地测第六章.docx
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地测第六章
第六章开采技术条件
第一节开采方法与顶底板条件
一、开采方法
凤凰山矿煤层稳定、煤质单一、地层平缓、构造简单,是国家重要的无烟煤生产基地之一。
建矿以来,一直主采3号煤层。
初期用炮采,后改用普采,上世纪80年代全部改为综采,现有3个综采队(其中2个年产过100万t)、2个机掘队、5个开拓掘进队。
由于3号煤层平均厚6.10m左右,采用分层开采方式,先采上分层,一般采高为3.00m,其余为下分层,二次开采。
上世纪90年代也曾在2305、2314、3304、3302、1322、4301等工作面试用1次采全高的采煤技术,取得了一定的经验,但终因某些技术问题尚需解决,未能全面推广。
1996年开始9号煤层的先期巷道掘进工作,1998年开始采出9号煤层。
由于3号煤层在井田北部被小煤矿大量破坏,凤凰山矿资源枯竭的现象日趋严重。
现在,每年安排生产250万t,且以3、9号煤层配采方式安排生产。
二、顶底板条件
(一)3号煤层
伪顶:
黑色泥岩或炭质泥岩,质软。
厚0~0.40m,多层结构层组,极不稳定,多随煤层开采而冒落。
炭质泥岩的抗压强度为135kg/cm2,普氏硬度系数为1.4,单向抗拉强度为8.1kg/cm2。
直接顶:
灰黑色砂质泥岩,含白云母碎片及植物化石,单层结构层组,一般厚5m左右。
裂隙发育,裂隙率平均0.35条/m。
中等稳定程度,抗压强度平均311kg/cm2,普氏硬度系数2.1,强度指数(D)37,初跨落距12~28m。
老顶:
灰白色细、中粒砂岩,厚层状,碎屑成分以石英、长石为主,钙质胶结,较坚硬。
单层结构层组,一般厚8m左右。
抗压强度614kg/cm2,软化系数0.469,普氏硬度系数7.5,易采比(N)17,初次来压步距(L)36。
按原煤炭工业部“关于缓倾斜煤层工作面顶板分类方案”,属Ⅱ类Ⅱ级中等稳定性顶板。
直接底:
黑色炭质泥岩,质软。
厚约1m。
抗压强度20.7kg/cm2(吸水状态下)。
常有受压变形和底臌现象,开采掘进中,进、回风巷曾发生多次底臌,综采支架向前推进也有推起底板的现象,对生产有一定影响。
老底:
砂质泥岩或泥岩,含炭质及植物化石碎片。
厚1.50~2.60m。
抗压强度135~311kg/cm2,普氏硬度系数6.3,软化系数0.705。
属中等~不稳定性底板。
(二)9号煤层
顶板:
深灰色石灰岩(K4上),厚0.15~3.65m,平均0.96m。
抗压强度1527kg/cm2,为稳定性顶板。
有时相变为砂质泥岩,抗压强度大大降低,给顶板管理增加很大难度。
底板:
黑色炭质泥岩、泥岩、砂质泥岩,质地疏松易碎,遇水软化后成泥糊状。
一般厚2.51m,属多层结构层组。
根据山西省地质矿产局1991年的样品人工重砂分析,该层为炭质高岭石粘土岩。
抗压强度154kg/cm2,属不稳定性底板。
(三)、15号煤层
顶板:
深灰色石灰岩(K2),致密性脆,夹燧石条带,含丰富的动物化石。
厚1.28~17.85m,平均9.11m。
抗压强度1572kg/cm2,是极为稳定的不易冒落的顶板。
底板:
灰色铝土质泥岩、灰黑色砂质泥岩、泥岩,局部夹粉砂岩或细粒砂岩。
多层结构层组。
在含铝土质较高的地段,具可塑性,遇水易膨胀变软。
抗压强度391kg/cm2,属中等~不稳定性底板。
第二节瓦斯、煤尘和煤的自燃
一、瓦斯
经多年的观测和测试,可知本矿未发生过瓦斯突出和喷出(表6-2-1),瓦斯在井下甚至在井上缓慢地扩散释放出来。
瓦斯相对涌
表6-2-1矿井瓦斯等级和二氧化碳鉴定表
年份
测定
区域
月均日产量(t)
瓦斯
二氧化碳
煤尘
本年度
月最短发火期
绝对
(m3/min)
相对
(m3/t)
等
级
绝对
(m3/min)
相对
(m3/t)
爆炸指数(%)
爆
炸
性
煤与沼气突出次数
沼气喷出次数
1996
9.84
低
5.68
1997
北回
风井
996
6.79
9.70
低
4.46
6.44
9.03
无
无
无
无
1998
四盘区回风
480
3.21
9.60
低
2.55
7.60
9.03
无
无
无
无
1999
南回
风井
5576
37.72
9.72
低
15.47
3.99
9.03
无
无
无
无
2000
北回
风井
3266
22.38
9.52
低
9.21
4.06
9.03
无
无
无
无
2001
北回
风井
3004
12.78
6.13
低
7.26
3.48
9.03
无
无
无
无
2002
北回
风井
2076
13.80
9.60
低
6.10
4.20
9.03
无
无
无
无
出量除2001年为6.13m3/t外,其余年份在9.52~9.84m3/t之间,属低瓦斯矿井。
但由于局部生产或通风不正常,或对古窑、小煤矿封堵不严造成漏气(瓦斯),使瓦斯相对涌出量大大增加,局部地段高达34.00m3/t(表6-2-2)。
由于管理不善,1983年6月12日在一
表6-2-2各测点相对瓦斯涌出量(m3/t)表
测定区域
1997年
1998年
1999年
2000年
2001年
2002年
北回风井
9.70
5.50
5.30
9.52
6.13
9.60
南回风井
5.20
34.00
9.74
6.08
4.48
5.80
二水平回风斜井
7.88
四盘区回风巷
7.38
9.60
二一一二巷
4.25
30.87
5.39
8.56
3.03
3.20
五一○六巷
2.74
2.98
二一一六巷
4.11
4.13
4.20
二水平回风暗斜井
14.60
2.07
3.01
3.90
北翼回风
3.44
南翼回风
7.23
北回风南翼
4.56
6.00
8.50
三三○二回风巷
4.17
回风暗斜井
3.46
注:
各测点之值均取上、中、下旬之中的最大值
盘区运输巷东侧材料巷交叉口向西20m的盲巷内,曾发生过瓦斯爆炸,致使43m的棚子倒塌,工具、背板冲出38m,2人受伤。
瓦斯是煤中有机质在变质过程中,芳香族大分子的侧链和官能团(主要是CH4)“逐渐断裂和脱落”而形成的。
变质程度愈高,“逐渐断裂和脱落”的过程愈长、愈完善,生成的瓦斯愈多。
据国外报道,生成1t褐煤可产生68m3瓦斯;生成1t肥煤可产生330m3瓦斯;生成1t无烟煤可产生400m3以上瓦斯。
可见变质程度最高的本区无烟煤曾产生过大量瓦斯。
9、15号煤的变质程度高于3号煤,故煤的瓦斯含量和相对涌出量均高于3号煤。
该矿1985年的瓦斯相对涌出量最大不超过4m3/t,到1996年以后增加到9m3/t以上,个别点甚至达到34m3/t。
除别的因素外,近年增采变质程度高于3号煤的9号煤亦是一个原因。
据此分析,随着采掘9号煤层份额的增加和变质程度更高的15号煤层的开采,矿井瓦斯相对涌出量将愈来愈高。
由于瓦斯的比重小于空气和向压强小的空间运移的通性,生成的瓦斯在漫长的地质年代里,透过煤层和顶板及上覆岩层的空隙、裂隙运移扩散。
煤层埋藏愈深,盖山愈厚,瓦斯向空气扩散的行程(煤及上覆岩、土层)愈长,所受阻力愈强,瓦斯愈难扩散而易保存。
据此可知,向斜轴部的瓦斯含量相对较高;反之,一般背斜轴部的瓦斯含量则较低。
如前所述,该矿虽曾产生过大量的瓦斯,但由于煤层埋藏较浅,煤层多处被抬升而出露于地表,在漫长的时代里向空气中逐渐扩散,这是造成本矿瓦斯含量甚低的主要原因。
9、15号煤层埋深大于3号煤层,其瓦斯含量和相对涌出量亦会在3号煤层的基础上逐层增加。
在同一层煤中,随着埋深的增加,瓦斯含量和相对涌出量亦会逐渐增加。
20世纪90年代以来,瓦斯相对涌出量大幅增加,除前述变质因素外,深度的增加也是一个主要因素。
日后,矿井的瓦斯相对涌出量将会随着开采深度的增加而“与时俱增”。
瓦斯的运移扩散除与埋深、盖山厚度有关外,与其上覆岩层的透气性—孔隙大小、孔隙率、裂隙大小、性质(张、闭程度)关系更大。
截至1992年6月,在井田内10km2范围内,发现21个陷落柱,密度达2.1个/km2和0.39%(按面积算),单个面积在120~7145m2之间。
陷落柱周边常出现小断层,煤层劈理发育,十分疏松,陷落柱内岩、煤层十分破碎,未见黄土。
总之,陷落柱透气性能极佳。
如此发育的陷落柱给瓦斯的扩散提供了绝好的通道,这无疑是造成本矿瓦斯含量低的原因之一。
背斜轴部受张力之影响,岩、煤层会形成不同程度的裂隙,增加其透气性,使瓦斯含量不同程度地降低。
但许多背斜由于曲度小(地层平缓),轴部岩、煤层受破坏小,裂隙不甚发育,特别是当盖层(煤层顶板)孔隙率很低时,其煤层顶板反而成为阻挡瓦斯逸散的盖子,致使沿煤层向上运移的瓦斯被阻隔、圈闭而富集。
综上所述,褶曲对瓦斯含量的影响,既要从瓦斯向上、向空气扩散行程的长短考虑,又要从行程的难易程度(由煤及上覆岩土的孔隙、裂隙发育程度和性质决定的透气性)考虑,决不可一概而论。
本区多为宽缓的短轴背、向斜,对瓦斯含量在平面上的分布影响不甚大。
煤、岩层的断裂程度、性质、透气性还影响断层对瓦斯的控制:
张性正断层面是瓦斯扩散的良好通道,其附近的瓦斯会降低;而由于挤压形成的逆断层的断层面却常常成为阻隔瓦斯扩散的“墙”,使之圈闭而富集。
纵贯本井田西部边界白马寺逆冲断层的中、下段附近的瓦斯会受这种作用而富集,特别是9号煤层和15号煤层。
这是本井田瓦斯重点防范区,应该引起特别注意。
整体讲,本井田煤层埋藏浅,瓦斯含量小,瓦斯压力小,瓦斯突出危险亦小。
但是,由于白马寺断层对煤层的挤压搓揉,不但使煤层变厚,使煤层结构遭到破坏,成为鳞片状(如3号煤下部软煤),而且使瓦斯圈闭富集,瓦斯压力增大。
巷道一旦进入上述地段—二仙掌向斜、山耳东北向斜与白马寺逆冲断层之间(煤层上部—瓦斯风化带除外),破坏了原来的压力平衡,在集中应力与地质构造应力共同作用下,迅速破碎煤体,瓦斯突然解吸,有可能造成瓦斯突出。
建议在进入上述地段之前,可对其测试瓦斯含量和瓦斯压力,采取措施释放瓦斯,降低瓦斯压力。
采煤时也要采取措施,如不同时布置两个及两个以上近距离的工作面,以免造成压力重叠,加剧瓦斯突出。
露头附近,由于空气、地表水和地下水渗入,煤层形成瓦斯风化带(亦称瓦斯逸散带),由浅而深受风化程度逐渐减弱,瓦斯含量和瓦斯中的CH4所占份额逐渐加大,而CO2所占份额逐渐减少。
《煤炭资源地质勘探规范》将这种分带划分为3带:
①二氧化碳—氮气带;②氮气—沼气带;③沼气带。
井田内风氧化带亦有这种瓦斯风化带现象,只是苦于没有基础资料,无法准确划出其宽度,更无法划分出3个带。
瓦斯涌出量的大小既与瓦斯含量大小有关,又与开采及通风有关。
3号煤层瓦斯相对涌出量等值线图上出现的10~30m3/t区,并不反映该地段瓦斯含量和相对涌出量肯定高于其它区,只因“独眼井”(只有人、煤、物的出入口,而无瓦斯排出口)相伴,将瓦斯排入本矿的该地段,加大了该地段的绝对涌出量,极大地加大了该地段的相对涌出量。
其它非正常区的出现亦是由于该矿矿井瓦斯等级和二氧化碳等级鉴定报告指出的“采样与通风不匹配”而造成的。
将图与1985年1月作的3号煤层瓦斯地质平面图相比,可以看出,同一矿井甚至同一地段(同一层煤的不同分层在不同时间开采)瓦斯相对涌出量的变迁。
综上所述,随着开采深度加深,煤的变质程度增加,所采煤的瓦斯含量会增大,加之采空区增大、所留煤柱增多,剩采煤炭、剩运煤炭和围岩都要释放瓦斯,使瓦斯相对涌出量明显增加,未来数年很可能超过10m3/t。
今后对一切采空区瓦斯的封闭或其它防治办法要确实有效和持之以恒;对一切原因引发的停风和一切盲巷,必须实行通足风再进入;对于二仙掌向斜、山耳东北向斜与白马寺逆冲断层之间的地段进行必要的瓦斯测试、研究,以便做到对症下药,万无一失。
二、煤尘
据历次报告和历年瓦斯鉴定表,矿上未曾发生过煤尘爆炸。
经全国技术权威部门——煤炭科学研究总院重庆分院鉴定(表6-2-3),证明该矿煤尘无爆炸性。
三、煤的自燃
建矿以来,井上、井下均未发生过煤的自燃。
但煤质相近的古书院矿地面煤堆在1962年10月曾发生过自燃。
王台铺矿1984年采样
表6-2-3煤尘爆炸试验表
采样点
工业分析(%)
爆炸性试验
结论
Mad
Aad
Vad
Vdaf
粘结性
火焰长度(mm)
抑制煤尘爆炸最低岩粉量(%)
95309掘进
1.76
14.56
8.50
10.15
2
10次试验均无火焰
0
无爆炸性
92302掘进
1.83
16.20
7.21
8.80
2
10次试验均无火焰
0
无爆炸性
鉴定日期:
2002年1月7日
送全国技术权威部门—抚顺煤研所做自燃性能鉴定:
9号煤层、15号煤层为易自燃煤。
建议凤矿对9、15号煤层分别采样进行煤的自燃试验。
第三节环境地质
凤凰山矿周边皆为农村,原生环境良好,仅有农耕活动,农民牲畜圈养,少量放牧。
河流、地表水体无污染,除夏季洪水造成水土流失外,其余几乎没有什么环境地质灾害。
随着工农业生产、采矿业的发展,原始生态环境遭到不同程度的破坏。
泛泛而言,煤矿开采造成的环境地质问题有:
①煤矸石堆积;
②采空区引起的地表裂缝、塌陷、滑坡等;
③井下矿坑排水和重介质洗选煤排水;
④粉尘、煤尘、生产系统扬尘;
⑤扇风机、压风机、皮带运输机、锅炉房等燥声;
⑥锅炉房排烟、排渣;
⑦生活污水、矿山医院废污水。
据1999~2002年观测统计资料,坑道涌水量252.31~302.01万m3/a。
洗选煤厂排放洗煤水1000~2000t/d。
全矿向地表排放污水156万m3/a,治理(循环利用)146万m3/a。
污水中有害物质主要是悬浮物0.013mg/L,生物耗氧量(COD)0.011mg/L,化学耗氧量(BOD)50.009mg/L;地下水位降幅累计21m,矿坑排水影响范围30km2。
从1970年开始,进行了岩层移动观测工作,在不同埋深、不同采煤方法及不同地质地形条件下,先后设观测站4个,除1个报废外,有2个取得了观测成果,初步获得了在采动过程中岩层移动和地表表现的基本特性及主要技术参数:
1级基岩移动角δ=73°58′,边缘角(采用)d0=60°,裂缝角平均80°20′。
采空区地表地裂缝3处,2002年10月发生1处,影响范围40000m2,2002年11月发生2处,影响范围分别为50000m2、70000m2。
井下开采导致的地面塌陷主要分布在无人居住或仅有少数居民零星分布的低山丘陵地带。
针对这种情况,矿上已根据山西省搬迁办法的居住面积标准列支搬迁费用,予以搬迁安置。
采煤产生的矸石约40万t/a,用双道前卸式箕斗排矸方式堆积到北入风井东北的荒地矸石堆上。
地表煤矸石等固体废物场占地面积0.1685km2,累计堆积1450万t。
重介质车间洗矸20万t/a,堆弃场地在北回风井西南的荒山坡地,矸石堆位于工业广场及居住区的下风向。
矿上用矸石造地100多亩,现9号煤矸石经过特殊处理也用来造地。
3号煤的硫份低,如果减少矸石中的杂夹煤,矸石山不自燃。
煤矸石等固体废物综合利用量2.5万t/a,井下采空区矸石充填,截至2002年底,采空面积4.13km2,治理面积4.07km2。
重介车间的洗煤水是闭路循环系统,建有2个角锥池,2台压滤机作为煤泥水处理的设备,实现闭路循环;建有事故沉淀池,供事故发生时排放用,并可兼作平衡调节储存洗煤水。
压滤机的滤饼与末煤相混合装车外运。
矿上建有工业污水处理厂1座,处理井下工业污水约3200m3/d,处理后的水质符合国家《工业三废排放标准(试行)》标准。
井下排水有2条排放途径,一是排至煤泥沉淀池,经处理后作为洗煤用补充清水;另一是直接排至大车渠水库。
以循环利用为主,排放量是极少数。
北回风井的扇风机和压风机躁声,与最近的村庄间有山地相隔,平面距离在950m以上,村庄接受到的声音级符合国家有关躁声卫生标准。
压风机为无锡压缩机厂生产的5L—40/8型空压机,带有降低躁声的装置,使空压机的躁声发射级降至82dB,符合《工业企业躁声卫生标准(试行)》的规定。
扇风机房内安装2台ZK60—4N.28型扇风机,拖动扇风机的设备为2台YR118/59—10型电动机,其中1台工作,1台备用。
室内躁声超标,按设计建有隔音值班室,工人可以在允许躁声级的条件下工作。
原煤准备车间对2台T1S820F=14m2原煤分级筛设除尘系统,每台筛子设XLP/B-8.2型除尘器2个,除尘效率达90%左右。
根据原煤准备车间工艺特点,不设躁声控制设备。
矿上锅炉燃烧用低硫、低灰的3号煤,烟气中的SO2含量低,含尘浓度也低。
炉灰渣可与除尘器的集尘相混合后排至矸石山,也可由矿方自行安排利用或排放途径。
锅炉鼓风机、引风机安置于无人常住房间,操作工人在允许躁声级条件下工作。
矿上建有1座生活污水处理厂,处理污水约3000m3/d。
工业场地及居住区的生活污水经2级处理后,排放至大车渠水库,剩余污泥作农业肥料。
医院污水经液氯消毒后入污水处理站,与生活污水一并处理。
综上所述,煤矿开采造成的“三废”排放、矿山污染基本得到了控制。
第四节地温和地压
凤凰山矿建矿以来在开采3号煤层时,井下温度一般在14℃~18℃之间,常年变化不大。
沁水煤田南部因无岩浆活动,地温梯度小于公认3℃/100m的标准,且有从长治到晋城地温梯度增高的趋势。
根据有关资料统计,长治矿区地温梯度为1.15℃/100m,赵庄矿区1.23℃/100m,晋城矿区1.64℃/100m。
据此推算,凤凰山矿即使开采15号煤层,井下温度也不会大于20℃,不是影响生产的重要因素。
凤凰山矿3号煤层最大埋深301.19m(04号钻孔),一般埋深170m左右,在东北部和东四义村及西部白马寺逆冲断层附近,有3号煤层露头出现,15号煤层距3号煤层94m左右,最大埋深小于400m。
且3、9、15号煤层均有坚硬的老顶或直接顶,因而,该矿矿山压力不会很大,给选择支护创造了有利的条件。
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