高河煤矿水体下“综采放顶煤”开采可行性研究

高河煤矿水体下“综采放顶煤”开采可行性研究 高河煤矿水体下“综采放顶煤”开采可行性 研究 2009年第3期总第1t期 陕西能源职业技术学院 JournalofShaanxiEnergyInstituteNo.11Sum.32009 高河煤矿水体下"综采放顶煤"开采可行性研究 魏军贤,陈引锋 (1.山西高河能源有限公司,山西长治047100; 2.陕西能源职业技术学院地质测量系,陕西成阳712000) 摘要:本文结合国内水体下采煤经验,在分析研究了潞安集团高河煤矿矿井充水因 素,覆岩结构,导水裂隙 带和计算防水安全煤岩柱等工作的基础上,对漳河下采用"分层综采"与采用"综采 放顶煤"技术开采3煤层 可行性进行了,最终选定"综采放顶煤"一次采全厚. 关键词:水体下采煤;导水裂隙带;分层综采;综采放顶煤 中图分类号:TD823.83文献标识码:A文章编号:9527(2009)一03—11—04 FeasibilitystudyofGaohecoalminetopcoalcavingunderZhangheriver WEIJun—xian.CHENYin—feng (1.ShaanxiGaoheEnergyCompany,Ltd.Changzhi047100,China; 2.DepartmentofGeologicalSurvey,ShaanxiEnergyInstitute,Xianyang712000,China) Abstract:Theauthorevaluatesthefeasibilityofthefullymechanizedsliceminingtechniqueandfullymechanized topcoalcavingtechniqueof#3coalseamundertheZhangheRiveronthebaseofdomesticexperiencesofmining underwaterstrataandanalysisofcoalminewaterfillingfactors,overburdenstructures,waterconductedfractured zonesandwaterproofsafetycoalpillarcalculationofGaohecoalmine,LuhnGroup.Themini ngtechniqueisfinal— izedastopcoalcavingtechniqueforthefullseammining. Keywords:coalminingunderwaterstrata;waterconductedfracturedzone;fullymechanized sliceminingtech— niqu;fullymechanizedtopcoalcavingtechnique 0引言 高河煤矿为潞安集团和亚美大陆公司合资建设 的现代化特大型矿井.生产能力为6Mt/a,竖 井盘区式开拓方式,采用先进的辅助运输方式和长 壁大采高综采放顶煤方法开采. 该矿井计划在2009年底投产,但首采区就面临 浊漳河及其支流淘清河下以及新生界厚松散含水层 下采煤的问题.而整个井田又被新生界厚含水松散 层覆盖,厚度约150m左右.全井田新生界松散层 无稳定的粘土隔水层存在,新生界下部基岩还有50 , 60m厚中等富水的基岩风化带,水压高.由于井 田为由宽缓的褶曲和次生断层,陷落柱所形成的特 殊构造,煤层开采时有可能导通新生界松散层水 (含基岩风化带水)和煤层底板奥灰水,所以煤层水 文地质条件极为复杂,开采难度很大.为了能够安 全进行水体下3煤层的开采,确定河下与厚含水松 散层下开采方案甚为紧迫. 1地表水体和矿井充水因素分析 1.1地表水体 高河煤矿位于太行山西麓沁水煤田长治盆地的 西侧,潞安矿区南部.年平均降雨595mm,多集中 在7,8月份.井田内地表水系发育,在井田北部的 岚水河为浊漳河支流,发源于屯留县的盘秀山,自西 向东流经井田,在井田内长度为6.5km,在井田外的 店上村与浊漳河汇合.井田内浊漳河自西南向东北 从井田中部经首采盘区地表流过,在井田内河长 14.5km,河床宽50,200m,河深0.5,1.00m,枯水 期平均流量为0.513m/s,最小流量为0.1343m/s, 收稿日期:2009.5.28 作者简介:魏军贤(1976一),男,江苏邳县人,大学本科,师,国家一级注册建造师,. 主要从事地质研究与矿井建设技术管 理工作. 12陕西能源职业技术学院 最大流量为4.5337m/s.百年遇洪水位为 912.20m,洪峰流量为4932m/s,水面宽为620m. 浊漳河下游矿井北界外约5km处有漳泽水库,总库 容1.99亿立方米.在首采盘区通过的淘清河,为浊 漳河支流,属季节性河流,在井田内与浊漳河汇合. 井田北部岚水河及浊漳河下游最低浸蚀基准面标高 为902.2m,在首采盘区浊漳河河床最低标高为 907m.地表水体分布具体见图1. 1.2矿井充水因素初步分析 图1高河煤矿地表水体分布图 在矿井首采盘区3煤层开采最高标高560m,最 低标高430m,按浊漳河河床井田内最低标高902m 计算,最小采深342m左右,新生界松散层平均厚 140m左右,基岩最小厚度202m左右.3煤层下距 奥陶系灰岩顶面100m左右,全区均为在奥灰水位 上开采.在正常条件下开采3煤层,以二迭系砂岩 含水层充水为主,因都属弱含水层,充水量有限,原 则上不影响矿井生产.而河水,新生界松散层水和 基岩风化带水不会形成对矿井直接充水影响,但可 以成为矿井充水的间接补给水源. 为了更好的分析高河煤矿地表水体,松散层水 体和基岩风化带水体所形成的复合水体下3厚煤 层开采的可行性,确定合理的开采方案,主要参考了 国内地表大型水体下采煤的一些成功实例. 2覆岩结构分析 浊漳河下开采为复合水体下开采,地表水体下 的新生界松散层水体厚度较大,而与其下基岩风化 带之间无稳定连续沉积的粘土有效隔水层存在,二 者水力联系情况比较复杂,按不利条件考虑,二者有 水力联系.而基岩风化带深50m左右,也含水.按 "三下采煤规程",不允许煤层采动后所形成的 导水裂缝带波及水体底界.而煤层采后导水裂缝带 高度与开采煤层上覆岩层岩性密切相关,为了预测 导水裂缝带最大高度,必须对覆岩结构和岩性进行 分析. 3煤层上覆地层是由泥岩,砂质泥岩和各类粗, 中,细,粉砂岩相互沉积而成.对3煤层顶板上覆 岩层岩性的统计结果见表1. 表1高河煤矿主井筒实测柱状岩性统计表 从上表可看出泥岩占基岩柱38.4l%,其余各 类砂岩和砂质泥岩所占比重为61.59%.3煤层顶 板泥岩的单向抗压强度为21.71~27.4MPa,砂质泥 岩为40.4MPa,粉砂岩为32.6,34.7MPa,各类粗, 中,细砂岩为60.2,63.6MPa;采用厚度加权计算整 个基岩柱的单向抗压强度平均值为52.7MPa,按 "三下采煤规程"规定,中硬覆岩平均单向抗压强度 加权平均值为20,40MPa,坚硬覆岩平均单向抗压 强度为40,60MPa,对照高河矿3煤顶板岩层的力 学试验结果,其覆岩类型属"中硬偏硬"型.可以采 用临近的潞安集团五阳煤矿3煤层采后的导水裂 缝带高度发展规律:"分层综采"(分层采厚3m左 右)导水裂缝带最大高度的经验公式计算: Hi:20.67M +10 4n +10(2) ——预计导水裂缝带最大高度(m); 式中:刎 第3期魏军贤:高河煤矿水体下"综采放项煤"开采可行性研究13 开采煤层的累计采厚(/'r/,);——煤层开采的 分层数. 3防水安全煤岩柱尺寸的确定 图2高河煤矿首采盘区地表河流及新生界等厚线 图2高河煤矿首采盘区地表河流及新生界等厚线 根据"三下采煤规程"要求,确定河下采煤防水 安全煤岩柱尺寸时,考虑地表采动渗透性增高区的 深度,可根据地表下沉盆地拉伸区的裂缝深度计算, 高河井田首采盘区新生界松散层厚为80,140m(见 图2).所以3煤层采后所形成的地表裂缝不会切 穿新生界地层,河水不会对基岩地层形成直接补给, 采动后的新生界地层原始渗透性就整体而言不会发 生变化,和河水的关系依旧.根据"三下采煤规程" 规定,可以采用下式计算防水安全煤岩柱尺寸. Hsh=Hli+lib+Hfe(3) 式中:胁——地表水体下防水安全煤岩柱垂高 (m); m——保护层厚度,对于分层开采可取6 倍分层厚度;对于综放一次采全 高,根据国内兖州,开滦等矿区经 验可取2—3倍煤厚. —— 河床下基岩风化带深度,根据高 河矿和潞安矿区其它矿数据,其 含水基岩风化带深度取50m. 剧——为预计的煤层采后导水裂缝带高 度(m),可按(1)和(2)式进行计 算. 在计算导水裂缝带最大高度时,要用到煤层有 效采厚M和开采分层数n,首采盘区3煤层平均厚 6.66m(含夹矸0.26m).设计的工作面回收率为 85%,考虑到综放有一定含矸,选用90%的回收率 计算3煤层有效采厚:即M=6.66×0.9=5.994m, 取6m做为煤层有效采厚,取煤层平均厚度做为计 算导水裂缝带高度和保护层厚度的依据.3煤层按 "分层综采"和综放一次采全高采用上述公式(I) (2)(3)计算的结果见表2. 表2导水裂隙带高度和防水安全煤岩柱尺寸预计 从表2可以看出3煤层采用分二层综采(分层 采高3.33m),预计的导水裂缝带最大高度为 107.36m,所需的防水安全煤岩柱垂高为175.36m; 而综放一次采全厚6.66m,其最大导水裂缝带高度 预计值为153.23m,所需防水安全煤岩柱垂高为 14陕西能源职业技术学院 221.23m. 4河下开采方案的选择 从防水安全煤岩柱的计算结果上看,"分层综 采"方案裂高预计为107.36m,所需防水安全煤岩柱 垂高为175.36m,而首采盘区基岩有效岩柱尺寸为 260m,其顶面上尚有84.64m安全岩柱.从水体下 采煤安全和减少矿井涌水量考虑,首采盘区采用 "分层综采"好,在同样采厚条件下,可以抑制导水 裂缝带高度的扩展,另外还可以利用顶层的观测资 料指导底层开采,有一个比较安全循序渐进的过程. "分层综采"最大优点是回收率高,煤质混矸少,原 煤灰份低,不易自燃,工作面装备少,工序简单,机头 机尾支护相对简单易于管理;其缺点是巷道掘进率 高,巷道维护费增加,上分层需铺设人工假顶,增加 工作面采煤作业循环时问和生产成本,对地质构造 特别是小断层适应性差,煤层厚度变化大,容易丢 煤,增加了一次工作面设备搬家和安装."分层综 采"单产低,效率低,效益差. 采用"综采放顶煤"一次采全厚6.66m预计的 最大导水裂缝带高度为153.23m,所预计最大防水 安全煤岩柱垂高为221.23m,与该区最小岩柱260m 厚比较,导水裂缝带顶界面上尚有38.77m的安全 岩柱.所以首采盘区3煤层采用"综采放顶煤"一 次采全厚的岩柱尺寸也符合"三下采煤规程"的要 求,但因一次采厚大,覆岩破坏高,切割覆岩中含水 层多,相对讲有可能其工作面涌水量比"分层综采" 大. "综采放顶煤"采煤方法的缺点是覆岩破坏高, 煤炭回收率低,设备多,管理复杂,易混入矸石,原煤 灰份高,过风断面小,不利于瓦斯稀释,对工作面通 风要求较严,丢弃空区煤容易自燃发火,对高瓦斯煤 层开采安全威胁大;优点是单产高,效率高,经济效 益好,适合于高产,高效矿井应用.目前随着科技进 步,潞安矿区从20世纪90年代开始用"综采放顶 煤"取代"分层综采",并取得了较好的技术经济效 果. 综合考虑高河煤矿浊漳河下采用"综采放顶 煤"一次采全厚开采3煤层,但是在水体下必须通 过试验开采,通过观测积累资料和经验来进一步完 善这种采煤方法. 5结论与建议 "三下"采煤规程,结合国内水体下采煤 1)根据 经验,预测了高河煤矿首采盘区开采3#煤层的导水 裂缝带高度,计算了相应所需的防水安全煤岩柱垂 高.采用"综采放顶煤"一次采全厚符合"三下"采 煤规程的安全要求,在正常地质,水文地质和开采条 件下是可行的开采方案.建议在首采盘区进行"综 采放顶煤"试采和观测,取得经验后,再进行河下工 作面的扩大开采. 2)需要进一步搞好水文,覆岩破坏,地表岩移 的观测工作.遇有对建(构)筑物和农村水井水位, 地表水位等问题,是否与采矿有关,要进行科学的分 析,遇有问题及时分析解决并妥善的加以处理. 3)要加强对首采盘区各采动工作面上方地表 影响区的巡视工作,遇有河床,鱼塘附近的地表裂 缝,要观测其位置和裂缝尺寸,观测后应及时用粘土 或者粘土浆回填加固,保证不渗水.为防止河床下 沉导致淹没范围扩大,要及时采用修临时隔堤的方 法加以解决保护. 参考文献: ,铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北[1]国家煤炭工业局.建筑物,水体 京:煤炭工业出版社,2000.5.26. [2]煤炭工业部.矿井水文地质规程[S.1984.5. [3]山西省煤炭地质114勘察院.潞安矿区高河井田勘探地质[R].2005.3. [4]潞安矿务局地质处.潞安矿区地质概况[R].1990.3. [5]三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册[R].北京:中国煤炭出版社,2005. 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