煤包形成机理及其对开采的影响（上）.pdf

{ 葬 竿 1 f} ’ ， 雾绎 1 9 9 1 年第3 期 江苏煤炭 2 3 ， ， 煤包形成机理及其对开采的影口 向 上 淮南矿业学院 唐修义 盐 城 市 矿 务 局 吴 大 新 仰 } 6 ‘ { 摘要利国煤 系地层 受浅 成岩岩浆严重侵蚀 ， 煤层赋 存形态变化剧 烈 ， 经接触 变 质 的煤 炭 形 成 天 然 焦 ， 可 采 煤 层 大 多呈 煤 包 本 文 论 述 7煤 包 的 形 成 机 理 ， 分 析 7对 开采的 影响 ， 并结合利 国矿近 2 0 年 的生 产实践， 提 出探 查和开采方法的意 见。 一 、利国井田的地质概况 利 国井 田位 于徐 州背斜 的北 翼 ， 韩 台向斜南 翼 东段 。 其地 层 系统 属华 北地 层区 徐州 宿县地 层 小区 。 矿 区之南 出露有 震 旦 系 ． 寒武系和奥陶 系。 含煤 地层 为石炭 二迭 系 ， 其 中山西组 小湖组 的含煤性最好 七号煤 层是 利 国矿开采 的主要煤 层 ， 也是 本 课题 研究 的对象 。 据 区域性 调查 ， 该煤 层的平 均厚度 为2 ． 5 ～3 m。 在矿 区 内， 由于岩浆活 动 影响 ， 煤 层厚 度变 化剧 烈 。 井 田构造总体形态 为一 向北北东倾斜 的 单斜构 造 。 走 向略 有偏 移 ， 矿 区东部走 向偏 向 北东 ， 西部走 向偏 向北 北西 ， 从而造成矿 区中 部为 次一级 向斜 。 倾 角不 大 ， 中部倾 角 2 3 。 ～ 3 O 。 ， 东西两侧为l 6 。 ～2 2 。 ， 深部的倾角有变缓 的趋 势 。 井 田内发 育有两 组正 断层 ， 一 组走 向近 东西 ， 倾 向北 ； 另一组 走 向北北 东～北 东 ， 倾 向北西 。 前者为数不多 ， 结构面显示为压性～ 压扭性 ； 后者较多 ． 结 构面显示为张性～张扭 性 。 断距 不大 ． 多 数在 2 0 m 左右 ， 北 西西 向的 F 3 号断 层 的断 距 达 1 O O m。 矿 区之 北 为 韩 庄 台儿庄 大断裂 。 这 一近东西 向的大断 裂 之南 ， 构造 线方 向为北东 北北东 ， 有人称 为“ 徐州联合弧” 。 利国井 田位于孤 的北端转 折外 大断 裂之 北的陶 枣煤 田和丰 沛煤 田的 构造线 基本 上近东西向 。 和找 国东部 许多石炭一一 二叠纪煤 田相 似 ， 燕 山期 的岩 浆活动对煤 系和 煤层造 成很 大影 响 。 利国矿 七号煤层遭 受岩 浆侵入 的严 重程度尤为剧烈 。 此外 ， 在八号煤层 附近和在 太原组 内也有岩浆侵入 。 二、“ 煤包” 煤层形变的产物 在我 国东部 的许多煤 矿里 ， 岩 浆顺层侵 入煤 层的现象 比较常见 。 无论岩浆从顶板 、 底 板 或煤层 中 间侵 入煤层 ， 现保 存 的煤 层仍 为 层 状或似 层状 。 只要煤 层或分 层 的厚 度达到 可采厚 度 ， 就可用一般的采煤方法开采。 这些 情况 在利国矿也是常 见的 ， 这里不再赘述 。 利 国矿近二 十年生产实践还揭示 出煤层 形 变 后 的一 种形 态 ． 即 煤 被 推挤 成 “ 包” 状 体 ， 我们称为。 煤包” 。 这种“ 煤 包” 不 同于被岩 浆 岩包围的小型煤 块体 。 我们所指的 煤包 ” 是 顶 呈拱 型的包状煤体 ， 其最大高度一般应 大于3 ． 2 m， 且最大开采高度 与最低开 采厚度 0 ． 9 m 之 比值大 于5 。 根据包 内的煤量 ， 煤 包 可分为 四类 小型煤包 煤量 少于 1 O 0 0 t 中型煤包 煤量 为1 0 0 0 5 0 0 0 t 大型煤包 煤量 为5 0 0 0 1 O 0 0 0 t 特大型煤包 煤量大 于l O 0 0 0 t 这样 的煤包 具有 开采价值 自1 9 7 3 年至 1 9 8 9 年 ． 利 国矿 已从近 4 0 0 个煤 包 中 采出煤 2 8 8 ． 1 7 万 t 。 特 别应该指 出 煤包 在形 态上有 维普资讯 江苏煤炭 9 9 1 年 第3 期 其特点 ． 分 布上有一定规律 ． 见图J 、 2 、 3 。 图 I 煤包 剖面形 态 煤 包 的 顶 呈 拱 移 ， 顶 板 岩 石 是岩 浆 昔。 少 数煤 包的顶部 ， 在岩浆岩与煤之间残 留很少原煤层 顶板的 沉积 岩 。 煤 包 的 底 平 整 。 底 板岩 石 可 以 是 岩 浆 岩 ， 也 可以 是原 煤层 的底板 沉积 岩 。 煤包平面形态 煤 包 的形 态 ， 在 平面 上为似椭 圆一 圆形或 似长 方形 。 短轴长 从 几米到2 0 m左右 ， 而长轴长 可达 5 0 m左右 。 煤包拱形顶 中心的高度大予3 ． 2 m 以上 ． 最高 的达2 I m。 正 常的煤层厚 度一般 只有2 ． 5 m 左 右 。 煤包 中心厚度超过正常煤层 ， 自中心向四 周变薄 。 在剖 面上 呈馒 头状或峡 谷状 。 如果两 个或三个煤包相连 ， 则 呈串珠状 。 煤 包之间常 有煤线或 薄 的不可采煤 层相连 ． 少 数煤 包之 间 的 煤 层 厚 度 也 可 达 到 最 小 可 采 厚 度 O ． 6 m 。 如果煤 包之 问没有 煤层 或煤 线 ， 煤 包 的底也 大体在 原煤层的 层位 上 煤 包是 向 顶 板方 向隆起的包状煤体 。 特别有 意 义的是 ， 煤 包 的平 面分 布 有一 定的规律性 。 在煤 层倾向方 向上 ， 煤包呈串排 列 ， 煤包的长轴方向与倾向方 向基本 一致 。 在 煤 层走 向方 向上 ， ～ 串串的煤 包大体 呈等 间 距 地条带状分 布 ， 每 串之 间在走 向上 的 间距 约 为4 0 m。 7 2 4 工作面的煤包分 布即 为～典型 例子 图3 。 煤 包 内煤 的质 量 当然 发 生 了很 大 的变 化 ， 现 在见到 的煤都 已变成“ 天然焦” 。 煤包 的上述特 点表 明 ， 煤包 是岩浆侵 入 后煤层 形变的 产物 岩浆 的侵入 如何造 成具 有这 些 特点 的煤 包群 呢 我 们试 图用“ 塑性 波” 和“ 弹性 波 ” 的传 播理 论来解 释煤包 的形 成 机 理 图3 7 2 4 I 作面煤 包分 布示 意图 詈 维普资讯 1 9 9 1 年第3 期 江苏煤炭 2 5 当 呈塑性体 的岩 浆侵 入煤 层 时 ． 就 受塑 性波 的控制 。 煤 层也按 塑性 波的传播 性 能变 化 ， 发 生挤 压和位 移 纵 横 波的 同时 发展 ， 使 塑性波 的波 幅与频率 不 同． 形成 不同间隔 ， 造 成煤 层波浪形 的 弯 曲。 煤 层 顶板岩浆 岩 渡状 起伏较 大 ， 底板岩浆 岩起伏较 小 往往沿煤层 走 向塑性 波的频率 小 ， 波幅大 ， 形 成煤 包间距 大 在沿煤 层倾 向上 ． 波 的频率 大 ， 波幅小 ， 可 形成密度大 的串珠 状煤 包。 波峰 区为煤包 波 谷 区为 顶压带 波 峰高 大 ， 波谷平 缓 ， 延伸距 离远 ， 挤压煤 层范 围大 ， 形 成的煤 包 就大 。 波 峰的高低与大小不 同， 形成 了范 围不 同、 形 状 各 异的煤包 。 通 常煤 包厚度 的变化具 有对 称 性 。 一般 为拱型顶板 ． 煤厚 由中间向两侧 发生 由厚到 薄 的渐变 。 当塑 性波 的岩浆在 前进 方 向上遇阻 断层或岩墙 时 ． 波发生反射现象 ， 出现 与原波前 进相反 的波 ． 在 阻碍线 附近 发 生波的迭加现象 ， 形 成煤的 突然增厚 ， 成为峡 谷状煤 包 所以 ， 煤包 的形状受 塑性 波状 的岩 浆侵 入体形 态的控 制 ； 煤包 的大小与 侵入 体 大小 ， 被挤 压煤层范 围大小和煤层多少有关 ； 煤 包赋存 的方 向与侵 入体 长轴一 致 ， 排列 成 条带状 ， 煤 包的厚度 一般 自中间向两侧 渐渐 变薄 ， 遇断层可 发生 突变 截 变 ； 经岩浆在原 煤 层 位上下推 移与挤 压 ， 煤包 空 间存 在的 位 置可 在同一层位 内 ， 也可在被分叉 的层内。 弹性 波的传播 理论 可 以解释 这种 现象 当岩浆 自地表深部经 韩庄 台儿庄断裂上 升 ， 煤 系地 层发 生震 动 ， 产生弹性 波 。 自深部 向南南西方 向， 即 向浅都仰起方 向传播 弹性 波 在岩层 中的传播 是疏 密相 间的 在疏 的部 位 ． 岩层 活动性 弱 ， 在 密 的部位 ． 岩层 活动性 强。 岩 浆冲入岩 层 ， 岩层 有反作 用力 ， 阻挡 岩 浆 的侵入 。 由于弹性波的疏密相 间． 岩浆侵 入 受到 的阻 力也是 强弱 相 间 ， 造成岩 浆渡 状前 进 当岩浆 受阻 力较 弱 ， 岩层 被挤 开 的 空 间 大 ． 推进来 的煤可 以聚集 其中成为“ 煤包 ” 。 反 之 ， 岩 浆只能沿被撑开 的较窄 的空间通过 这 个较窄 的空间往往 在煤层里 ， 煤 被推向前 进 ， 残 留下的煤很少 ． 甚至完全被挤 走 ， 煤层的空 间被 岩浆 占有 弹性波 的疏 密相 间有一 定的 间距性 ， 从 而也 就造成 了煤 包 的分布有 一定 的 间距 性 。 自然 界 的地 质现象 十分 复杂 。 人 们恐 难 用一种 理 论完满地 解释某种 地质现 象 当岩 浆侵入煤 系 ． 塑性披和弹性波 可能 同时产生 并控制 了岩浆的侵入和煤包的形成 此外 ． 对煤 包形成 的机理 还 有另一种 解 释 。 浅 成岩 浆侵入煤 系地层 的能量 尚不足 以 主动撑 开 岩层和将煤 体推挤 成包 。 层间 滑动 构 造 已使 煤层 揉皱成 不规则体 ； 并在 岩 层之 间形成空隙 。 岩浆沿 空隙侵入 ， 又加剧 了岩层 的撑开 和煤 体 被推挤成 包 。 煤 包是 层 间滑 动 构造与岩浆侵入综 合作用的结果 。 至今 ， 我 们掌握 的资料有限 ， 对煤 包形成 机 理还有待进⋯步探讨 。 但是 ， 有一- 点可以肯 定 的， 即 ， 浅成 岩浆侵入煤 系 岩层和煤 层 ， 不 可能把煤 系中的沉积岩 和煤熔 融和 同化 。 岩 浆只推挤 沉积岩岩层 ， 使之发 生位移 。 岩 浆也 只 能使煤 发 生质变 成 为天然 焦 、 量变 挥 发分逸 出 ， 矿物 质增 多 和位 移 离开原有 空 间 ， 被集 中到推挤能量低 的空 间】 有一 些文献资料中提到 ； 岩浆“ 吞蚀” 煤 ， 或俗 称 吃掉” 煤 这 样的提 法 欠妥 。 煤不可 能被浅 成岩 浆吞 吃掉 。 这类 岩浆本 身 的温 度 一 般不超过 l O 0 0 C， 煤 的温度还低于此 。 在这 样的温度 内． 煤在 地下 发生的作 用其相 当 干 馏 ” 。 其质变的产物 一 一天然焦也大体相 当半 焦到 焦 。 粘稠 性很大 的岩浆 只能把软 化 了的 煤推挤而位移 冷却之后 岩浆结晶成岩浆岩 ， 软化了的煤固化成天然焦和 热变煤 。 这时 ． 除 因从煤 转 化成 天然焦 而发生 的量变 外 ， 煤 的 总数量不会有更大变化 。 但是 ， 煤体的形态变 化很 大 。 这 种形 态的变化 可以使 原来 的可采 煤层 失去开 采价值 稳定 的厚 煤 层可 能被 分 割成 薄 的分层或 小型的不规 则体 。 假若煤 集 中到某一部位 ． 如利国矿的煤包 ， 其开采价值 下转第2 2 页 维普资讯 2 2 江苏煤炭 1 9 9 1 年第 3 期 误 。 如 苏联 “ 彼德 罗夫深 井 就 因为岩石和 瓦 斯 突出使 建井工期 达 】 5 年之 久。 对 于 冲击 地压 、 瓦 斯与 煤岩 突 出的解 决 办法 是 合理开 拓布 置巷道 ， 减轻 应力 集中 ； 无煤柱开采 ， 分 层相 邻工 作面跟踪推进 ； 向煤 层 中注 水 ， 降低煤体 弹性 和强度 ； 增 设冲击地 压监测设备， 安设高精度瓦斯报警装置。 对于 矿井深 部巷道 支护 ， 一是 合理选 择 巷道 层位 ， 在岩巷 和 回采巷道 中大 力推广 各 种型式 的锚喷支 护 ； 二是 采用 大可缩性 U性 钢 支架 对 于底 鼓巷道 ， 采 用底 板注浆 、 反拱 、 底板切缝， 将巷遭边缘水平力向岩体内转移 随着矿 井开采 深度 的增 加 ， 地 温越来越 高 。 西 德 有 一 个 矿 井 深 1 2 0 0 m， 地 温 高 达 6 0 ℃。 解决地 温 的办法 一是 加 大矿 井风量 ， 该 矿在 矿 井 断 面5 ． 2 m 的巷 道 中 ， 将 风 量加 大 到 1 O 0 0 m ／ rai n ， 使 风 速 达 9 ． 5 m／ s ； 二 是 在 井下设冷冻机 ， 采用全矿集中冷却降温， 将冷 却设备安在井口或井下， 用隔热 良好的管路 将玲 却盐水 通 至采煤和 掘进工 作面 ， 使 温度 降低 4 8 “C。 我国 第一套 人工 矿 井制玲 降温 系统在新汶局孙村矿使用 。 该矿在井下 一4 0 0 和 一6 0 0 m水 平设 立 两个制 冷站 ， 安 装 4 台每 小时制 冷量5 0 万大卡的制玲机 ， 可供 4 个 回采 工作面和6 4 “ 掘 进头降温2 ． 1 n 6 ． 6 ℃。 6 ．露天开 采前 景广阔 露天 开采 条件优 于井工 开 采。 能采用 高 性能大型设备 2 4 万 m ／ 日巨型轮斗挖掘机， 3 】 8 t矿用汔 车等 和 电子监 控 系统 ． 具 有产 量大 年 产5 0 0 0 万 t 、 效 率高 全员效率 1 l 6 t ／ 工 、 成本 低 7 ． 5 8 美 元／ t 、 安 全和 劳 动条件 好 资源 回收率高 及容 易实现 自动控 制等 一 系列优点 。 所以技术 发展快 ， 已使露天开采的 经济界限提高到4 0 0 m 以上 美 国露天产量 占 总产 煤 的6 0 澳大利 亚 占7 6 目前世界 露 天产煤 量 占总煤量 的6 5 ， 9 0 年代 将出现计 算机化露天矿 我国可供露天开采的煤 炭资源探 明储量 为 5 8 1 亿 t ， 所 以 ， 应 该大 力发展露 天开 采 。 露 天开 采应 注意边 坡稳 定问题 ， 需进行深 大边 坡变形 机理 ． 滑坡 监测 蕊报技术 以及治理 措 施的研究 主要参考文献 [1 ]中国煤 炭学 会 1 9 9 0 丘年 会 论 文选 集 ， l 9 9 0 年9 月 [ 2 ] 1 9 9 0 l 9 9 5 年 中 国坑配煤矿 总公 司科 技 发展规划纲要 订论稿 及说 明 [ 3 ] 耿兆瑞 ， 从 国外高产高藏 矿井看我 国现代 化矿井技 术发 展方 向- 煤 炭科 学技 术 ． 1 9 9 0 年 ． 第 3 期 [ 4 ] 芮素生、 邬廷 芳、 门迎 春． 国内外煤炭科技 发展 的几 问题 ， 1 9 8 9 年 E 5 2 贾悦漾 ， 国内外煤矿 现代 化现状 及展 望， 中国煤炭 ， 1 9 9 0 年 ， 第6 期 I- 接第2 5 页 仍然存在 。 在一个矿区内， 岩 浆活动愈剧 烈 ， 后一种可能性反而愈大 ， 利 国 矿就 是一例 。 在利 国矿建矿前 ， 1 2 3 地质 队的地质报告 中曾提到 该 区岩浆岩侵入严 重 ， 煤层极不 稳 定 ， 无开 采价值 。 那时 ， 二 十个勘探 钻孔都 遇 到 岩 浆岩 ， 岩 床总 厚 度 一般 达 5 0 ～ l O O m， 最 厚处超过 2 0 0 m。 钻 孔揭 示的煤层 厚度变 化很 大。 所 以地质 队根 据钻 探资料提 出以上意 见 利 国矿 的实 践却证 明 ， 在岩浆侵入 十分 严重 的地 区 ， 煤 层变薄 的点愈 多 ． 在相距 不远处 ， 愈 有可能 存在变厚 的点 ， 这此变 厚的 点就是 “ 煤 包” 而煤 包的分布是有 规律 的 ． 也是有开 采价值 的。 当然 ， 地质 队的钻探手段无法查明 煤 包 。 以上是利国矿探明的煤 包特 征给』 、 们的 启 示 维普资讯