煤矿611工作面防水砂煤柱安全回收新举措.docx
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煤矿611工作面防水砂煤柱安全回收新举措
企业管理创新成果主报告
成果名称:
611工作面防水(砂)煤柱安全回收新举措
申报企业:
淮北矿业集团朔里煤矿
报送日期:
2010年5月31日
611工作面防水(砂)煤柱安全回收新举措
一、成果产生的背景
2002年,611工作面形成后,由于实际倾角比设计时变缓,工作面大部分块段超过了多年来严格遵守的回采上限,致使整个工作面的回采处于一种待定的状态。
如果按接替要求安装回采,又怕造成突水而引起安全事故;如不进行回采,则45万吨的储量就将被闲置,这对矿山甚至对国家都是一种浪费。
为了既不浪费国家宝贵的资源,又不冒险盲目生产,对611工作面进行回收技术研究,自然而然就成为科技攻关主要目标。
于是,经矿同意并报集团公司批准,“朔里煤矿611工作面防水(砂)煤柱回收新举措”便被立项采纳。
二、成果的内涵特征(主要内容和特点)
朔里煤矿611工作面主采煤层为6煤,其倾角6-10°,平均6°,近水平。
从611工作面范围内的7个钻孔揭露资料看,上覆第四系松散层总厚度64.90(H97孔)~74.90(H83孔)m,平均68.76m,粘土夹砾石隔水层厚度33.51(86-11孔)~46.63(2002-科1孔)m,平均42.23m。
按照“三下开采规程”计算,611工作面均在防砂煤柱范围内,采后冒裂带高度发育至底含。
潜在溃水、溃沙威胁。
为了安全开采朔里煤矿松散层水体下的防水(沙)煤柱储量,必须开展防水、防沙和防塌技术研究,重点对新地层特别是底含的水理特性及渗透稳定性、风化带的工程特性、覆岩的变形破坏规律等进行研究,提出611面安全开采的防水、防沙及防塌技术新的措施。
三、成果的具体做法
首先对611工作面原有的钻探资料进行分析,查看原有资料中的不足之处,针对资料中不足的地方,重新布置补勘工程,将补勘工程成果和原有钻探成果综合分析总结,对工作面的安全回采进行评估,并制定新的举措确保安全生产,下面是具体做法:
(一)、对原有资料分析:
1、含水层特征
1.1松散层水文地质特征
从611工作面范围内的7个钻孔揭露资料看,上覆第四系松散层总厚度64.90(H97孔)~74.90(H83孔)m,平均68.76m,粘土夹砾石隔水层厚度33.51(86-11孔)~46.63(2002-科1孔)m,平均42.23m(具体数据及岩性见下表)。
松散层厚度及粘土夹砾石隔水层情况
孔号
新地层厚度(m)
其中粘土层隔水层
隔水层厚度(m)
岩性特征
H83
74.90
40.16
粘土夹砾石(无底含)
H92
69.90
45.63
粘土夹砾石(无底含)
H97
67.81
45.22
粘土夹砾石,砾石大小不一,成分复杂(无底含)
86-11
69.12
33.51
上部为粘土,粘塑性强,下部为砂质粘土,成分以粘土为主,含少量粉砂
2002-科1
68.00
46.63
粘土及粘土夹砾石
科研-2
64.90
>6.48
粘土,粘塑性较好。
取芯厚度6.48m,其上为刮刀判层
科研-3
66.70
>13.30
灰白色夹土黄色粘土,粘塑性较好。
取芯厚度13.3m,其上为刮刀判层
平均
68.76
42.23
科研-2、科研-3孔隔水层厚度未参与统计
本工作面范围内及附近松散层厚度稳定,粘土夹砾石隔水层厚度大,且分布稳定,岩性以粘土、粘土夹砾石为主,塑性较好。
据2002-科1孔测试资料,矿物成分中粘土矿物含量大于65%,塑性指数14-16,内聚力67.9-109.9KPa,渗透系数为10-5(m/d)数量级。
粘土及粘土夹砾石层隔水性能良好,可有效阻隔地表水、含水层水对煤系地层的补给。
1.2松散层底部含水层
根据井上下钻探资料,底含以半固结至松散状细砂及少量砾石组成,呈透镜状连续分布。
H83、H92、H97钻孔处缺失,其他部位厚0.86~5.17m,平均2.63m,岩性多为粘土夹砾石,有时含砂,砾石大小不一,级配较好,含、富水性弱。
井下钻探期间该含水层均无水,进一步证明了底含富水性弱。
矿井勘探时六一采区南部H63孔对底砾层和风化带进行了混合抽水试验,抽水试验资料如下:
单位涌水量q=0.0563~0.0758L/s.m,渗透系数K=0.367m/d,水质类型为HCO3-SO4-Na-Ca型和Cl-HCO3-Na-Ca型。
具体岩性特征见下表.
第四系底含厚度及岩性
孔号
厚度(m)
岩性特征
H83
无底含
H92
无底含
H97
无底含
86-11
2.47
粘土夹砾石,砾石成分以钙质为主,砾径小于1.5mm
2002-科1
5.17
土黄色砂砾,松散状,下部砾石相对较多
科研-2
2.00
土黄色细砂,松散状,砂质成分主要为石英
科研-3
2.32
土黄色粉砂,半固结状,砂质成分主要为石英
Q03-1
2.33
粘土夹砾石,砾石较少
Q03-2
3.98
上部厚2.54m,固结较好,由粘土逐渐过渡到砂质粘土、粘土质砂,砂含量渐渐增大,由10%至30%,再增至60%;下部厚1.44m为砂质粘土夹砾石,含砂量20%,砾石不规则,棱角状,大小不一,砾径5-25mm
Q03-3
1.09
砂质粘土夹砾石,含砂量30%。
砾石多棱角状,磨园度差,大小不一,砾径5~50mm不等
Q03-4
3.43
上部厚2.14m为砂质粘土夹砾石,砾石大小不一,不规则,棱角状;下部厚1.29m为粘土质砂,固结较好,砂含量渐渐增大,底部砂含量近50%
Q03-5
0.86
砂质粘土夹砾石,砂含量小于5%,砾石含量较少
平均
2.63
说明:
H83、H92、H97未参与统计(均未揭露底含)
1.3煤层顶板砂岩裂隙含水层
611工作面煤层顶板岩性复杂,由泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩等组成,含水层组界限很难划分,风巷由于接近新生界底界面,岩石已风化,且风化裂隙多被充填,富水性较弱。
工作面中下部,煤层老顶多为砂岩,粒度粗,厚度大,含水相对较丰富,但由于下阶段工作面均已开采完毕,对其进行了疏放,因此顶板砂岩水富水性弱。
1.4太原群灰岩含水层
厚度150m,由石灰岩、砂岩及泥岩组成,含石灰岩12层,由上至下分别为1灰、2灰、3灰、4灰,……,12灰,对开采有影响的主要是上段1-4灰含水层。
1-2灰层单层厚度1-4m,结构致密,裂隙被方解石充填,层间多为砂岩和砂质泥岩,3-4灰单层厚度7-13m,裂隙发育,部分被方解石充填,富水性不均一。
2、工作面充水因素分析
611工作面开采期间主要受底含水、煤层顶板砂岩水、太灰水影响。
2.1底含水
底含岩性主要为粘土、砂质粘土或粘土质砂夹砾石,富水性弱,径流不畅。
611风巷补充勘探钻孔施工过程中以及施工结束后,各钻孔均未出水,证明611工作面上覆底含处于疏干状态。
底含之上粘土夹砾石隔水层厚33.51~46.63m,平均42.23m,分布稳定,隔水层隔水性能良好,可有效阻隔地表水及其以上含水层水进入井下。
底含总体上不发育,单位涌水量q<0.1L/s.m,为含水小的含水层,井下钻探证实不含水,已处于疏干状态,按“三下”开采规程,水体采动等级属Ⅲ类,可以留设防塌安全煤岩柱进行开采。
2.2顶底板砂岩水
该面周边的工作面均已回采完毕,且工作面总体呈一单斜构造,煤层顶底板砂岩裂隙水已疏干,从该面巷道掘进过程看,迎头仅有滴水现象,推进一段距离后,滴水基本停止,井下补勘钻孔施工至砂岩段时亦无出水现象。
因此,该含水层不会对611工作面开采构成威胁。
2.3太原群灰岩水
本面内86-11钻孔揭露6煤层底板至一灰顶距离58.06m,据附近工作面探查孔及西大巷放水孔揭露6煤层底板下距一灰一般距离55m,工作面最低点标高-80m,根据地面灰岩孔实测水位换算的工作面最大水压值小于1.0MPa,一灰的突水系数远小于临界值0.07MPa/m。
一二灰单层厚度小,结构致密,裂隙被方解石充填,富水性较弱。
因此,底板灰岩水对工作面没有威胁。
(二)针对性补勘:
为进一步查明粘土夹砾石隔水层及底含的水文地质条件,611工作面范围内及附近,补充施工了三个地面水文孔和五个井下探查孔。
在工作面风巷外煤层露头附近从地面施工了水文补勘孔2002-科1、科研-2、科研-3,总工程量260.02m,对第四系松散层、粘土夹砾石隔水层、底含的厚度、含水性等水文地质参数进行了探查,并取样化验。
在611风巷向上施工了5个底含探查孔(分别为Q03-1、Q03-2、Q03-3、Q03-4、Q03-5五个孔),总工程量137.6m。
补勘工程及样品测试取得成果简述如下:
⑴矿物成分:
第四系松散层主要由粘土、粘土质砂或砂质粘土、粘土夹砾石组成。
主要矿物成分为粘土矿物(65%左右),其次碎屑矿物(35%左右)。
粘土矿物含量占绝对优势,有利于阻隔地下水的径流。
⑵物理力学性质:
粘土夹砾石样的物理力学性质测试结果为,粘性土的塑性指数在14-16之间,可塑性较强,内聚力最大达109.90Kpa,具有一定的强度。
⑶渗透性特征:
根据室内渗透性测试,底部的粘土夹砾石层的渗透系数为10-5(m/d)数量级,说明其渗透性较差。
⑷颗粒级配:
2002-科1孔对于粘土夹砾石和粘土岩芯采取较完整,但底含未取到理想的样品。
对于粘土夹砾石土样进行了颗分实验,粘粒含量占绝对优势(75%左右),砂级含量仅占25%,其中砾石含量为3.33~3.55%。
砾石粒径一般为2~10mm,最大35mm。
底部的砾石粒径较大,最大粒径达100mm。
⑸6煤覆岩的工程地质特征:
6煤顶板岩性为砂岩及砂质泥岩组合,或泥岩、砂岩及粉砂岩组合。
正常情况下顶板岩石单向抗压强度大于20MPa,应属中硬覆岩。
但在接近风氧化带处,覆岩风化较严重,性脆易碎,因此顶板覆岩岩石单向抗压强度较小,小于20MPa,属软弱类型。
⑹基岩面标高:
根据井上下钻孔资料,611工作面风巷附近有H97、2002-科1、科研-2、科研-3、Q03-1~Q03-5等9个钻孔,基岩面起伏情况控制程度较高,基岩面标高-33.4~-29.63m,起伏不大,基本水平。
⑺覆岩厚度:
611风巷Q03-1~Q03-5探查孔探查的覆岩厚度为13.17~20.57m。
(三)开采安全性评价
1、底含水对工作面安全开采的评价
根据以上资料分析,611工作面底含不发育,单位涌水量q<0.1L/s.m,为含水性小的含水层,井下钻探证实不含水,已处于疏干状态,按“三下”开采规程,水体采动等级属Ⅲ类,可以留设防塌安全煤岩柱进行开采。
6煤顶板岩性为砂岩及砂质泥岩组合,或泥岩、砂岩及粉砂岩组合。
接近风氧化带处,覆岩风化较严重,性脆易碎,因此顶板覆岩属软弱类型。
根据“三下”开采规程附表6-1中软弱覆岩公式计算垮落带高度:
工作面采高取最大值3.3m,修正系数取+1.5m,计算结果为:
Hm=7.8m
防塌安全煤岩柱允许跨落带接近松散层底部,其垂高(Ht)应等于或接近于跨落带的最大高度(Hm),即Ht≈Hm=7.8m。
611工作面风巷附近基岩面最低标高-33.4m,工作面外段风巷顶板实测最高标高为-45.327m,据此计算留设的最小煤岩柱为11.927m,大于按“三下”开采规程附表中公式计算防塌安全煤岩柱高度7.8m,符合防塌安全煤岩柱要求。
2、灰岩水
本面内86-11钻孔揭露6煤层底板至一灰顶距离58.06m,据附近工作面探查孔及西大巷放水孔揭露6煤层底板下距一灰一般距离55m,工作面最低点标高-80m,根据西三风井观测孔太灰水位实测标高为+12.60m,经换算工作面最低点水压为0.926MPa,回采期间对底板破坏深度取17m。
突水系数计算公式:
式中:
Ts—工作面底板灰岩突水系数,MPa/m
P—工作面底板灰岩水压,MPa,取0.926
M—工作面底板隔水层厚度,m,取55
Cp—底板破坏深度,m,综采取17
将以上数据代入突水系数计算公式,得Ts=0.024MPa/m。
工作面最大突水系数为0.024MPa/m,远远小于集团公司管理规定中0.07MPa/m的临界值。
因此,符合承压水体上开采的有关规定。
3、开采的有利条件
611面范围内地表无大的地表水体(系);工作面岩层自重压力较小;底含岩性主要为粘土、砂质粘土或粘土质砂夹砾石,富水性弱,径流不畅,井下钻探证实不含水,已处于疏干状态。
4、开采的不利因素
由于风化,工作面覆岩岩层自身强度较小,地压仍较大,支护难度较正常工作面大。
(四)安全管理新举措
1、成立机构,加强领导
矿上成立以矿长为组长的工作面试采领导小组,并下设防治水办公室。
领导小组成员要牢固树立“安全第一”的思想,以高度的责任心做好611工作面的试采工作,认真负责,严格把关,落实好各项安全技术管理措施,确保工作面安全试采。
2、加强顶板管理
(1)工作面回采期间应加强顶板支护管理,必须提前拉架超前支护顶板,且接顶严密,支架支撑有力(初撑力不小于规定值的80%,即24MPa),为保证支架有足够得初撑力,泵站压力不得小于30MPa。
(2)当顶板破碎,煤壁裂隙扩张发育极易发生片帮现象时,若超前拉架前方没有行程,为防止受煤机采动或顶板压力影响而发生大面积片帮或冒顶现象,可采取提前人工用手镐处理煤帮的方法,确保能够提前拉架超前支护顶板,人员在煤壁作业时严格按第(5)项之规定执行。
(3)回采期间,工作面出现片帮时,应提前拉架支护顶板,并及时打开护帮板护紧煤帮;当端面距大于340mm时,必须在架前打穿插梁支护顶板,严防冒顶掉矸;或者在煤帮架设一梁二柱顺山棚超前控制煤帮和顶板,防止片帮和顶板冒落。
(4)机道梁端到煤壁顶板冒落高度不大于300mm,否则必须用木料和塘柴捆接实顶,打上临时支柱支护。
(5)工作面回采期间,管理顶板前必须将后退路线清理畅通,同时应采取如下措施:
①管理顶板前应“闭锁”工作面运输机,顶板未处理好之前,严禁“解锁”开车。
②所有在煤帮作业人员都要严格执行经常性“敲帮问顶”制度,并站在支护完好的地点进行作业,管理顶板时只有在顶板稳定状态下,才能进行顶板支护,严禁在顶板活动时进行支护作业。
③在管理顶板时,必须有班队长现场亲自指挥,并派有经验的工人处理,每组应不少于3人,且必须安排一名有经验的工人观察顶板活动情况,发现异常应立即发出信号,及时让管理顶板人员撤出。
④冒顶处必须用木料、塘材、笆片接实顶,并打上临时支柱支护,在对支柱进行最后供液时,人员必须远离作业地点,由片阀供液,初撑力不小于50KN。
⑤支架在拉架、升架过程中,应注意观察顶板、煤帮及临时支护情况,若临时支护因拉架、升架致使单体支柱无劲时,在确定顶板、煤帮稳定无危险后,必须在安全的情况下对单体进行二次补液升足劲。
⑥试采期间出现顶板破碎、抽冒或淋水时,可采用双层塑钢网加强顶板管理。
联网规格:
网与网之间用16#铁丝双丝双扣连接,工作面倾斜方向网与网压茬不少于300mm,走向方向压茬不少于500mm,网与网双边全部联接,联网每扣间距不大于200mm,全部为双层网。
⑦工作面在试采期间,当老塘出水时,要及时用笆片配合沙袋填实架档,减缓水流速度,并防止出现流砂水时给人员带来伤害。
⑧工作面清理浮煤人员,在作业时一定要观察好煤帮情况,防止片帮煤块滚到老塘伤人。
⑨回采期间,支架每10架安装一组压力表(每组两块,立柱和平衡千斤顶各一块),每班必须安专人重点加强工作面矿压监控,确保初撑力符合标准,并记录工作面煤壁片帮、顶板冒落以及采空区垮落情况,如有异常及时向矿调度所和区值班人员汇报。
⑩端头支护形式:
上、下端头采用普通(ZZ4000-17/35)综采液压支架支护;当工作面长度发生变化,机、风巷支架与工作面端头排头支架间距大于0.2m时,工作面端头支架上、下必须使用单体液压支柱配合半圆木架设走向棚管理顶板,单体支柱支护不得滞后于综采支架,并且不得出现空载或卸载的支柱。
3、加强水情、砂情观测制度管理
安排水文技术人员负责观测工作面顶板冒落、采面淋水、煤壁片帮情况,发现各种水砂涌出时要及时取样分析,定期向矿防治水领导小组提供水情分析资料,根据工作面水情、地质构造动态变化情况,及时向防治水领导小组提供各种形式的水害、构造超前预报。
4、加强风巷超前管理
①机、风巷超前支护距离不得小于40m;机巷自煤壁向前20m采用HDJA-1400限位梁和L-1800长钢梁配合DZ28-25/100型单体液压支柱两梁三柱顺山棚支护,棚档0.9m,20-40m采用长2.6m×ø0.2m半圆木配合DZ28-25/100型单体液压支柱一梁三柱走向棚支护;风巷自煤壁向前20m采用HDJA-1200限位梁和L-1800长钢梁配合DZ28-25/100型单体液压支柱两梁三柱顺山棚支护,棚档0.9m,20-40m采用长2.6m×ø0.2m半圆木配合DZ28-25/100型单体液压支柱一梁三柱走向棚支护。
②加强两巷安全出口管理,人行道宽度不小于0.7m,高度不低于1.8m,确保工作面出现异常情况时,后撤路线畅通。
③超前管理内的单体液压支柱成直线,其偏差不得超过±50mm,坡度较大地段应有3~5°的迎山角,改棚作业时,帮、顶、腰背严
实,防止工作面在试采期间,受来压影响,单体液压支柱出现跐脚或煤壁片帮现象。
④回采期间,若受工作面采动影响,致使单体歪倒或单体与铰接顶梁、巷道顶板离合而造成单体支柱无劲时,必须及时对无劲单体补液升足劲,且初撑力不得小于70KN。
当多个单体无劲时,对单体补液升劲必须从安全地点开始由外向里、逐棚逐柱的进行;严禁由里向外或直接进入无有效支护的地方对单体补液升劲。
⑤防倒绳要求:
无论是临时支护还是架设正规棚,单体支柱架好后要及时拴齐拴紧防倒绳,防倒绳高度不低于1.8m,并用大笆、塘材背严煤帮。
⑥回柱放顶前必须对作业地点及附近巷道顶板、煤壁、背帮柱及支护情况进行全面检查,对不正规的棚柱进行加固整改。
⑦回柱放顶及拉端头支架前要在采空区侧打上密集支柱,并在末排支柱后方用沙袋堆上隔水墙,防止在放顶时有流砂水下泄,给作业人员带来伤害。
⑧回采期间,由于巷压显现较大,每班作业前要对单体液压支柱的实际压力进行观测,发现渗漏导致压力降低时应及时补液或更换;若在监测时发现工作阻力超过三用阀的额定工作压力而不卸载时,应及时更换单体液压支柱或三用阀,防止飞阀伤人。
⑨回采期间,跟班干部及班队长要定期巡查两巷支护情况,巷道如有掉顶及失护现象,要立即停止生产并安排专人处理,如不能处理要立即向矿调度汇报。
5、加强矿山压力与顶板局部垮落管理
①工作面初放期间,严格控制采高在2.6m以内,以减小“两带”发育高度,防止由于风化、破碎顶板可能产生的局部垮落而引起覆岩抽冒从而发生水灾事故。
②对顶板破碎或淋滴水段,必须实行“三封闭”(即顶板、煤帮、老塘封闭)采煤。
顶板封闭:
使用双层塑钢网加强管理;
老塘封闭:
及时用笆片配合沙袋填实架档;
煤帮封闭:
当出现片帮时必须要及时管理。
③回采期间必须保持匀速、快速向前推进。
6、加强排水系统管理
611面周围工作面已回采完毕,下区段工作面回采时已释放掉部分顶底板砂岩裂隙水,根据613工作面(已回采完毕)最大涌水量25m3/h,正常涌水量10m3/h,采用相关比拟法预计611工作面最大涌水量为20m3/h,正常涌水量为8m3/h。
工作面临时水仓安装排水能力为60m3/h的水泵两台(型号BQW60/55/22)(1台备用)及4寸水管排水,回采期间做好煤水分流工作,保障水路畅通,确保工作面出水时能及时排除,不因出水影响生产。
7、加强过断层期间生产管理
①地质人员及时预报工作面前方断层情况,特别是上提风巷段的断层,应是回采期间防止冒顶的重点。
②过断层期间,断层段应适当降低采高。
如断层处矸石较软不影响煤机正常运行时,煤机尽量放慢牵引速度;如断层处矸石较硬采用局部放震动炮方法处理时,必须提前对放炮地点上下20米范围内顶板进行管理,防止因放炮引发冒顶事故。
③过断层期间,断层破碎带割煤后要及时拉超前架护顶,端面距超过规定(340mm)时,必须对暴露顶板及时管理,同时保证支架初撑力符合要求。
④过断层期间,要加强机电设备检修,确保设备正常运转。
⑤过断层顶板破碎带时,支架移架过程中必须带压移架,以保证支架前梁不下降,从而有效控制顶板。
四、成果的实施效果
(一)经济效益
611工作面走向长715m,倾斜宽100~280m,煤厚3.10m,储量45.72万吨。
项目总投资额=45万吨(煤炭)×140元/吨(成本)+20万元(研究费用)=6320万元
新增利润=45万吨(煤炭)×300元/吨(市价)-6320万元(项目总投资额)=7180万元
新增税收=45万吨(煤炭)×300元/吨(市价)×13%(税率)=1755万元
按照正常煤价(300~350元/吨)计算,2007年611工作面回采完毕,该项目当年可实现产值1.37~1.60亿元,创利润6000~7000万元。
若在全矿区推广,可实现远景效益数十亿元。
(二)安全效益
该项创新管理实施,可提高全矿职工对安全管理的认知程度,确保朔里煤矿611工作面安全生产,并为淮北矿区以后类似的管理提供宝贵的经验。
(3)社会效益
本矿资源的日渐枯竭,为了响应集团公司的再创业再发展的号召,进行二次创业,延长矿井寿命,该项创新管理的实施,可成功解放出本矿45万吨资源储量,创造经济效益的同时,也大大延长了矿井寿命,为矿区的安定做出了积极贡献。
成果主创人:
宣啸、曹化平、吴立新、李龙黄儒林
2010年5月31日
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