行统筹规划，逐步将生态环境治理转变为资源开发与生态环境保护协调的主动模式。随着建设生态文明和美丽中国要求的不断提升，力争在2050年全面实现煤炭资源的零生态损害开采。 2）近零污染物排放的清洁低碳利用理论与技术 煤炭近零排放利用是在20世纪80年代提出的洁净煤技术基础上逐步发展起来的一项变革性理论。为了解决煤炭利用中产生的污染问题，当时各国开始研究和推广应用洁净煤技术，进入21世纪以后，煤炭的清洁高效利用水平不断提高，SO2、NOx、烟尘等传统污染物的排放问题基本得到解决。国际上开始研究整体煤气化联合循环发电、多联产技术及CO2捕集和储存技术，包括CO2在内的“近零排放 ”成为重要研究课题。2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合发布《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》，推进燃煤发电的超低排放改造。煤炭近零排放利用成为我国煤炭利用发展的目标。 3）矿井建设（设计）与地下空间一体化利用理论与技术 我国进入了社会经济发展的新时代、新常态，传统产业转型升级去产能、去库存导致大量矿井关闭。按照传统模式退出后，地面大型工业广场和井下大量设备设施被闲置，直接造成数万亿元地面地下固定资产的废弃和浪费，间接造成宝贵的地质和矿业遗址的损坏。退出煤矿大多存在多元灾害风险，对生态环境构成一定的损害。针对这一问题，谢和平院士提出了矿井建设（设计）与地下空间一体化利用的变革性理论与技术，即结合矿井地下空间的特点，从矿井设计开始进行规划，在矿井建设过程中，构建地下与地面联通的立体网络，充分利用矿井的地下空间和能源供应优势，建设地下生态城市，构建地下生态圈系统，昀大限度地发挥地下空间的价值。 4）深部流态化开采的颠覆性理论与技术构想 向地球深部进军已成为我国现在和未来面临的重大战略科技问题，国家正在启动的面向 2030国家重大科技项目“地球深部探测”提出深地科学钻探深度将突破13000m，深部资源开采目标为油气10000m、热6000m、固态资源3000m。特别是高效开采2000m以深的固体资源必须突破现有的开采方法、开采理论和开采技术，迫切需要构建颠覆性深部资源开采理论与技术。基于此，谢和平院士首次提出 “深地煤炭资源流态化开采的颠覆性理论与技术构想 ”，其核心是由传统的 “井下只挖煤 ”转变为“井下深部原位实现挖煤、电、热、气一体化综合开发利用 ”，实现对深地煤炭资源的采、选、冶、充、电、气的原位、实时和一体化开发，实现深地煤炭资源开发的 “地上无煤、井下无人 ”的绿色环保开采目标。 1.2 研究背景及意义 1.2.1　煤矿安全事故分析 近年来，我国煤矿安全生产状况总体稳定、好转，但重大事故仍有发生，煤矿安全生产形势依然严峻。近 10年全国煤矿事故死亡人数如图1-3所示。 2012～2020年数据来源于西南证券研究发展中心《计算机行业智能矿山专题报告：行业景气度上行，步入成长快车道》；2021年数据来源于中国煤炭工业协会 大量实践表明：许多煤矿重大事故的发生及其有效控制，都与岩层运动及其所处的应力条件密切相关。其中，与岩层运动直接相关的事故，包括冒顶事故、顶板事故、透水事故等，与采动后顶板岩层的破坏密切相关；与应力条件直接相关的事故，包括煤与瓦斯突出、冲击地压和底板突水等，其应力条件的实现是在一定采动条件下岩层运动和破坏的结果。 由于对矿山压力及岩层运动规律掌握不清，控制方法与岩层运动不相适应，每年浪费在回采工作面顶板控制和巷道维护上的人力和财力巨大。因此，结合我国煤矿特点进行矿山岩层控制的相关研究，是关系到煤矿安全生产及提高经济效益的大事。 1）顶板事故 根据国内外煤矿事故的统计资料，顶板事故占有较大的比例。据不完全统计，2001～2008年，全国煤矿共发生顶板事故4653起，占煤矿事故总数的51.49%；死亡6173人，占煤矿总死亡人数的26.36%①。2013～2017年，全国共发生顶板事故 760起，占煤矿事故总数的39.1%；死亡1000人，占总死亡人数的28.6%②。虽然事故数和死亡人数较往年有所减少，但是矿井顶板事故仍然是影响矿山安全生产和健康发展的主要原因之一。 2）冲击地压 随着我国对煤炭资源需求量的不断增大，煤矿的开采深度也不断增大，承受巨大地压的围岩突然破坏失稳而造成的冲击地压危害日益显现。冲击地压以其突然、急剧、猛烈的破坏特征（图1-4），严重威胁着矿山的安全生产，徐州、北京、大同、义马、平顶山、兖州、枣庄、新汶、开滦、华亭、抚顺、阜新、七台河、鹤岗等矿区都相继发生过冲击地压，给我国煤矿造成了很大的经济损失和人员伤亡。例如，2011年11月3日，河南省义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿发生一起重大冲击地压事故，造成10人死亡、64人受伤，直接经济损失2748.48万元；2018年10月20日，山东龙郓煤业有限公司发生重大冲击地压事故，造成 21人死亡、4人受伤。 3）透水事故 煤层采动后，受矿山压力的