第一章矿井概况与井田地质特征.docx
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第一章矿井概况与井田地质特征
摘要
综采工作面初采期间,老塘顶板不能及时垮落,形成大面积空顶,当顶板跨度过大突然垮落,造成采空区空气受压缩瞬间从支架间及顺槽释放形成飓风,极易造成人员伤害及设备损坏。
本文通过分析强制放顶工艺的适用条件和参数要求,介绍了强放工艺的施工方法,并结合实践经验,阐述了施工中影响强放效果的各种关键问题,为进一步完善强制放顶技术,提高综采工作面的作业效率提供了科学依据和理论指导。
关键词:
综采工作面;坚硬顶板;初采;来压;强制放顶
第一章矿井概况与井田地质特征
第一节概况
一、交通位置
该井田位于太原市东北,距市中心约16km,行政区划隶属太原市杏花岭区小返乡,其井田地理坐标为:
东经112°37′14″~112°38′59″,北纬37°55′56″~37°57′56″。
矿井交通较为便利,西距北同蒲铁路皇后园站6km,西距大运高速公路约5km。
西南距太原市中心约16km。
二、地形地貌
本区属中中低山黄土丘陵地貌,沟谷发育,多呈“V”字型,大多为黄土覆盖,基岩只零星出露。
本井田总的地势为东高西低,最高点位于井田南部山梁,高程为1123m,最低点位于井田西北部沟底,高程为925m,高差约198m。
三、河流
井田内无常年性流水,沟谷中平时无水,遇暴雨常发洪水,但雨后很快水退沟干,水流向西北汇入杨兴河,再向西南汇入汾河,属黄河流域,汾河水系。
四、气象
本区属暖温带大陆性季风气候,春季干旱多风,夏季炎热多雨,秋季凉爽晴朗,冬季绵长寒冷。
年平均气温9.4℃,1月份平均-7℃,7月份平均23.7℃;年降水量最小172.1mm,最大632.6mm,多年平均降水量457.8mm,冬春两季降水少,夏末秋初降水较大,降水量集中在7、8、9三个月。
无霜期170天,最大冻土层深度为77cm。
夏季多东南风,冬季多西北风,最大风速25m/s。
五、地震
据有关资料,近百年来本区未发生过大的破坏性地震,根据国家《建筑抗震设计规范》,本区地震设防烈度8度,设计地震加速度值0.20g。
第二节地质特征
一、地层
井田内地层由老到新有奥陶系中统峰峰组(O2f)、石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、上第三系上新统(N2)、第四系中上更新统(Q2+3)。
基岩大部为黄土覆盖,只在井田南部有零星出露。
1、上马家沟组(O2s)
在长沟勘探区57号钻孔揭露厚度203.89m。
底部为灰色石灰岩,其上呈蜂窝状,岩溶较发育。
中部为两层巨厚层状灰色白云质灰岩。
上部灰岩呈豹皮状,下部含泥质,溶洞较发育。
顶部为泥灰岩或角砾状泥灰岩含大量脉状石膏。
2、奥陶系中统峰峰组(O2f)
为含煤地层基底,厚83.68~127.26m,按岩性可分三段
(1)下段:
灰色角砾状石灰岩、泥灰岩。
底部泥灰岩含泥质较多,具可塑性。
其上石灰岩质纯,溶洞及裂隙较发育。
有时底部呈角砾状灰岩,上部为灰岩、泥灰岩互层,溶洞发育时才蜂窝状。
(2)中段:
深灰色角砾状泥灰岩,棱角状及次棱角状,含大量石膏脉,呈纤维状,泥灰岩中夹透镜状的灰白色晶质石膏,有的呈厚层状石膏,含泥质。
本段厚度变化较大,与有无石膏矿及其多少成正比。
(3)上段:
灰、深灰色厚层状灰岩、泥灰岩、夹白云质泥灰岩,裂隙溶洞较发育,裂隙多被方解石脉填充。
本段顶部风化面灰岩为灰褐色硅质灰岩,由灰色中粗晶钙质团块,绿灰色硅质团块,浅褐色菱铁质泥质团块组成,含分散状黄铁矿。
3、石炭系中统本溪组(C2b)
与下伏峰峰组地层为平行不整合接触,厚22.37~50.28m,平均厚31.15m。
底部为黄铁矿和铝土岩,据长沟勘探区地质报告,黄铁矿层呈鸡窝状不稳定,厚0.71~4.01m,平均1.72m;其上为铝土泥岩。
中部为灰色粉砂岩夹薄层泥岩及煤线,局部夹灰岩。
顶部为泥岩夹薄层粉砂岩。
4、石炭系上统太原组(C3t)
以K1砂岩为基底,连续沉积于本溪组之上,厚度为99.45~119.57m,平均107.61m,为本井田主要含煤地层。
根据岩性组合分三段:
下段(C3t1):
从K1中砂岩底到15号煤层顶,厚27.40~42.50m,平均35.58m。
底部为K1中砂岩,以石英砂岩为主,底部有时含砾,分选磨园度差,胶结较好。
其上为泥岩、砂质泥岩,局部夹粉细砂岩,顶部为全区稳定可采的15号煤层。
中段(C3t2):
从L1灰岩底至L3灰岩顶,厚32.91~59.20m,平均47.41m。
L1灰岩为15号煤层顶板。
L1灰岩又名南窑沟灰岩,以泥灰岩为主,含丰富的动物碎屑化石。
其上为砂质泥岩夹粉砂岩。
发育有K2石灰岩,K2石灰岩又名关门沟灰岩,质较纯,富含动物碎屑化石。
L3石灰岩位于该段顶部,13号煤层之上,又名石齐凹灰岩,以泥灰岩为主,富含动物碎屑化石。
13号煤层厚度薄,不可采。
上段(C3t3):
自L3石灰岩顶至L4石灰岩顶,厚度15.10~30.54m,平均24.62m。
L3石灰岩之上为窑头砂岩,窑头砂岩系中细砂岩,以石英为主,含喷出岩屑及石英片岩屑,分选性、磨园度差,含大量浅海动物化石,具叠层或叠锥构造;L4石灰岩又名瓜地沟灰岩,位于太原组顶部,厚度不稳定,在井田东部尖灭;局部发育11号煤层,不可采。
5、二叠系下统山西组(P1s)
由灰、深灰色泥岩及灰、灰白色砂岩和薄煤层组成,是本井田含煤地层之一。
含煤2层:
自上而下依次为3、6号煤层,均为不稳定不可采煤层,底部以K3砂岩与太原组分界,与下伏太原组呈整合接触。
本组地层在井田东部剥蚀,赋存厚度为66.50~98.86m,平均79.92m。
6、二叠系下统下石盒子组(P1x)
连续沉积于山西组之上,井田内大部遭剥蚀,只残留于井田西北部向斜轴部,最大残留厚度>50m左右。
由灰、黄绿、灰绿色中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成,下部夹不稳定薄煤层,底部为灰色、灰绿色粗-细粒砂岩(K4砂岩),厚2.46~11.60m,平均7.31m。
7、上第三系上新统(N2)
不整合覆盖于基岩之上,底部为灰黄色砂砾层,其顶部胶结甚好,下部胶结疏散。
砾石成分以灰岩为主,其次为碎屑。
岩性以棕红色、紫红色粘土夹层数不等的砾石层和砾岩透镜体组成。
厚0~25m,平均15m左右。
8、第四系中上更新统(Q2+3)
为一套红黄色、棕黄色亚粘土含钙质结核、古土壤层和底砾石组成。
砾石以石灰岩、砂岩为主,次棱角状,分选不好,局部含较多的砂砾石透镜体,在砂质粘土中可见少量动物残骸及较多的植物根部印痕,黄土中含砂质较多。
本组广泛分布于山脊、山坡上,厚度0~80.00m,平均30m左右。
二、地质构造
本井田位于沁水煤田东山矿区东北边缘,东山向斜西翼的转折部,总体构造为一组北西向褶曲构造,断裂构造较发育,详叙如下:
1、褶曲构造
S1向斜:
位于井田北部,轴向自东向西由近东西转北西,北东翼地层倾角4~25度,一般7°左右;西南翼地层倾角8~17°,一般12°左右。
S2背斜:
位于S1向斜南,轴向自东向西由近东西转北西,北东翼为S1向斜的西南翼,西南翼地层倾角9~16°,一般13°左右。
S3向斜:
位于S2背斜南,轴向北西,北东翼为S2背斜的西南翼,西南翼地层倾角3~16°,一般10°左右。
S4背斜:
位于S3向斜南,轴向北西,北东翼为S3向斜的西南翼,西南翼地层倾角6°左右。
S5向斜:
位于井田南部,轴向北东,北西翼为S4背斜的西南翼,东南翼地层倾角5~12°,一般8°左右。
2、断裂构造
本井田共揭露断层8条,除F8断层为地面填图而来外,其它均为井下巷道揭露,这些断层均为正断层,落差3~15m,走向以北西向为主。
其特征见下表。
主要断层一览表
断层编号
位置
性质
走向
倾向
倾角
落差
(m)
井田内延伸长度
(m)
F1
井田北部
正
N66°E
SE
75°
3
380
F2
井田北部
正
N86°W
S
45°
6
240
F3
井田北中部
正
N30°W
SW
70°
5
1550
F4
井田西北部
正
NS
W
70°
15
900
F5
井田中部
正
N62°W
SW
75°
5
650
F6
井田中部
正
N57°W
SW
75°
10
1230
F7
井田中部
正
N59°W
NE
75°
10
1150
F8
井田南部
正
N83°E
N
75°
5
570
3、陷落柱
地面未发现陷落柱,在井下生产过程中,共发现10个陷落柱,一般均为椭圆形或圆形,长轴直径最大约85m,一般40m左右。
根据地表和该井田井下巷道揭露,井田内未发现岩浆岩侵入现象。
本井田构造属简单类型。
其特征见下表。
陷落柱一览表
陷落柱编号
位置
长轴直径(m)
陷落柱编号
位置
长轴直径(m)
X1
井田北部
85
X6
井田西北部
38
X2
井田北部
16
X7
井田西北部
48
X3
井田西北部
58
X8
井田西北部
41
X4
井田西北部
28
X9
井田西北部
50
X5
井田西北部
24
X10
井田西北部
43
第二章回采工艺设计
一、回采工作面采煤、装煤、运煤方式及设备选型
矿井以一个生产采区、一个综采放顶煤工作面保证矿井设计生产能力。
针对15号煤层首采区的赋存条件及开采技术条件,本着“选用性能良好、安全可靠,并能适合于矿井具体条件的先进设备”的原则,并结合太原东山煤矿集团公司的实际使用放顶煤设备情况,对工作面采、装、运设备进行选型。
1、采煤机选型计算
工作面装备的采煤机为MG-160/380-WD型电牵引双滚筒采煤机,最大采高3.0m,截深0.8m。
电机功率380kW。
⑴采煤机实际生产能力计算
采煤机双向穿梭割煤,前滚筒割顶煤,后滚筒割底煤,滚筒自旋使其截齿将煤破碎。
采煤机端头斜切进刀,割三角煤采煤,割煤与移架、推前部刮板输送机及拉后部刮板输送机顺序进行。
因此,东兴煤矿15号煤层的采煤机的平均落煤能力为:
式中:
-采哇n煤机平均落煤能力。
t/h;
——工作面平均日产量,t/d;
——采煤机截深,0.8m;
——平均割煤高度,2.8m;
γ——实体煤容量,15号煤层1.35t/m3。
C——工作面采煤机割煤回采率,90%;
L——工作面长度,140m;
Ls——刮板输送机弯曲段长度,25m;
Lm——采煤机两滚筒中心距,12.15m;
Td——采煤机转向时间,1min;
——综放工作面平均顶煤厚度,3.03m;
——沿工作面方向放顶煤面长度,134m;
——顶煤回收率,80%;
K——采煤机平均日开机率,0.4;
T1——综放工作面日生产时间,1440min;
综放工作面长度140m,
=2727t/d,
=134m,工作面采煤机平均落煤能力:
⑵采煤机平均割煤速度
⑶采煤机最大割煤速度和最大生产能力
当综放工作面日进尺为3.2m时,采煤机最大割煤速度:
当综放工作面日进尺为3.2m时,采煤机最大生产能力:
⑷采煤机装机功率
当综放工作面日进尺为3.2m时,采煤机单位能耗计算采煤机割煤功率为:
式中:
⑸采煤机型号及主要技术参数见表
采煤机参数
采煤机型号
MG160/380-WD
采高(M)
1.4-3.0
截深(MM)
630、800
适应倾角
<=35°
滚筒直径(MM)
¢1250、¢1400、¢1600
滚筒转速(R/MIN)
39.65、45.75、52.46
摇臂长度(MM)
1798
摇臂摆动中心距(MM)
6760
牵引力(KN)
360
牵引速度(M/MIN)
0-7.5/10.0
牵引形式
齿轮销轨
机面高度(MM)
1180
最小卧底量(MM)
145
灭尘方式
内外喷雾
装机功率(KW)
380
电压(V)
1140
机重(T)
28
2、后部输送机
⑴后部输送机能力算
要实现综放工作面高产高效,工作面采煤机割煤和放顶煤工序应最大限度地平行作业,在选择综放工作面参数和设备能力时,应使采煤机平均循环割煤时间Tc与放顶煤平行循环时间Tf匹配,以减少两个工序的相互影响时间,提高工作面单产。
由于本矿是割一刀煤放一排顶煤,因此:
因此与采煤机落煤能力相配套的工作面平均放顶煤能力为:
式中:
——工作面平均放顶煤能力,t/h;
m——放煤步距与采煤机截深之比,一采一放时m=1;
——放出顶煤的含矸率,取15%;
——放顶平均厚度,这里取3.03m。
当日进尺为3.2m时,满足工作面最大放煤流量的要求的后部刮板输送机能力:
式中:
——放煤流量不均匀系数,考虑到顶煤硬,出现大块的可能性大,取1.5。
——考虑运输方向及倾角系数,取1。
运输方向及倾角系数
运输方向
不同工作面倾角的
y值
5°~10°
>10°
向上
1.3
1.5
向下
0.9
0.7
⑵后部输送机型号及参数及电动机功率校核
A、后部输送机型号及参数见表
后部输送机参数
刮板输送机型号
SGZ-630/264
输送能力
Outputcapacity
450t/h
装机功率
Power
2*132KW
链速
Chainspeed
1.18m/s
刮板链型式
Flightbartype
中双链
链条规格
Chainsize
ф22*86
链条破断负荷
Chainbreakingload
610KN
中部槽规格
linepan(LxWxH)
1500*590*257mm
B、功率校核
输送机电动机功率的大小要根据工作面倾角、输送机铺设长度和输送机量的大小等具体条件决定,其关系式为:
式中:
k——电动机功率备用系数,以1.15~1.2;
k1——刮板链绕过两端链轮时的附加阻力系数,取1.1;
k2——输送机水平弯曲时附加阻力系数,取1.1;
β——刮板输送机安装倾角(°);
L——刮板输送机铺设长度,m;
V——刮板输送机链速,m/s;
ω——货载在溜槽中运行阻力系数,0.6~0.8;
ω1——刮板链在溜槽中运行阻力系数,0.3~0.4;
η——传动效率,η=ηj×ηy;
ηj——减速器传动效率,0.9~0.94;
ηy——液力偶合器传动效率,0.96;
q——货载每米重力,N/m,
;
qo——刮板链每米重量,N/m;
Q——输送量,450t/h。
代入值可以求得,No=130kW,而每个电机功率就达到132kW,因此矿井回采工作面刮板输送机功率2×132kW完全能满足工作面年产0.90Mt/a的需要。
3、前部输送机
采煤工作面前部输送机同样选用的是SGZ630/264型可弯曲刮板输送机,铺设长度140m,运输能力450t/h,链速1.18m/s,电机功率2×132kW。
同理经过验算,功率满足工作面年产0.90Mt/a的需要。
4、转载机
⑴转载机生产能力计算
转载机的生产能力应能满足综放工作面两输送机的卸载要求:
其生产能力按下式计算:
式中:
——转载机生产能力,t/h;
——采煤机平均落煤能力,81t/h;
——工作面平均放顶煤能力,133t/h;
——采煤机割煤速度不均匀系数,1.5;
——放煤流量不均匀系数,1.5
当综放工作面长度为140m,日进尺3.2m时,转载机生产能力为:
⑵转载机型号及参数见表
转载机参数
转载机型号
SZZ﹣764/132
标准长度
41.2
链速m/s
1.3
圆环链mm
φ26×92
输送量t/h
1000
5、破碎机
破碎机选用PCM110型颚式破碎机,破碎能力1000t/h,电机功率110kW。
工作面主要机械设备选型见表。
综采放顶煤工作面主要设备表
设备名称
设备型号
功率
(kW)
单位
数量
双滚筒采煤机
MG-160/380-WD
380
台
1
可弯曲刮板输送机
SGZ-630/264
2×132
台
2
破碎机
PCM-110
110
台
1
转载机
SZZ—764/132
132
台
1
可伸缩胶带输送机
DSJ1000/2×75
2×75
台
1
液压支架
ZF4400-17/28
架
99
过渡液压支架
ZFG4800-20/30
架
4
单体液压支柱
DZ28—25/110
根
120
π型钢梁
HDL—3000
根
60
乳化液泵站
BRW315/31.5
200
套
1
喷雾泵站
DPW315/10K
75
套
1
探水钻
ZQSJ-90/2.4
15
台
1
二、工作面顶板管理方式及支护设备选型
1、工作面顶板管理方式
根据确定的综采放顶煤采煤方法,工作面顶板采用全部垮落法管理。
最大控顶距为4.80m,最小控顶距为4.20m。
2、工作面放顶煤支架选型
根据矿方提供的资料及邻近煤矿实测的矿压数据,设计采用“老顶周期来压步距法”和“估算法”计算液压支架工作阻力。
A、老顶周期来压步距法
P=(-3.6+5.8M+1.4L2+3.6Lm)·F
式中:
P——预计液压支架设计工作阻力,t/架;
M——煤层机采高度,取3.0m;
L2——实测老顶周期来压步距,取20m;
Lm——控顶距,取4.5m;
F——支架支护面积,取6.75m2。
则:
P=(-3.6+5.8×3.0+1.4×20+3.6×4.5)·6.75=391.5t/架=3836.70kN/架
B、估算法
P=(6~8)×9.8SγMcosα
式中:
P——预计液压支架设计工作阻力,kN/架;
S——支架支护的顶板面积,m2;
γ——顶板岩石视密度,2.5t/m3;
M——采高,取3.0m;
α——煤层倾角,取5°。
则:
P=8×9.8×6.75×2.5×3.00×cos5=3954kN/架
设计根据上述计算的液压支架工作阻力,结合副斜井井筒断面尺寸,综采放顶煤工作面液压支架初选ZF4400-17/28型低位插板中型放顶煤液压支架,支撑高度1.7~3.4m,放煤方式为摆动尾梁及低位插板,工作阻力4400kN,支架重量15.4t。
支架自带煤帮侧护板。
工作面端头过渡放顶煤支架初步选用ZFG4800-20/30型液压支架,工作阻力4800kN,支护高度1.8~3.3m。
工作面超前20m采用DZ28—25/110型单体液压支柱配HDL-3000型Π型钢梁支护。
3、支架及数量
工作面放顶煤液压支架架间距为1.5m,合计90架,加10%备用9架,共计99架;其中工作面端头过渡支护选用ZFG4800-20/30型4架。
三、坚硬顶板强制放顶工
1、强制放顶的适用条件及其原理
强制放顶需要工作面顶板满足以下要求:
顶板岩性较为坚硬、完整性较好,正常推采10m后无伪顶或直接顶冒落的现象;施工环境内不存在瓦斯突出问题。
通过对老塘顶板预裂爆破,促使其及时垮落,避免老塘顶板形成大面积悬顶。
尽可能使冒落的矸石基本充满采空区,以起到支持上覆岩层的作用,在实现工作面随采随落作业目标的同时,有效缓解顶板垮落的冲击强度,降低有害气体的积存,降低瓦斯涌出事故的风险性。
2、强制放顶孔技术参数确定
因205工作面切眼高3.5m,岩石碎胀系数1.3,为保证强放后顶板岩石重填满切眼空间,根据公式:
1.3H=3.5+H,易得孔垂深H=11.7m,为保证后期装药时,便于装药,眼孔角度30°,这样易得炮眼斜深23.4m,205切眼炮眼深度取24m。
在切眼回风侧布置6个掏槽眼,其余区段布置爆破眼,炮眼间距为8m,共计37个炮眼,具体见205切眼强制放顶炮眼布置平面示意图及205切眼强制放顶炮眼布置侧视示意图(见图1)。
3、药包制作
炮眼施工应在工作面设备安装前进行,通常情况下待工作面推进4-6m后,将药包及炮泥装在长2m的PVC管内,通常情况下,PVC管应具有良好的抗静电性能、刚度和韧性,直径比炮眼直径略小,这样既可方便向顶板装药,也可防止产生静电,触发雷管。
4、井下装药、爆破
将预先制作的药包、炮泥及导爆索逐节装入炮眼内,炮眼底部用锥形木塞塞紧,导爆索沿木塞预先留设的小孔引出,导爆索应自顶板下垂至距离底板约1m高度处,以方便连线;连线时,雷管两脚线分开并做好脚线绝缘皮的保护,避免形成短路,出现拒爆现象。
5、强制放顶工艺中应注意的问题
为保证爆破安全和强制放顶的效果,放炮作业应合理安排各道工序,通常制作药包及装药时,应分4-6组同时进行,并须严格执行“一炮三检”与“三人连锁放炮”制度的落实,做好爆破作业安全。
装药前,应将PVC管壁的杂物清理干净,保证装药顺畅;PVC管与孔壁孔隙过大,或摩擦系数过小,会影响爆破效果;如PVC管质脆易折、强度过低,则无法满足设计中要求的填药量,因此相关操作人员必须重视这些影响爆破效果的重要细节。
大量炸药一次起爆时,产生强烈冲击波,在易损坏的通防设施旁设置专人,以便于及时修复。
同时,工作面及回风流中CO浓度骤然升高,将严重污染井下空气,并同时导致围岩松动破坏,因此应分次爆破,并适量增加工作面风量,降低污染物浓度。
参考文献:
[1]杨相海,张杰.西安科技大学学报[J].西安科技大学期刊中心,2009(03):
1-2.
[2]张立辉.综采工作面强制放顶工艺及实施过程中应注意的安全问题[J].神华科技,2012(05):
1-2.
作者简介:
苗念宽(1983―),男,江苏徐州人,助理工程师,研究方向:
采矿工程专业。
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- 关 键 词:
- 第一章 矿井概况与井田地质特征 矿井 概况 井田 地质 特征