岱庄煤矿3煤提高开采上限可行性研究及效益分析.pdf

第3 3 卷 增刊 2 0 0 5 年 8月 煤田地质与勘探 C O A L G E O L O G Y 2 . 煤炭科学研究总院西安分院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 岱庄煤矿现主采煤层为3 上煤， 通过分析煤层顶板基岩厚度、 第四系粘土层厚度和砂层含水 性， 计算冒落带、 导水裂隙带高 度， 将本矿开采上限提高， 从而实现了缩小防水谋柱， 从水体下增加 煤炭开采上限的可行性， 获得了 较大的社会和经济效益。 关 键词 开采上限; 提高; 可行性; 效益 中图分类号 T D 1 6 3 . 1文献标识码 A F e a s i b i li t y a n d b e n e fi t a n a l y s i s o n i n c r e a s i n g u p p e r m i n i n g l i m i t o f N o . 3 c o a l s e a m, D a i z h u a n g C o a l Mi n e Z H A N G X u - r u , Z H E N G G a n 才 1 . D a iz h u a n g C o a l M in e ， Z i b o C o a l M i n i n g G r o u p C o rp o r a t io n ， Z i b o 2 5 5 1 2 0 , C h i n a ; 2. C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e 。 X i a n B r a n c h ， X i a n 7 1 0 0 5 4 , C h i n a 1 引言 岱庄煤矿是淄博矿务局在济 宁 北矿区建设的 第2 对生产矿井。现矿井北翼采区一 3 1 5 m水平以 上已有两个工作面 1 3 0 9 和 1 3 1 5 面 开拓接近 3 上 煤层露头的浅部区域， 按照 岱庄煤矿建井地质报 告 中提出的依据山东省煤炭工业局鲁煤管规函 1 9 9 9 2 5 7 号文， 本矿井3 上、 3 下煤层露头防水安 全煤柱按基岩面下垂6 0 m留设， 3 煤开采上限距第 四系不小于6 0 m的原则留设冲积层防水安全煤岩 柱的规定， 一 3 1 5 m水平北翼采区上山以东区 以下 简称东区， 采区上山以西简称西区 李林背斜两翼和 浅部赵庙向斜北翼煤层露头区大片范围内的3 煤顶 板基岩柱较薄， 将作为永久防水煤柱而丢失， 东区也 因此而无法布置正规工作面， 采区的服务年限将缩 短4 一 5 a 。因此， 为了延长采区服务年限和将来开 采较薄煤层的 需要， 有必要研究提高开采上限问题。 为此， 我们对本区的地层、 地质构造、 水文地质条件 和煤层等进行了认真分析， 特别是重点剖析了第四 系冲积层的成分、 结构、 厚度和富水性， 论证了对3 煤提高开采上限的可行性。试验研究表明， 试采效 果良 好， 经济效益显著。 2 地质及水文地质条件 2 . 1 地质构造 岱庄煤矿位于济宁煤田 东区 北部， 在区域构 造上处于南北向的济宁地堑构造内， 地质构造以宽 缓的褶曲为主， 褶曲走向以北东向为主， 北西向及近 南北向次之。受区域构造的控制， 井田内发育走向 近南北及北东向两组西倾高角度正断层， 使煤系向 西呈阶梯式下降。 本区构造较简单， 济宁断层构成本区的西部自 然边界， 除庄头支断层对采区开拓布局有影响外， 不 存在其他对开采生产有较大影响的断层构造。 控制本区 构造形态的褶曲有赵庙向斜和李林背 斜两组， a . 赵庙向斜， 位于本区的北部， 轴向N 6 0 - E , 东北端逐渐仰起进入何岗井田， 西南端被济宁断层 切割， 在矿井内延展长度8 k m ， 两翼跨度0 . 5 一 1 . 5 k m ， 一般0 . 7 一 0 . 9 k m , 幅度2 0 一 1 2 0 m 。北冀倾角 较陡， 一般为8 一 2 0 0 ， 至下组煤露头个别地段地层直 立甚至倒转， 南翼仅3 一 5 0 o b . 李林背斜， 位于赵庙 向斜的南侧， 轴向与赵庙向斜平行。至矿并东北部 在何岗井田消失， 西部被济宁断层切断， 矿井内延展 长度为8 k m ， 两翼跨度0 . 5 一 1 . 5 k m ， 幅度2 0 一 5 0 m , 收稿日期 作者简介 2 0 0 5 - 0 5 - 1 0 张学如 1 9 6 8 - ， 男， 山东潍坊人， 淄博岱庄煤矿高级工程师， 从事矿井地质工作 . 2 1 8煤田地质与勘探第3 3 卷 北翼倾角3 一 5 0 ， 南翼倾角5 一 9 0 0 2 . 2 水文地质条件 由 于主要是研究第四系砂层水、 三灰水和3 煤 顶、 底板砂岩水对3 煤开采的威胁问题， 因此只重点 探讨3 煤底板石炭系太原组三灰以上的地层及其富 水情况。 石炭系太原组 厚 1 4 2 . 9 一1 8 3 . 1 m ， 平均厚度 1 6 5 . 0 m 。由 砂岩、 粉砂岩、 泥岩、 薄层石灰岩及煤层 组成， 共含灰岩 1 1 层， 其中三灰为3 煤开采的直接 充水含水层， 上距 3 上煤 8 8 . 0 m左右， 单位涌水量 q 0 . 0 0 0 7 一 0 . 0 7 9 U s m ， 渗透系数K二 0 . 0 1 5 - 1 . 8 3 m / d ， 补给条件差， 是以静储量为主的弱富水性 含水层。 3 煤处于二叠系山西组的中下部。组内岩性变 化较大， 上部以泥岩为主， 中、 下部以中、 细砂岩为主， 局部为粗砂岩。3 上煤层底板砂岩厚度平均4 2 . 0 m , 以 细 砂岩为主， 夹粉砂岩， 单位涌水量q 0 . 0 4 6- 0 . 0 4 7 U s m 。3 上煤层顶板砂岩厚度平均2 1 . 0 m , 由3 上煤顶界往上约5 0 m ， 具砂岩 1 一 9 层， 也是以细 砂岩为主， 夹中、 粗砂岩， 单位涌水量q 0 . 0 1 1 9 0 . 0 4 7 2 U s m 0 3 煤层顶、 底板砂岩均属于补给条 件差、 以静储量为主的弱富水性含水层。石盒子组主 要由 杂色泥岩、 粉砂岩和砂岩组成， 富水性弱。 第四系冲积层 总厚2 1 6 . 9 9 一 2 8 0 . 5 m ， 平均 2 5 5 . 0 m 。 受基岩地层产状的影响， 自 南而北渐薄。 第四系冲积层主要由粘土、 砂质粘土、 粘土质砂、 砂 及砂砾层组成。按其岩性及结构可分为上、 中、 下3 组 5 段。 下组 平均厚度6 5 . 9 0 m ， 分上、 下两段。 下段 平均厚2 8 . 9 1 m ， 主要为杂色粘土层， 为 良好的隔水层 段 。 上段 平均厚 3 7 . 0 5 m ， 较稳定。主要为砂砾 层， 夹有粘土。粘土质砂砾层厚度占本段总厚的 7 2 。含水层主要为其中的中、 细砂层。单位涌水 量q 二 0 . 4 3 U s m ， 渗透系数K 二 1 m / d ， 属富 水性 中等的含水层。 中组 平均厚 7 5 . 6 5 m ， 以砂质粘土为主， 局部 为含粘土质砂砾层。砂砾层含粘土量高达2 5 ， 多 呈透镜体分布， 本组基本属隔水层。 上组 平均厚度 1 0 4 . 2 0 m ， 分上、 下两段。 下段 平均厚4 9 . 3 0 m ， 主要为中、 粗粒石英砂 岩， 夹砂质粘土2 一 5 层， 砂层厚度占本段的6 3 . 单位涌 水量q 二 0 . 5 4 一 3 . 7 2 L / s m ， 属富 水性中 等 一 强的承压孔隙含水层。 上段 平均厚5 4 . 9 0 m ， 主要由砂质粘土及粘土 质砂组成， 夹薄层中、 粗石英砂2 一 6 层， 砂层厚度占 本段的2 4 ， 含水砂层虽较薄， 但砂砾质纯， 分选性 好， 层内 孔隙度大， 透水性好。 单位涌水量q 2 . 2 9 一 2 . 8 2 U s m ， 渗透系数 K 2 3一 3 0 m / d ， 为富水 性强的孔隙含水层。 第四系间隔沉积了多层砂层及粘土层， 砂层之 间的粘土层隔水性能良好， 使不同砂层之间不直接 发生水力联系。 3 3 煤层及其顶底板岩性特征 3 上煤层位于二叠系山西组的中下部， 上距2 煤层9 . 6 1 一 2 3 . 0 2 m ， 下距3 下煤5 . 9 3 一 3 4 . 5 8 m . 北翼采区一 3 1 5 m水平3 上煤层底板标高一 3 1 5 . 0 - 一 2 0 0 . 6 4 m ， 煤层厚度0 . 9 8 一 4 . 3 3 m ， 平均2 . 4 8 m , 煤层厚度自 东往西逐渐增厚。煤层结构较简单。 3 下煤层仅在东区稳定沉积， 其他地方大都遭 冲刷， 底板标高一 3 2 1 . 2 一 2 3 4 . 1 m ， 煤层厚度0 . 6 5 一 4 . 7 5 m ， 平均厚2 . 6 m ， 煤层结构较简单。 3 上煤顶板以粉砂岩为主， 次为泥岩、 中砂岩和 细砂岩， 平均厚度4 . 0 7 m ， 局部见厚0 . 2 一 0 . 5 3 m的 泥岩或粉砂岩伪顶一层， 裂隙发育。抗压强度 粉砂 岩平均为4 8 . 5 M P a ; 中砂岩平均为7 9 . 6 M P a ; 泥岩 平均为5 0 . 2 M P a . 3 上煤底板以粉砂岩为主， 次为 泥岩和细砂岩， 平均厚度2 . 8 8 m ， 偶见泥岩伪底。 抗压强度 粉砂岩平均为3 6 . 8 M P a ; 细砂岩为3 4 . 2 M P a ; 泥岩为3 8 . 6 M P a . 3 下煤顶板以中砂岩为主， 次为粉砂岩和泥岩， 平均厚7 . 6 8 m 。抗压强度 中 砂岩平均为5 0 . 2 M P a o 3 下煤底板以粉砂岩为主， 次为泥岩， 个别为中砂岩， 平均3 . 2 8 m ， 偶见泥岩或 粉砂岩伪底。粉砂岩抗压强度为3 9 . 3 M P a o 3 煤层 顶、 底板均属较稳定的n 类岩体。 4 提高开采上限可行性分析研究 4 . 1 冒落带和导水裂隙带商度的预计 钻探和井巷工程资料表明， 第四系冲积层为极 软弱地层， 基岩顶面以下 1 0 m左右为风化基岩 软 弱岩层 , 3 煤顶面至风化基岩为中硬岩层， 3 煤开采 后其冒落带和导水裂隙带高度由于岩性不同可能有 所不同。 现依据2 0 0 0 年新颁行的“ 三下” 开采规程， 按中硬、 软弱、 极软弱3 种不同岩性情况分别预计。 根据煤层的赋存情况 主要指煤层厚度 和所用 综采设备的技术性能 确定采高 M 为1 . 9 一 3 . 0 m . 冒 落带高度计算公式如下 对于中 硬岩， 万 。 1 0 0 M / 4 . 7 M 1 9 土 2 . 2 ; 对于 软 弱 岩， H m 二 1 0 0 M / 6 . 2 M 3 2 土 1 . 5 ; 增刊张学如， 郑 纲 岱庄煤矿3 煤提高开采上限可行性研究及效益分析 2 1 9 . 表 1 7 h 润 胃落带和导水裂隙带高度 m 计算成果表 1 H e i g h t c a l c u l a t i o n r e s u l t s 健c a v i n g z o n e 8 1 目 w a t e r fl o w e dh ， 改 u red z o n e 采高/ m中硬岩软弱岩 断层的含导水性极弱; 三是基岩厚度不足6 0 m的东 区李林背斜两翼, 3 上煤层厚度较薄为0 . 一 1 . 9 2 m ， 最大采高1 . 9 m ， 导水裂隙带高度相应变小; 四是 矿井有较大的排水抗灾能力。 冒落带 导水 裂隙带 1 1 . 3- 6 . 9 9 . 0-4 . 6 4 1 . 33 0 . 1 3 4 . 2-2 3 . 0 7 . 4 -4 . 4 5 . 8 2 . 8 2 5 . 0-1 7 . 0 2 1 . 5 1 3 . 5 极软弱岩 4 . 8-2 . 4 3 . 7，1 . 3 1 6 . 0-1 0 . 0 1 3 . 9-7 . 9 对于极软弱岩， H m 二 1 0 0 M / 7 . 0 M 6 3 土 1 . 2 0 导水裂隙带高度计算公式如下 对于中 硬岩， H ,; 1 0 0 M / 1 . 6 M 3 . 6 土 5 . 6 ; 对于软弱岩， H li 1 0 0 M / 3 . 1 M 5 . 0 t 4 . 0 ; 对于极软弱岩， H ,; 1 0 0 M l 5 . 0 M 8 . 0 士 3 . 0 . 上述计算结果如表1 所示。 4 . 2 保护层厚度的确定 保护层厚度， 一般为2 一 4 倍采高 坚硬脆性岩 层为4 倍， 软弱塑性岩层为2 倍 。因3 煤层顶板基 岩厚度小于6 0 m的露头区 域， 导水裂隙带以上的地 层为软弱岩层， 且第四系底部粘土层厚度大大超过 3 煤层厚度， 故按规程规定取2 倍的采高作为保护 层厚度氏。即 采高为3 . 0 m时， H b 6 . 0 m ， 采高为 1 . 9 m时， 氏 3 . 8 m . 4 . 3 防水安全煤岩柱高度计算分析 按“ 三下” 开采规程防第四系砂层水的煤岩柱高 度 H s 为 导水裂隙带高度加保护层厚度， 则 采高3 . 0 m时， H s 4 1 . 3 6 . 0 4 7 . 3 m 采高1 . 9 m时， H s 二 3 4 . 2 3 . 8 二 3 8 . 0 m 以上两种方法计算结果基本相同， 我们确定采 用按“ 三下” 开采规程计算的结果， 即 防第四系砂层 水的煤岩柱高度， 3 上煤层在采高3 . 0 m的赵庙向 斜北翼煤层露头区为4 7 . 3 m ， 李林背斜两翼， 煤层 厚度较薄， 采高为1 . 9 m的东区为3 8 . 0 m ; 3 下煤层 的两个区段均按4 7 . 3 m留设。 4 . 4 可行性分析 通过计算分析， 我们认为在北翼采区赵庙向斜 北翼的浅部3 上煤层露头区和东区李林背斜两翼基 岩厚度不足6 0 m的块段提高开采上限有以下有利 条件 一是采区3 煤基岩顶部的第四系底部普遍发 育有7 . 1 5 一 6 0 . 4 m厚隔水粘土层， 3 上煤顶基岩厚 度加上第四系底部粘土隔水层后的总厚度， 东区李 林背斜两翼均在5 3 . 6 4 m以上， 3 下煤则在6 9 . 6 8 m 以上; 二是采区地质和水文地质条件相对简单。精 查地质报告和井巷工程实见断层情况证明， 庄头支 5 实际提高开采上限的试采建议 5 . 1 东区李林背斜两翼 设计开采范围内的钻孔揭露3 上煤顶基岩最小 厚度为2 8 . 6 4 m 1 8 一 2 7 号孔 ， 第四系底部粘土隔 水层厚度大于2 2 . 9 m， 即累计隔水层厚度大于 5 1 . 5 4 m ， 超过计算所需的隔水煤岩柱厚3 8 . 0 m的 要求， 分析认为东区李林背斜两翼可以采用综采一 次采全高， 不需圈留专门防第四系砂层水煤柱。3 下煤层累计隔水层厚度大于6 9 . 6 8 m ， 同样不需圈 留专门防第四系砂层水煤柱。 5 . 2 赵庙向斜北翼煤层露头区 赵庙向斜北翼3 煤层露头区， 第四系底部粘土 层厚度大于 1 6 . 0 m ， 计算所需的防水煤岩柱厚4 7 . 3 m ， 分析认为3 上、 3 下煤层露头防水安全煤岩柱均 按基岩面下垂深3 5 . 0 m留 设。 00JC︺02 . 气J﹃‘11︸11 6 . 1 开采实践成果 采取的措施 a . 进一步进行水文补充勘探， 在东区、 西区布 置补勘工程， 探测煤层顶板基岩厚度的变化情况。 b . 工作面掘进或试采过程中要切实加强地 质和水文地质工作， 若有出 水征兆， 要对水情变化进 行密切监视， 并及时汇报有关部门， 以便采取相应的 防范措施。 c . 鉴于导水裂隙带高度是设计留设防水煤柱 的重要依据， 在试采的同时应进行以物探为主、 钻探 为辅的裂高观测。 d . 成立3 煤层提高开采上限试采领导小组， 制订和督促落实各项安全技术措施， 协调安全试采 工作。 e .完善排水系统， 中央泵房进行了检修， 在进 人上限区时处于排水值班期， 更应提高防范意识。 6 . 2 试采成果 a . 目 前， 已在1 3 0 7 , 1 3 1 5 , 1 3 1 3 工作面成功地进 行了 试采， 煤层最大采厚3 . 0 m ， 共采出 煤炭4 5 万t o b . 在试采过程中注意水情观测， 两带观测， 没有发生淋水现象， 两带发育高度远低于计算值。