1、l一、煤炭資源的深部開采一、煤炭資源的深部開采l二、深部開采面臨的新問題二、深部開采面臨的新問題l三、深部開采對煤礦機械設備的新要求三、深部開采對煤礦機械設備的新要求 l一、煤炭資源的深部開采一、煤炭資源的深部開采 從目前我國煤礦開采的總體情況看，淺部煤炭資源正逐從目前我國煤礦開采的總體情況看，淺部煤炭資源正逐步走向枯竭，開采深度日益增加。步走向枯竭，開采深度日益增加。 深部開采礦井分類：深部開采礦井分類： 美國美國5000英尺英尺(1554 m)或以上?；蛞陨?。 南非南非超過超過1500 m。 俄羅斯俄羅斯600-800m(第第1類類), 800-1000(第第2類類);1000 m以上以上

2、(第第3類類)。 波蘭波蘭超過超過800 m。 德國德國900-1400m。 日本日本600m。 我國我國采深采深800m及以上為深部開采；及以上為深部開采； 軟巖礦井采深軟巖礦井采深600m及以上為深部開采。及以上為深部開采。 目前中國煤炭開采以每年目前中國煤炭開采以每年1010米左右的速米左右的速度向深部延伸，東部礦井更是達到了每年度向深部延伸，東部礦井更是達到了每年10102525米，已有部分礦井進入深部開采階段，米，已有部分礦井進入深部開采階段，如沈陽礦區紅陽三礦已達到如沈陽礦區紅陽三礦已達到-1100m-1100m，新汶礦，新汶礦區孫村礦采深為區孫村礦采深為-1200m-1200m，

3、淮南礦區望峰崗礦，淮南礦區望峰崗礦達到達到-1300m-1300m。 未來未來1010年內，我國將有相當數量礦井進年內，我國將有相當數量礦井進入深部開采。入深部開采。 不完全統計，國有煤礦不完全統計，國有煤礦中最終采深大于中最終采深大于800m的的礦井有礦井有171個。個。l 深井（深井（8001200m）141個，個，l 特深井（特深井（1200m）30個個。類型類型最終采最終采深范圍深范圍/m礦井數目礦井數目平均平均采深采深/m礦井數礦井數比例比例/%深井深井800119980089990099910001099110011991415341331423.548.856.845.512.3

4、4947.00845.49945.271029.971140.79特深井特深井120016001200129913001399140014993020645.013.341.000.671283.631234.101340.331446.25埋深小于埋深小于2000m的煤炭資源總量的煤炭資源總量為為5.57萬億萬億t。埋深在埋深在10002000m的預測資源的預測資源占預測總量近占預測總量近60%。 隨著煤炭開采的發隨著煤炭開采的發展和可采儲量的逐展和可采儲量的逐年減少，深部開采年減少，深部開采成為煤礦生產的必成為煤礦生產的必然。然。 年年平均采深平均采深/m深部開采趨勢深部開采趨勢l二、深部

5、開采面臨的新問題二、深部開采面臨的新問題l 深部地應力問題深部地應力問題 l 深部巖石脆深部巖石脆- -延轉化問題延轉化問題 l 深部巖石變形的時間效應問題深部巖石變形的時間效應問題 l 深部采場礦壓增大問題深部采場礦壓增大問題 l 深部采場地溫增高問題深部采場地溫增高問題l 深部瓦斯壓力增大問題深部瓦斯壓力增大問題l 深部動力災害問題深部動力災害問題 深部開采特征及主要問題深部開采特征及主要問題 l 煤礦深部開采特征：煤礦深部開采特征：空間范圍擴大、開采擾動強烈、介質空間范圍擴大、開采擾動強烈、介質屬性特殊、工程響應復雜等。屬性特殊、工程響應復雜等。l 主要問題：主要問題：巷道變形劇烈、地溫

6、增高、瓦斯高度積聚、瓦巷道變形劇烈、地溫增高、瓦斯高度積聚、瓦斯壓力增大、采場礦壓增大、采場失穩加劇，瓦斯突出、沖斯壓力增大、采場礦壓增大、采場失穩加劇，瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水、高溫熱害等礦井重大災害將日益嚴重。擊地壓、礦井突水、高溫熱害等礦井重大災害將日益嚴重。u 2001，香山科學家會議（北京），深部高應力下的資源開采與地下工程。，香山科學家會議（北京），深部高應力下的資源開采與地下工程。u 2003，國家自然科學基金重大項目：深部巖體力學基礎理論研究與應用。，國家自然科學基金重大項目：深部巖體力學基礎理論研究與應用。u 2004，國際會議（加拿大），展示了關于深部開采的最新研究成果

7、。，國際會議（加拿大），展示了關于深部開采的最新研究成果。u 2004，香山科學家會議（北京），深部地下空間開發利用跨學科學術交流。，香山科學家會議（北京），深部地下空間開發利用跨學科學術交流。u 2010，973計劃項目：計劃項目：煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究。煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究。 深部地應力問題深部地應力問題 l 垂直地應力，隨深度增加近似呈線性垂直地應力，隨深度增加近似呈線性增大。增大。l 水平地應力，埋深在水平地應力，埋深在1000m范圍內時范圍內時，水平應力為垂直應力的，水平應力為垂直應力的1.55.0倍，埋倍，埋深超過深超過1000m時，水平應

8、力為垂直應力時，水平應力為垂直應力的的0.52.0。l 深部地應力變化規律與淺部明顯不同深部地應力變化規律與淺部明顯不同。 深部巖石脆深部巖石脆- -延轉化問題延轉化問題 l巖石在不同圍壓下表現出不同的巖石在不同圍壓下表現出不同的峰后特性，在較低圍壓下表現為峰后特性，在較低圍壓下表現為脆性的巖石可以在高圍壓下轉化脆性的巖石可以在高圍壓下轉化為延性。為延性。l隨著深度的增加，當巖層中壓力隨著深度的增加，當巖層中壓力和溫度達到一定條件時，巖石即和溫度達到一定條件時，巖石即發生脆發生脆- -延轉化。延轉化。 深部巖石變形的時間效應問題深部巖石變形的時間效應問題 l深部高應力環境下，巖石具有深部高應力

9、環境下，巖石具有更強的時間效應，表現為明顯更強的時間效應，表現為明顯的流變或蠕變。的流變或蠕變。l一般認為優質硬巖不會產生明一般認為優質硬巖不會產生明顯的流變，但在深部高地應力顯的流變，但在深部高地應力條件下情況有所不同。條件下情況有所不同。 深部礦壓增大問題深部礦壓增大問題l礦山壓力增大是礦井深部開采中普遍存在礦山壓力增大是礦井深部開采中普遍存在的問題。的問題。l主要表現為開拓巷道的圍巖變形量增加、主要表現為開拓巷道的圍巖變形量增加、維護困難。維護困難。l開采深度每增加開采深度每增加100m100m，巷道頂底板移近量，巷道頂底板移近量增加增加7%7%，導致巷道維護困難。，導致巷道維護困難。l

10、特別對于圍巖松軟的礦井，這個問題更加特別對于圍巖松軟的礦井，這個問題更加突出。突出。 深部地溫增高問題深部地溫增高問題 l一般來說，開采深度每增加一般來說，開采深度每增加100m，圍，圍巖溫度增高巖溫度增高35C。l深度達到深度達到1000m時，圍巖溫度將達到時，圍巖溫度將達到3050。l如果采掘工作面溫度超過如果采掘工作面溫度超過30，按照，按照安全生產操作規程規定，必須采取降安全生產操作規程規定，必須采取降溫措施。溫措施。 深部瓦斯壓力增大問題深部瓦斯壓力增大問題 l瓦斯含量與煤層埋藏深度有極其重要的瓦斯含量與煤層埋藏深度有極其重要的關系，因為煤化作用的程度與煤層埋藏關系，因為煤化作用的程

11、度與煤層埋藏深度密切相關。深度密切相關。l深部環境下瓦斯積聚加劇，瓦斯壓力增深部環境下瓦斯積聚加劇，瓦斯壓力增大；深部開采時瓦斯涌出量一般比較大大；深部開采時瓦斯涌出量一般比較大，有些礦井可能出現煤與瓦斯突出的現，有些礦井可能出現煤與瓦斯突出的現象。象。 深部開采動力災害問題深部開采動力災害問題 l采深增加，引起動力災害危險性增采深增加，引起動力災害危險性增大，巖爆、礦震、沖擊地壓瓦斯突大，巖爆、礦震、沖擊地壓瓦斯突出等動力災害次數和強度增大。出等動力災害次數和強度增大。動畫播放動畫播放l三、深部開采對煤礦三、深部開采對煤礦 機械設備的新要求機械設備的新要求 深部開采面臨的新問題，必深部開采面

12、臨的新問題，必然對煤礦機械設備提出新要求。然對煤礦機械設備提出新要求。l 煤礦機械屬于機械的一個大的分類，因煤礦分為露天煤礦機械屬于機械的一個大的分類，因煤礦分為露天開采和井下開采，其設備就自然的分為露天煤礦機械和井開采和井下開采，其設備就自然的分為露天煤礦機械和井下煤礦機械。下煤礦機械。l 井下機械設備：采煤設備、輸送設備、通風設備、巷井下機械設備：采煤設備、輸送設備、通風設備、巷道掘進設備、巷道支護設備、瓦斯探放設備等。道掘進設備、巷道支護設備、瓦斯探放設備等。 采煤設備：采煤機、交流變頻調速電牽引采煤機、連續采煤機。采煤設備：采煤機、交流變頻調速電牽引采煤機、連續采煤機。 輸送設備：皮帶

13、機、刮板輸送機。輸送設備：皮帶機、刮板輸送機。 巷道掘進設備：巖石掘進機、半煤巖掘進機、硬巖掘進機。巷道掘進設備：巖石掘進機、半煤巖掘進機、硬巖掘進機。 巷道支護設備：液壓錨桿鉆機、氣動錨索錨桿鉆機、氣動幫錨桿巷道支護設備：液壓錨桿鉆機、氣動錨索錨桿鉆機、氣動幫錨桿鉆機、支腿式氣動幫錨桿鉆機、架柱支撐氣動手持式鉆機。鉆機、支腿式氣動幫錨桿鉆機、架柱支撐氣動手持式鉆機。 瓦斯探放設備：氣動架柱式錨桿鉆機、煤礦用坑道鉆機、煤礦用瓦斯探放設備：氣動架柱式錨桿鉆機、煤礦用坑道鉆機、煤礦用泥漿泵。泥漿泵。l 在煤炭行業長期發展過程中，煤礦機械設備也不在煤炭行業長期發展過程中，煤礦機械設備也不斷改進、完善

14、和更新，以適應地質條件的變化和開斷改進、完善和更新，以適應地質條件的變化和開采技術的發展。采技術的發展。l 目前普遍使用的煤礦機械設備對淺部開采是比較目前普遍使用的煤礦機械設備對淺部開采是比較成熟的，在煤炭生產過程中發揮了巨大作用。成熟的，在煤炭生產過程中發揮了巨大作用。l 對于逐漸出現的深部開采條件，需廣泛調研，結對于逐漸出現的深部開采條件，需廣泛調研，結合深部巖體特性，深入研究其適用性。合深部巖體特性，深入研究其適用性。目前普遍使用的煤礦機械設備的改進，目前普遍使用的煤礦機械設備的改進，研制適用于深部開采的新設備。研制適用于深部開采的新設備。 在進入深部開采階段，煤礦機械逐漸暴露出在進入深

15、部開采階段，煤礦機械逐漸暴露出很多問題。很多問題。（1 1）體積大，重量大，對地質條件變化的適應）體積大，重量大，對地質條件變化的適應性差。性差。 過于龐大、笨重，機械運轉不靈活、搬過于龐大、笨重，機械運轉不靈活、搬遷受到限制、能耗大、使用壽命短，對地質遷受到限制、能耗大、使用壽命短，對地質條件變化的適應性很差。特別是煤礦進入深條件變化的適應性很差。特別是煤礦進入深部開采階段，深部開采的地質條件與淺部有部開采階段，深部開采的地質條件與淺部有明顯不同，現有機械設備對深部開采的地質明顯不同，現有機械設備對深部開采的地質條件的適應性需要進行重新論證。條件的適應性需要進行重新論證。（2 2）機械材料的

16、材質問題）機械材料的材質問題 鋼鐵性質一直是困擾機械制造行業的難鋼鐵性質一直是困擾機械制造行業的難題，材質好的鋼鐵價格較高，使機械產品制題，材質好的鋼鐵價格較高，使機械產品制造成本較高，缺乏競爭力；普通材質的鋼鐵造成本較高，缺乏競爭力；普通材質的鋼鐵制作的機械產品，在熱處理工藝上很難達到制作的機械產品，在熱處理工藝上很難達到滿意的程度，熱處理工藝技術上也和國外有滿意的程度，熱處理工藝技術上也和國外有較大的差距。較大的差距。 要求采煤機的截割效率更高、綜采工要求采煤機的截割效率更高、綜采工作面推進速度更快作面推進速度更快 順槽支護設備支撐強度更高順槽支護設備支撐強度更高 要求支架的支撐力和抗沖擊

17、能力更強要求支架的支撐力和抗沖擊能力更強 自動化程度（無人工作面）自動化程度（無人工作面）l 綜采設備綜采設備l 綜掘裝備綜掘裝備 推進速度快（掘錨一體機）推進速度快（掘錨一體機） 自動化程度高、無線遠程遙控，自動化程度高、無線遠程遙控，無人掘進機工作面無人掘進機工作面 大功率掘進機（硬巖掘進機）大功率掘進機（硬巖掘進機） 綜采綜掘設備綜采綜掘設備u 采煤機械即各種形采煤機械即各種形式的采煤機，其主要式的采煤機，其主要功能由截割部的零部功能由截割部的零部件實現。件實現。u 不同的煤層結構和不同的煤層結構和煤質對采煤機的要求煤質對采煤機的要求也不同。也不同。u 采煤機截齒的設計采煤機截齒的設計應

18、與深部煤體脆應與深部煤體脆- -延延轉化特性相適應。轉化特性相適應。鎬型截齒鎬型截齒 刀型截齒刀型截齒 U62耐磨截齒耐磨截齒 綜采綜掘設備綜采綜掘設備 掘進機和錨桿機一體化安裝掘進機和錨桿機一體化安裝結構，實現機械化錨桿支護結構，實現機械化錨桿支護；實現掘進與錨桿支護的連；實現掘進與錨桿支護的連續作業，提高工作效率；續作業，提高工作效率； 采用電液換向閥、采用電液換向閥、PLC控制控制技術，實現掘進全部功能遙技術，實現掘進全部功能遙控操作控操作 綜采綜掘無人工作面綜采綜掘無人工作面大功率掘進機（硬巖掘進機）大功率掘進機（硬巖掘進機） 綜采綜掘設備綜采綜掘設備u 綜采綜掘低功率運行設備綜采綜掘

19、低功率運行設備帶式輸送機帶式輸送機 采煤機截割低能耗設計采煤機截割低能耗設計 掘進機截割低能耗設計掘進機截割低能耗設計 綜采綜掘設備綜采綜掘設備u 適合復雜地質條件適合復雜地質條件下的綜采綜掘設備。下的綜采綜掘設備。u 適合深部開采薄煤適合深部開采薄煤層開采設備。層開采設備。u 研究地下圍巖應力研究地下圍巖應力監測的新設備、新技監測的新設備、新技術。術。薄煤機采煤機薄煤機采煤機 1米以下含硫米以下含硫化鐵結核薄化鐵結核薄煤機采煤機煤機采煤機刨煤機刨煤機 l 提升設備提升設備 負荷增加：由于提升高度增大，其提升載荷也相應增大；為了負荷增加：由于提升高度增大，其提升載荷也相應增大；為了 保證生產能

20、力，需要提高運行速度，因而動負荷增加保證生產能力，需要提高運行速度，因而動負荷增加 裝卸載速度提高：為縮短提升周期、要求提高裝卸載速度裝卸載速度提高：為縮短提升周期、要求提高裝卸載速度 要求檢測控制系統的精度與可靠性更高、自動化程度更高要求檢測控制系統的精度與可靠性更高、自動化程度更高 采用輕質高強度材料制造提升容器采用輕質高強度材料制造提升容器 進一步研究提升設備系統動力學特征進一步研究提升設備系統動力學特征 提升設備提升設備u 提升載荷相應增大，為保提升載荷相應增大，為保證生產能力，需要提高運行證生產能力，需要提高運行速度，為了縮短提升周期、速度，為了縮短提升周期、要求提高裝卸載速度。要求

21、提高裝卸載速度。u 研究提升設備系統動力學研究提升設備系統動力學特征。特征。u 要求檢測控制系統的精度要求檢測控制系統的精度與可靠性更高、自動化程度與可靠性更高、自動化程度更高。更高。u 采用輕質高強度材料制造采用輕質高強度材料制造提升容器。提升容器。礦用大型提升機動力學監控理論與礦用大型提升機動力學監控理論與 技術技術 通風設備與瓦斯抽采設備通風設備與瓦斯抽采設備 在正常的條件下，采用工作面上行通風、采區折返通風系在正常的條件下，采用工作面上行通風、采區折返通風系統的礦井比較多。統的礦井比較多。 對于瓦斯涌出量較大的礦井，采用上述方案經常出現風流對于瓦斯涌出量較大的礦井，采用上述方案經常出現

22、風流中瓦斯超限、瓦斯積聚、工作面和巷道中風速過大問題，且中瓦斯超限、瓦斯積聚、工作面和巷道中風速過大問題，且采區漏風量比較大。采區漏風量比較大。 為解決礦井深部開采瓦斯涌出量比較大的問題，當前國內為解決礦井深部開采瓦斯涌出量比較大的問題，當前國內外多數礦井試行了工作面下行通風、采區內區改直線通風系外多數礦井試行了工作面下行通風、采區內區改直線通風系統的方式。統的方式。 為適應深部開采條件，就需要改造通風系統，改進通風機為適應深部開采條件，就需要改造通風系統，改進通風機械、瓦斯抽采設備和煤層注水設備的性能。械、瓦斯抽采設備和煤層注水設備的性能。 通風設備通風設備風機風機風門風門風筒風筒 瓦斯抽采

23、設備瓦斯抽采設備 巷道支護設備巷道支護設備 根據礦井深部壓力特點，巷道掘進根據礦井深部壓力特點，巷道掘進后圍巖移動速度在后圍巖移動速度在1045后才能顯著后才能顯著減小。所以采用混合支護時，錨桿在掘減小。所以采用混合支護時，錨桿在掘進后要盡快安裝，而支撐式支架則在巷進后要盡快安裝，而支撐式支架則在巷道掘進后道掘進后1015后安裝。后安裝。 巷道支護設備巷道支護設備 耿村礦錨網索耿村礦錨網索+36U型鋼拱形棚復合支護型鋼拱形棚復合支護控制巷道底臌的單體支柱復合支護控制巷道底臌的單體支柱復合支護深部大斷面酮室高強穩定型支護深部大斷面酮室高強穩定型支護W鋼帶組合錨桿支護千米深井巷道狀況鋼帶組合錨桿支

24、護千米深井巷道狀況 工作面支護設備工作面支護設備 XZ7000 /2S 5 /50型履帶行走式液壓支架型履帶行走式液壓支架ZY8800/17/35D液壓支架液壓支架ZF8000/22/35型液壓支架型液壓支架綜放面液壓支架綜放面液壓支架 巷道支護設備巷道支護設備 鋼纖維混凝土噴射支護技術。鋼纖維混凝土噴射支護技術。 對于深部煤巖體脆對于深部煤巖體脆- -延轉化特性、變形的時間效應和深延轉化特性、變形的時間效應和深部采場礦壓大的特點，該項技術是比較適用的。部采場礦壓大的特點，該項技術是比較適用的。 目前國內雖然有個別礦井開展了相關的應用研究，由目前國內雖然有個別礦井開展了相關的應用研究，由于受多

25、種因素的制約，主要是受配套設備的制約，沒有得于受多種因素的制約，主要是受配套設備的制約，沒有得到推廣，因此需要研制相應的配套設備。到推廣，因此需要研制相應的配套設備。微鋼纖維微鋼纖維 扭曲型鋼纖維扭曲型鋼纖維 剪切型鋼纖維剪切型鋼纖維 冷拉波浪型鋼纖維冷拉波浪型鋼纖維 巷道支護設備巷道支護設備 l 改變傳統的支護理念。改變傳統的支護理念。l 研制新設備，建立新的支護體系。研制新設備，建立新的支護體系。l 高速沖擊吸能支護技術，通過將研制的高速吸能材料制成高速沖擊吸能支護技術，通過將研制的高速吸能材料制成合理結構，與支護設備巧妙結合，形成新型支護設備。合理結構，與支護設備巧妙結合，形成新型支護設

26、備。閉孔泡沫鋁閉孔泡沫鋁Al matrix CCAF閉孔鋁硅閉孔鋁硅6基基Al-Si6 CCAF閉孔鋁硅閉孔鋁硅12基基Al-Si12 CCAF閉孔泡沫鎂閉孔泡沫鎂Mg matrix CCAF鋁纖維合金鋁纖維合金Al-fiber alloys鋁稀土合金鋁稀土合金RE-Al alloys應力應變曲線應力應變曲線吸能特性實驗曲線吸能特性實驗曲線實驗裝置實驗裝置l 適應深部熱害與環境設備適應深部熱害與環境設備高溫（對人員的危害）高溫（對人員的危害）對設備腐蝕（新材料）對設備腐蝕（新材料）巖石圍巖石、環境對設備影響巖石圍巖石、環境對設備影響 井下熱害處理設備井下熱害處理設備 l 但是隨著采深的增加，不

27、同程度地遇到一些問題，因但是隨著采深的增加，不同程度地遇到一些問題，因而其發展趨勢應是研究一種工程實用的隔熱材料，噴射而其發展趨勢應是研究一種工程實用的隔熱材料，噴射到巷道表面阻止巖溫的輻射、傳導；到巷道表面阻止巖溫的輻射、傳導；l 研究一種經濟實用的空氣冷卻工作服進行個體防護；研究一種經濟實用的空氣冷卻工作服進行個體防護；l 綜合考慮各種因素研制適用于深井的通風冷卻系統以綜合考慮各種因素研制適用于深井的通風冷卻系統以便尋求出一種有效的防止熱害的方法。便尋求出一種有效的防止熱害的方法。 ZJL-450礦用制冷系統礦用制冷系統 任樓煤礦使用井下降溫設備任樓煤礦使用井下降溫設備 開發井下降溫設備開發井下降溫設備 深部動力災害的監測預警設備深部動力災害的監測預警設備 隨采深的增加，巖石破壞機理隨之轉化，礦山動力災害隨