顶底板高承压灰岩水双重威胁煤层开采突水机理与防治技术Word文档格式.docx
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(一)关键技术..........….............................8
(二)实施的具体内容和技术路线..........................8
(三)实施方式…………………………………………………….14
(四)项目进度和完成期限...............................14
四、技术经济指标…………………………………………………...15
(一)要达到的技术性能指标.............................15
(二)采用的技术标准...................................15
(四)经济效益…………………………………………………….15
(五)社会效益.........................................15
五、项目资金………………………………………………………...16
(一)总投资和资金筹措方案.............................16
(二)资金使用方案.....................................16
(三)进度安排.......................................16
(四)当年项目研发费用预算及支出情况…………………….18
六、项目申报书附件………………………………………………19
(一)自筹资金保证落实文件………………………………….19
(二)申报单位对项目申报书内容和附属文件真实性负责
的声明…………………………………………………….20
一、企业概况
(一)集团公司总体情况
1、企业经营管理情况;
主营业务及市场占有情况;
近两年的销售收入及利润;
资金负债率;
银行信用等级等。
山东能源临矿集团是于2006年8月份经山东省人民政府批准,在原临沂矿务局基础上组建的国有独资公司,是一家拥有煤炭和铁矿石资源开发生产、煤矿机械制造与加工、玻璃纤维、物流贸易、电力热力、房地产开发等多元产业为一体的大型现代企业集团,现有在册职工19222人。
2010年资产总额117.5亿元,资产负债率54.4%,企业信贷信誉AAA级。
生产原煤662.3万吨,实现主营业务收入83.49亿元,利润17.62亿元。
2011年上半年资产总额131.6亿元,资产负债率52.2%,企业信贷信誉AAA级。
生产原煤450.9万吨,实现主营业务收入61.78亿元,利润10.85亿元。
人均产量、产值、销售收入、利润和自有资金等位居山东省重点煤炭企业前列,国有资产保值增值率、净资产收益率、总资产报酬率均超全国行业优秀值,在省管企业各项经济指标考核中,连续两年荣获A级单位称号,公司先后被省国资委列为法人治理结构试点单位、财务总监委派试点单位、人才管理创新单位。
先后荣获“全国优秀企业”、“中国最具成长性企业”、“山东省企业文化建设示范单位”、“山东省管理创新优秀企业”等荣誉称号,连续三年被评为省管企业精神文明建设先进单位。
2010年公司位列中国煤炭工业100强第35位。
2、企业科研机构认定情况;
科技人才队伍情况;
研究开发及试验设施情况;
核心技术和产品的自主创新情况;
产学研合作情况。
为进一步加强和引导企业技术创新,山东能源临矿集团于2005年成立了技术中心,于2007年被认定为省级技术中心。
目前山东能源临矿集团拥有2个省级技术中心和3个市级技术中心,建立了矿业安全生产、综合利用、煤机研制、玻璃纤维材料研发4个研究室和下属的14个研究机构,及相关检测中心、煤机试验基地。
先后与山东大学、山东科技大学、中国矿业大学、华北科技学院、西安煤科院、重庆煤科院、西安设计院等高校、科研院所,以及国外俄罗斯、德国、波兰、捷克、土耳其等企业建立了长期的合作关系,形成了集技术开发、科技管理、成果转化为一体的技术创新平台。
拥有科技活动人员近千人,其中2010年技术研发人员861人,其中具有研究员级别以上的7人,硕士以上学历人员17人,省级专业技术拔尖人才22人。
具有中高级技术职称的技术人员453人,大专以上学历人员799人。
年龄结构,50岁以上的人员占11.2%,35-50岁占56.7%,35岁以下占32.1%。
男女比例为7:
1。
3、企业历年来承担的重大技术研发任务情况。
山东能源临矿集团逐年提高科技投入,自2004年的不足800万元提高到了2010年的1.9亿元,科技创新能力大大增强。
“十一五”期间共完成科技项目287项、技术革新项目800余项,其中技术水平达到国际领先水平2项,国际先进水平11项,国内领先水平48项,完成新产品项目15项。
十一五期间累计获得上级表彰奖励项目90项,其中“矿井通风信息智能化管理系统研究与应用”、“基于CAN总线的矿山粉尘浓度在线检测监控系统研究”2项成果获得山东省科技进步二等奖。
“地域分散型集团企业信息化新技术研究”、“大采深煤层冲击矿压原因分析及防治研究”、“煤柱回收大采高子母式自移液压支架(ZZ10000/32/62NF型)”、“数字矿山技术开发与应用”4项成果获得山东省科技进步三等奖。
“临矿集团改革发展模式研究”获得山东省软科学成果一等奖。
另外获得中国煤炭工业协会科技进步奖7项,获得山东省煤炭行业科技进步奖60项,获得山东省机械行业科技进奖9项,获得山东省技术创新优秀成果奖7项,获得山东省技术创新优秀新产品奖10项。
“十一五”期间,山东能源临矿集团知识产权保护工作不断发展,共获得授权专利19项,制定国家标准1项、行业标准4项。
山东能源临矿集团在发展壮大的同时,积极围绕企业需求,大力开展技术创新,解决了一制约企业发展的关键技术难题,取得了显著的成绩,累计为企业创造直接经济效益8.6亿元。
一批数字矿山、深井冲击地压灾害防治、深井富水软岩支护、深井高温热害、矿井防治水、含硬结核薄煤层机械化开采、特殊材料与矸石复合充填等成果的研究居于国内先进行列。
(二)邱集煤矿概况
山东省邱集煤矿于山东省德州市齐河县境内,为黄河北煤田第一对实验性矿井,它东距济南60公里,西距聊城68公里,北距京沪铁路晏城站51公里,地理位置极其优越。
主营业务为原煤、洗精煤的销售,销售市场主要济南、聊城、济宁等地区。
该矿井为山东省煤炭工业局投资,投资总额2.2亿,矿井于2003年12月31日投产,自投产以来矿井开采较薄的7层煤,由于受底板高承压徐奥灰威胁,厚度较大的下组煤(11、13层煤,总厚度6.6m,资源储量近2亿吨)暂无法开采,矿井自投产以来,矿井累计亏损亿元。
邱集煤矿的防治水项目在集团公司的统一组织下自2003年12月份就着手进行下组煤受承压水威胁的储量资源的解放工作,先后进行了两次四五灰水的放水试验,并进行了总结,取得了大量的现场实测数据,。
近几年邱集煤矿与西安分院、山东科技大学、中国矿业大学、北京天地科技公司进行合作,在矿井防治水一定的成果,先后获得山东省煤炭科技奖励六项。
二、立项理由
(一)项目背景、立项依据及批准文件;
1邱集煤矿保证正常安全生产的需要
邱集矿井可采煤层主要为7、10、11、13层煤,其中矿井11、13层煤资源储量2亿吨,占总储量的80%,自投产以来,一直在-395m水平开采7层煤。
由于7层煤厚度小,地质构造复杂,开采技术条件差,因此矿井一直未达到设计生产能力,经济效益低下。
现7层煤储量万吨,服务年限仅余年,为提高煤炭产量,增加经济效益,保证矿井的稳定和发展,必须对矿井11、13层煤进行防治水治理并进行开采。
如成功,将在不进行矿井投资的情况下,可再造一个年产200万吨的中型矿井。
但是11、13煤层既受底板徐灰奥灰承压水威胁。
因此,要开采11、13煤层必须采取切实有效的防治水措施,即疏放四·
五灰承压水,治理徐奥灰承压水,为解放受水威胁的11煤层储量,实现矿井的安全开采,提供可靠的依据;
同时煤层顶底板受高承压灰岩水双重威胁,国内还未有先例,因此对顶底板高承压灰岩水双重威胁煤层开采突水机理与防治技术研究的开展不仅可以为邱集煤矿下一步的矿井稳定生产有重大意义,同时对整个黄河北煤田开采有借鉴意义。
2)解放黄河北煤田水文地质条件类似的矿井储量的需要
类似邱集煤矿地质条件的黄河北煤炭约有2000km2,其中下组煤储量亿吨,安装邱集煤矿的井型可划分个矿井,由于下组煤受水威胁,下组煤暂无法开采,目前还无法大规模开发;
邱集煤矿为第1个生产矿井,赵官煤矿已投入生产、济西煤矿正在建设中。
煤田内各矿井具有相似的水文地质条件,石炭、二迭地层被厚新生界地层覆盖,煤层开采直接冲水含水层有:
太原组一灰、二灰、三灰、四.五灰,本溪组徐灰和奥陶系灰岩;
与邱集矿类似,整个煤田11煤受到顶底板高承压灰岩水双重威胁。
山东省煤矿安全监察局以鲁煤安监科技[2010]129号文、国家安全安全生产监督管理总局以安监总科技[2010]134号文进行了批复。
(二)国内外相关产品或技术现状与发展趋势;
对于顶板突水危害问题,关键是看其顶板冒裂带高度内是否有含水体存在及其富水性强弱,根据可能造成的开采涌水大小危害程度不同,采取不同的防治措施。
我国东部煤矿浅部开采,普遍受到上覆松散层底部含水砂砾层水的威胁,一些煤矿山西组煤层开采顶板砂岩水为直接冲水含水层。
前者一般采取留设一定高度的防水煤岩柱来防止工作面涌水,后者通常为局部较强富水,总水量不大,水的连通性弱,常在上下顺槽形成后,通过探测富水区位置,采取钻孔疏放水处理;
不需修建大量排水巷道等专门疏排水工程,进行较长时间的疏降排水。
邱集煤矿11煤直接顶板四·
五灰厚度近10m,为高承压强富水含水层,且在东面F8断层处,可能与徐灰、奥灰相接,存在强补给的可能性。
它对11煤开采所产生的顶板涌水危害程度,远大于一般砂岩裂隙顶板水。
要想解除11煤开采来自顶板水的危害,关键是要通过研究,搞清楚四·
五灰含水层的补径排特点,特别是在大幅度疏降时,含水层的动储量补给来源及其大小,研究采前疏干四·
五灰含水层的可能性。
邱集煤矿11煤开采水害威胁还来自底板徐灰和奥灰灰岩水。
我国华北地区煤矿及匈牙利、南斯拉夫、波兰等国外煤矿开采都遇到类似问题,发生过一些特大型突水淹井事故,造成灾难性后果。
虽然国内外开展底板突水研究已超过40年历史,取得了大量技术成果和实践经验,但由于各地地质采矿条件千差万别、突水机理复杂,目前高承压底板灰岩水上煤层开采仍然是一世界性技术与工程难题。
底板突水是一个涉及水文地质、工程地质和岩石力学、采矿等多学科综合的理论-技术-工程应用课题,但目前国内外从单一学科方面研究较多;
如从水文地质学角度研究水文地质条件,从工程地质角度研究底板岩石隔水性能、变形及强度失稳(破断)突水过程,从采矿角度研究采煤方法、矿压显现对突水的影响。
(三)该项目曾列入过哪级哪种科技计划,前期技术开发情况及其取得的阶段成果;
该项目列入了山东煤炭工业“十二五”重点攻关项目计划。
前期工程并于2005年开始进行研究,列入2007年度山东煤炭工业科技计划,于2005年12月18日进行了放水试验工作,前期资料收集、初步的资料分析已完成,取得了一批黄河北四五灰水突水治理、厚土层井筒注浆技术等初期成果,并通过了省煤炭局组织的鉴定。
(四)推广应用领域、达到的技术水平,以及对行业和企业技术进步的重要意义和作用。
本项目在矿井防治水方面可达到国内领先水平,解决黄河北煤田治水难题。
本项目为邱集煤矿11煤安全开采提供水文工程地质技术保证,其经济效益可如下概算:
据《建井煤矿地质报告》,在F8断层以西,F6断层以东,F10断层以南的块断内,已探明的11煤层A+B+C级储量有1242万吨,回采率按60%计算,则可采出煤炭745万吨。
吨煤价格按400元计算,则产值为29.8亿元。
研究中利用井下巷道,用物探法对11煤底板灰岩富水性、原始导升带、顶部充填隔水带厚度探测,可减少部分钻探孔数量,节约钻探工程总费用。
可见,经济效益是巨大的。
另外,项目的系统研究技术方法和取得的成果,可为黄河北煤田其它矿井11煤安全开采研究借鉴参考,具有很好的技术推广应用前景。
(1)生产实际意义:
为11煤安全生产提供地质条件和技术保障,减少或杜绝因盲目开采导致重大突水事故,造成重大经济损失或人员伤亡,对邱集煤矿持续稳产和安全生产具重大实际意义。
邱集煤矿为黄河北煤田的第一对生产矿井,开采水平深,顶底板承受水压大,可借鉴经验少,进行顶底高压水双重威胁条件下防治水技术与工程实践研究,可丰富我国煤矿防治水工程实践经验。
(2)科学技术意义:
顶底板高承压灰岩水双重威胁煤层开采突水问题是一个涉及水文地质、工程地质和岩石力学、采矿等多学科综合的理论-技术-工程应用课题,但目前国内外研究未有涉及。
本项目从上述方面综合开展研究,以满足生产实际需要为目的,同时在一些关键科学技术问题研究方面,力争取得新的进展(见后技术创新点)。
系统研究下组煤开采突水机理、危险性评价方法和防治措施,不仅可以在邱集煤矿解放大量的受水威胁的煤炭资源,而且可以在整个黄河北煤田煤炭资源开采中推广应用,丰富和促进我国煤矿水害防治理论研究和技术发展。
三、项目实施方案
(一)关键技术
本项目主要开发以下关键技术:
1.不同深度多层灰岩水富水性井下瞬变电磁法探测方法与解释技术。
2.考虑软硬岩层地应力差异性的岩层阻水系数试验确定技术。
3.考虑工作面推进速度及水文地质参数不均匀性的工作面顶板涌水量预测。
4.断层带附近高承压底板突水流固耦合-渗流转换(裂隙流、管道流)力学模型转换机理。
5.远离断层区域受采动影响下底板裂隙网络流固耦合模型及突水通道搜寻。
6.受顶底板高承压灰岩水双重威胁煤层开采防治水综合技术。
(二)实施的具体内容和技术路线
本项目利用工程勘探孔(地面和井下)取样进行水文地质工程地质专项测试分析,再利用井下现有巷道,用物探法配合地面及井下补充勘探钻孔,探测四·
五灰原始导升带高度,11煤顶底板富水性、徐灰奥灰原始导升带高度,徐、奥灰水与四五灰水的补给通道、开展下组煤开采水文工程地质条件综合分析、研究安全开采过程中底板水活动过程及突水机理、进行11煤底板突水危险性评价分区,并在此基础上研究防治11煤顶底板水的措施方法,采用注浆封堵徐奥灰水补给通道,为11煤安全开采设计提供水文工程地质技术资料保证。
1、实施的具体内容
在收集区域及井田地质构造资料、水文地质资料基础上,进行水文地质单元划分,分析区域奥灰水补径排特点,邱集井田灰岩水总体补径排特点。
在上述区域及井田底板灰岩水文地质条件分析基础上,利用地面、井下水文地质补勘孔,结合井下在巷道内对底板灰岩富水性、原始导升带、顶部充填隔水层厚度探测测结果(地面三维电法、井下瞬变电磁法),分析已有水文地质资料,结合补勘孔抽水试验,采用井下放水试验,地下水示踪试验等手段探查四·
五灰、徐灰含水层的富水性分布,与奥灰含水层的水力联系,断层的导水性等,分析主要断层导水性(尤其是F8断层),进行徐灰、奥灰水空间流场三维模拟计算(采用国际先进软件MODFLOW、UDEC或ADINAT),研究区内徐灰、奥灰水的天然流场分布特征;
分析徐灰、奥灰水的三维空间流场分布特征。
绘制徐灰、奥灰富水性分区图(含等水压线),11煤顶部充填隔水层厚度等值线图。
利用地面和井下钻探孔取岩芯,进行RQD值统计、岩溶发育、岩芯裂隙发育现场统计,采用钻孔超声成像获取孔壁裂隙、岩溶发育情况指标,采取岩样进行室内岩石力学参数测试,获得抗拉强度等基本参数;
用AE法测试代表孔顶底板硬岩层地应力大小和方向,用岩体弹塑性力学法,根据硬岩层测得的地应力值,计算得到上下邻近软岩层地应值大小。
用X射线衍射法确定顶底板关键隔水层粘土矿物类型和含量,用压汞试验确定灰岩的微岩溶发育程度和孔隙率。
根据硬软岩层地应力值大小,进行岩石三轴伺服水压裂试验(20个工程地质取样测试孔),确定阻水系数;
根据底板阻水岩层厚度加权值与其阻水系数乘积之和,得到底板岩层组合等效阻水系数。
选取井下钻探孔代表孔4个,对底板阻水岩层段进行钻孔水压裂试验,确定阻水系数(钻探队伍负责施工,本课题负责现场技术指导和资料整理)。
考虑煤层顶底板岩层工程地质岩组及力学性,煤层厚度及开采方法,底板阻水层厚度,底板灰岩水承压水头,构造情况,原始地应力场情况等,建立邱集井田11煤开采底板突水水文工程地质力学模型。
结合井下已有巷道,施工四·
五灰放水孔,进行四·
五灰井下放水试验;
数值模拟放水试验过程,获取水文地质参数,查清边界条件类型,分析各主要含水层之间的水力联系强弱;
在此基础上,研究疏干四·
五灰的可能性,研究论证疏干技术方案。
采用钻孔岩芯裂隙统计、井下巷道迎头裂隙统计、结合井下瞬变电磁法底板富水性探测分区结果,用随机数学模型理论,建立底板阻水岩层三维裂隙网络模型,根据裂隙密度分布,搜寻优势突水裂隙通道部位。
用3D-MODFLOW与3D-FLAC结合或3D-ADINA与3D-ADINAT结合,考虑邱集井田典型断层作用、顶底板承压水作用,进行断层带附近高承压底板突水流固耦合-渗流转换(裂隙流、管道流)突水过程物理模模拟(2种不同推进方式模型)。
利用3D-FLAC或UDEC及相关图形处理软件进行远离断层区域底板裂隙网络模拟(二维、三维)及采动影响下裂隙扩展规律及突水通道搜寻。
采用新“三下”规程(2000年版)、“煤矿防治水规定”(2009年版),依次计算确定井田内不同条件分区底板采动导水破坏带深度、底板阻水带厚度、防水安全煤岩柱安全度的评价、确定修正突水系数大小,评价底板突水危险性大小及进行危险性分区。
在收集华北地区开采底板灰岩水大量工程事例(不少于20例)的基础上,综合考虑底板突水机理类型、奥灰水压大小、地应力大小(开采深度大小)、采煤工作面斜长、采煤方法、阻水层厚度、断层导水性等多种因素,采用数量化理论和GIS(地理信息系统)理论两种方法研究11煤突水危险性评价问题评价模型,对邱集井田11煤开采底板突水危险性进行分区评价。
综合分析矿区水文地质条件、工程地质条件,结合突水危险性评价结果,建立11煤安全开采水平涌水量计算水文地质模型和数学模型,采用比拟法、解析法、数值模拟法对比确定安全开采水平最大和正常涌水量。
分析井田构造条件,水文和工程地质条件特点,突水机理(类型)及突水危险性程度分区等研究结果,总结各种防治方法适用条件。
根据上述研究成果资料,对照各种方法适用条件,科学选择适合邱集井田11煤开采底板水防治方法,然后有目的的进行注浆,改造徐灰含水层,使之成为隔水层,从而达到矿井防治水效果,安全开采11层煤。
2.技术路线
图1研究总体技术路线示意图
钻孔注浆
通过单孔注浆最大限度的将钻孔揭露的四、五灰水补给地点和潜在突水点注浆封堵。
图9注浆施工工序图
(三)实施方式
本项目计划由邱集煤矿与中国矿业大学、煤科工集团西安院等科研单位进行联合研究完成。
(四)项目进度和完成期限;
本项目预计于2011年开始,2014年结束。
现一期工程已完成招标工作。
第一阶段:
进行矿井四五灰突水点附近物探和设计钻孔附近物探,查找徐奥灰水补给四五灰水的通道,为布置钻孔提供依据。
第二阶段:
根据物探成果设计施工钻孔,探查11煤层采区水文地质条件。
第三阶段:
进行单孔注浆改造底板,封堵突水点;
第四阶段:
进行放水试验,检验堵水效果;
第五阶段:
进行煤层底板注浆改造和矿井防治水,以解放11煤层。
四、技术经济指标
(一)达到的技术性能指标
在生产技术服务方面:
查清邱集井田内四·
五灰和徐灰,奥灰富水性空间分布,奥灰原始导升带高度空间变化,徐灰、奥灰顶部充填隔水带厚度空间变化,分析主要断层导水性,系统分析评价11煤开采顶底板突水的水文工程地质条件;
研究顶板水(四•五灰)采前疏干的可能性及疏干方案;
11煤开采底板突水类型和机理,评价底板突水危险性程度并进行分区;
预测11煤开采顶板、底板正常和最大涌水量,提出防治11煤开采底板突水的合理措施,进行11煤层底板注浆加固,消除承压水威胁,最后安全开采11层煤的资源。
项目整体研究将达到国际先进水平,一些关键技术研究将达到国际领先水平。
(二)采用的技术标准;
严格按煤矿防治水专业的所有国家规定进行执行。
(三)经济效益
邱集煤矿顶底板高承压灰岩水双重威胁煤层开采突水机理与防治技术研究项目完成后,将使矿井生产能力有大幅度的提高,年生产能力将达到100万吨以上;
同时由于生产能力提升,生产成本将下降40%左右,达到每年5亿的销售收入,利税达1亿元。
(四)社会效益。
利用井下巷道,用物探法对11煤底板灰岩富水性、原始导升带、顶部充填隔水带厚度探测,可减少部分钻探孔数量,节约钻探工程总费用。
同时,成果结束后进行11煤层的开采,经济效益是巨大的。
邱集煤矿进行11层煤的开采后,取得的经验可在类似地质条件的矿井进行推广。
本项目的系统研究技术方法和取得的成果,为黄河北煤田其它矿井11煤安全开采研究借鉴参考,在地质条件类似的矿井具有很好的技术推广应用前景。
五、项目资金
(一)总投资和资金筹措方案(总投资、国家或省补助、贷款、自筹、拟申请专项资金数额等);
本项目预计投资5500万元,本单位配套资金3000万元,申请补助资金2500万元。
(二)资金使用方案;
本项目的投资包括:
科研费用、水文地质条件探查设计费用、地面水文观测孔施工费用、井下水文观测孔、放水孔施工费用、放水试验设计费用、放水试验费用、资料整理分析费用、防治水治理时的管路敷设、注浆材料等费用。
其中各种设计及技术服务费用300万元,井上下钻孔施工费用1500万元,注浆管路、注浆用设备、水泥等材料费用2800万元,放水试验费用900万元。
(三)进度安排;
从2011年2月项目正式启动起,项目进展安排如下:
2011.3-4:
资料收集,区域及矿井地质构造、水文地质单元划分、边界类型分析,矿井区及采区灰岩水天然流场补给、排泄、径流初步数值模拟计算,初步分析徐灰、奥灰灰岩水天然流场特点,包括:
等水压线图,径流方向,总径流量等。
2011.9-2012.06:
现场19个地面钻孔施工,井下17个钻孔施工,同时进行三维电法勘探,对孔位进行合理优化,取样进行岩体结构(裂隙)现场统计描述,井下巷道迎头裂隙调查,岩溶统计,室内岩石物理力学参数测试与分析,阻水系数测试,地应力测试,底板粘土岩矿物成分定量测试分析、膨胀性测定,阻水岩层三轴加卸载破坏全应力-应变-渗透系数变化测试等。
2012.7-2012.12:
进行注浆封堵突水通道,地面抽水试验,井下四五灰放水试验、徐灰放
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