杨村煤矿三层煤留设防砂煤柱采煤研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 杨村煤矿三层煤留设防砂煤柱采煤研究 姓名孔庆军 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师王青;吴士良 20030701 东北大学工程硕士论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取得的研究成 果除加以 标注和致谢的地方外， 不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名 日期 加 寿 攀 “ l 川乒,r 东北大学工程硕士论文 摘要 根据杨村煤矿的实际情况结合国内外相似条件下的研究现状， 结合对三含的 富水性、 水动态变化规律的系统分析和研究， 在我国首次应用瞬变电磁法对同一 工作面深部 防水煤柱区和浅部 防砂煤柱区 进行覆岩破坏探测、相似材料 模拟试验、 覆岩渗透性变化的有限元分析对三层煤综放工作面覆岩破坏规律迸行 了系统研究; 通过对钻孔资料综合分析确定三含分为上、下两段，其中，上段主 要由砂砾组成，为主要含水段，下段由砂质粘土层，粘土质砂组成，该段不仅自 身富水性弱，同时可在一定程度上有效阻隔三含上段水的下渗，根据 “ 三下” 采 煤规程和我国水体下采煤经验， 具备留设防砂煤柱开采的条件， 科学地进行了 三 层煤留砂煤柱综放开采试验。 经过近3 年的试验研究， 针对试采工作面最小岩柱厚仅为3 0 m的特点， 实施 分阶段开采，按开采安全性，工作面分为3 个区段第一区段，岩柱大于4 0 m, 从开切眼到4 1 8 m ， 为符合防水煤柱区进行全厚放顶煤开采; 第二区段岩柱厚3 5 - 4 0 m之间，距开切眼4 1 8 m到4 5 4 m，采用 “ 放4 留2 ”限厚放顶煤防砂煤柱区; 第三区段煤柱为3 0 -3 5 m之间，距开采眼4 5 4 m到停采线，为 “ 放2 留4 “限厚 开采区，限厚为3 - 4 m， 达到了控制覆岩破坏高度的目 标， 有效地控制了 三含水 砂没有大量下泄。成功地在4 0 m岩柱条件下进行了6 .4 m实际采厚放顶煤开采， 并且在3 0 - 4 0 m区段进行限厚放顶煤开采的试验，取得了 安全试采的成功经验， 将充州矿区水体下综放开采上限提高了2 6 m， 为杨村矿甚至充州矿区长期高产高 效生产打下了坚实的基础， 并科学地总结了 充州矿区三层煤综放开采防砂煤柱设 计原则，具有重大的经济及社会效益。 3 0 1 工作面在原防水煤柱内安全采出煤炭 2 2 .3 万吨， 创利税2 4 5 3 万元， 挽回资源投资额4 0 . 8 万元， 共创直接经济效益2 4 3 2 . 8 万元;社会效益8 4 3 7 9 . 4 万元。预计该成果在杨村矿可进一步解放防水煤柱可采 储量约3 5 2 万吨，对兴隆庄、 鲍店矿推广后解放煤柱可采储量约1 8 0 9 万吨。 对 条件类似的充州、 济宁、巨 野、 滕南、 滕北等煤田有推广应用价值， 对全国水体 下采煤有指导意义。 关键字开采上限，防砂煤柱，瞬变电磁。 东北大学工程硕士论文 Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e a c t u a l c o n d i t i o n o f Y a n g c u n c o a l mi n e , c o m b i n e d w i t h r e s e a r c h i n g a c t u a l i t y u n d e r s i m i l a r c o n d i t i o n d o m e s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l , f o r t h e f i r s t t i m e , w e h a v e p e r f o r me d t h e c l a d d l i n g r o c k d e s t r o 如 n g e x e p l o r a t i o n a b o u t t h e s a m e w o r k i n g f a c e i n d e e p s e c t i o n w a t e r - p r o t e c t e d c o a l a n d s h a l l o w o n e s a n d - p r o t e c t e d c o a l . w e h a v e a s y s t e m s a n a l y s i s o f t h e c l a d d i n g r o c k d e s t r o y i n g l a w i n s e a m I I I w o r k in g f a c e , t h r o u g h w h i c h w e a d o p t e d t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i s m , s i m u l a t i v e t e s t o f s i m i l a r ma t e r i a l a n d l i m i t e d a n a l y s i s o f t h e v a r i e t y o n c h a d d i n g r o c k s p e r m e a b i l i t y ， a t t h e s a m e t i m e w e h a v e m a d e s c a l e d o w n t e s t o f s a n d - p r o t e c t e d c o a l i n s a m e I II c o m b i n e d w i t h s y s t e m a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o f a b u n d a n c e i n w a t e r t h e f o l l o w i n g o n e , m a d e o f c l a y a n d s a n d , n o t o n l y h a s l i t t l e w a t e r , i n c e rt a i n e x t e n t , b u t a l s o c a n s t o p t h e w a t e r i n t o p s e c t i o n fr o m p e r m e a t i n g . T h r o u g h n e a r l y 3 y e a r s ‘ t e s t a n d r e s e a r c h , i n a c c o r d a n c e w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t r i a l - m i n i n g w o r k i n g f a c e w h o s e s ma l l e s r t c o a l p i l l a r i s o n l y 3 0 m , e x p l o i t a t i o n i n s t a g e s h a s b e e n p e r f o r m e d . A c c o r d i n g t o e x p l o i t i c e s a f e t y , w o r k i n g f a c e i s d i c i d e d i n t o t h r e e p a rt s . T o t h e f i r s t , w h o s e c o a l p i l l a r i s o v e r 4 0 m . F r o m a c c e s s r o a d t o 4 1 8 m , a l l t h i c k n e s s t o p c o a l e x p l o i t a t i o n i s u s e d t o m e e t t h e a c t u a l i t y o f w a t e r - p r e t e c t e d c o a l s e c t i o n . T h e s e c o n d p a rt , c o a l p i l l a r b e t w e e n 3 5 - 4 0 m t h i c k , 4 1 8 - 4 5 4 m a w a y f o r m a c c e s s r o a d , R e m v i n g 4 a n d R e t a i n i n g 2 l i m i t e d t h i c k n e s s t o p c o a l i s a p p l i e d . A n d t h e l a s t o n e , c o a l p i l l a r b e t w e e n 3 0 - 3 5 m , 4 5 4 m a w a y f o r m a c c e s s r o a d t o e x p l o i t a t i o n - s t o p p i n g l i n e , s u i t a b l e t o R e m o c i n g 2 a n d R e t a i n in g 4 l i m i t e d t h i c k n e s s th a t i s 3 - 4 m t h i c k , h a s r e s e h e d t h e g o a l o f c o n t r o l l i n g t h e h e i g h t i n c l a d d i n g r o c k d e s t r o y i n g a n d e ff e c t i c v e l y p r e v e n t e d w a t e r a n d s a n d f r o m l e a k i n g m u c h . We m i n e d t o p c o a l a c t u a l t h i c k n e s s 6 .4 m u n d e r 4 0 m c o a l p i l l a r s u c c e s s f u l l y a n d m i n e d l i m i t e d t h i c k n e s s t o p c o a l w i t h i n 3 0 - 4 0 m 东北大学工程硕士论文 s e c t i o n e x p e r i m e n t a l l y , a c h i e v e d s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e i n t r i a l - m i n i n g s a f e l y . W e s u m m a r i z e d s c i e n t i f i c a l l y t h e c o m p r e h e n s i v e m i n i n g d e s i g n p r i n c i p l e o f s a n d - p r o t e c t e d c o a l p i l l a r i n s c a n I II i n y a n z h o u m i n e z o n e ， w h i c h h a v e g r e a t e c o n o m i c a n d s o c i a l b e n e f i t . 3 0 1 w o r k i n g f a c e m i n e d 2 2 3 , 0 0 0 t o n s a f e l y fr o m t h e o r i g i n a l r a i n p r o o f c o a l p i l l a r , w h i c h a c h i e v e d p r o f i t a n d t a x Y2 4 , 5 3 0 , 0 0 0 , s a v e d r e s o u r c e i n v e s t4 0 8 , 0 0 0 w h e r e a s r e s e a r c h i n v e s t o n l y6 5 0 , 0 0 0，d i r e c t e c o n o m i c b e n e f i t a n o u n t t o Y2 4 , 3 2 8 , 0 0 0 , s o c i a l b e n e f i t Y8 4 3 , 7 9 4 , 0 0 0 . I t i s e s t i m a t e d t h a t t h i s a c h i e v e me n t w i l l r e l e a s e a b o u t 3 , 5 2 0 , 0 0 0 t o n i n Y a n c u n c o a l m i n e , a n d t o t a l l y 1 8 , 0 9 0 , 0 0 0 i n X i n g l o n g z h u a n g c o a l m i n e a n d B a o d i a n c o a l m i n e w h e n s p r e a d t o t h e m. T h i s a c h i e v e m e n t i s w o r t h s p r e a d i n g a n d a p p l i c a t i o n f o r s u c h s i m i l a r c o a l m i n e a s Y a n z h o u , J i n i n g , J u y e , S o u t h T e n g z h o u ， N o u t h T e n g z h o u e t c , a n d i s i n s t r u c t i v e f o r m i n i n g c o a l u n d e r w a t e r b o d y a l l o v e r t h e c o u n t r y . K e y w o r d s U p p e r l i m i t o f E x p l o i t , D e f e n d t h e s a n d c o a l p o s t , B e c o m e e l e c t r o m a g n e t i c i n w i n k 东北大学工程硕士论文 1 杨村煤矿概况及相似条件下研究现状 1 . 1 杨村煤矿概况 1 . 1 . 1 井田 位置及范围 充矿集团公司杨村煤矿位于山东充州市境内， 矿井主副井距充州市约I O k m. 位于充州煤田的西北边缘， 矿井始建于1 9 8 3 年， 1 9 8 9 年6 月2 0 日 投产。 原设计 主采煤层为石炭系的1 6 上 和1 7 层两层煤， 1 9 9 5 年1 0 月山东省煤炭管理局重新调 整矿井井田边界，划入部分二叠系3 层煤。 调整后的井田平面形态为不规则的多 边形，南北走向长9 k m，中偏北部最宽处约5 .4 k m。南部呈倒三角形，井田面积 约2 7 .4 8 k m 2 . 1 . 1 . 2 主要生产系统及生产现状 杨村煤矿原设计生产能力6 0 万t , 1 9 9 5 年技术改造方案将井型扩大为9 0 万t . 2 0 0 2 年实际产量为 1 2 2 .6 万t 。 矿井采用单水平立井开拓。在工业广场布置一对 主、副井，南北翼各设一个风井。煤层分采区上下山 联合布置的开拓方式。大巷 水平一 2 7 3 m , 辅助水平一 2 0 0 m . 总回风一 1 9 0 m 。主井设一对 8 t 箕斗，副并设一对单 层双车单绳罐笼。煤炭采用胶带输送机运输，物料研石等采用架线电机车运输。 采煤方法 1 6 上 煤层和1 7 层煤厚度均在一米左右， 采用走向长壁或倾斜长壁 陷落法放炮落煤， 人工或铲煤板装煤的采煤法。 3 煤厚度8 .4 m左右， 采用走向长 壁或倾斜长壁陷落法管理顶板， 综合机械化放顶煤采煤方法。 1 . 1 .3 矿井地质概况 杨村井田 处于充州向 斜的西部边缘地带， 煤系地层沉积稳定， 为华北型含煤 构造。 含煤地层在井田内 起伏不大， 小断层发育， 在局部区域发现岩浆岩侵入体。 1 . 1 . 3 . 1 地层 本井田 含煤岩系为石炭、二叠系， 井田地层自 上而下分别为第四系、侏罗 系、二叠系、石炭系和奥陶系 〔 详见图1 . 1杨村井田地层综合柱状图 。 1 . 1 . 3 .2 井田 地质构造特征 东北大学工程硕士论文 ︸奖雏 z 燃 岩 |州||||. 一 一 由 林黄色 钻土、 砂质枯土与拈土质砂 〔 砂砾〕 、 砂， 砂稀层等组成 分 止、中 ，下 三蛆 阔一﹃ 汗 生 莽 w t l 琢 T A l } 上 比 I r o一 n . 1 . 上 要由 揭红色如 砂启妞成， 在本井田 分布局限 以 杂色 招 质泥 套、 粉砂 岩为 主， 间 夹 失一 灰 蜂色 粗、中 . 抽 砂岩 不 含嫉， 底仰 发育一层灰一 灰白色 粗砂旁 石干科 下.盆组 T 冲rr.eses 一|.|﹃||||1|一 卜曰 】 之 系 生 1 为 本井 田 重 要的 含煤 地压. I 要由 灰一 灰白色 中 拉 砂 旁、 粉砂 岩‘ L 贡泥 宕姐成 头含嫉， 层，其中 2 层煤不越定 但局钾可浓。 位于 本 组中 娜;3 层洋 浮度大 卫往定可来， 住干本组下部. 汕.11陌es P ,P . 志八‘峥妞 1.leses.leses了月.eseees.es‘es. .|1曰 { i4.RS w i dFeSS k la. 二。 ， ‘ 一* ， 、* 。 ， 砂 。 ‘ ， 1 至 中 肚 砂 V . 石 庆 毖 和 幼 ‘ 盛 干 为 海 脑 交 呼 塑 含 煤 沉 积 共 发 育 石 }庆 I l d t . 共 中 ， 第 三 汤 石 友 居 和 十 T A 石 庆 岩 厚 度 丸全 区 雄 定 ， ‘ 」五 灰 A A . 从 十 一 友 为 薄 层 “ 杖 株 丸 “2 3 第2 层煤为 局部可采煤层。 太原组的第1 6 , 和第1 7 层煤为全区稳定可采煤层且均为薄煤层; 第6 层煤、 1 5 、 和第1 8 上 层煤为局部可采煤层。 其余煤层为不可采、 不稳定煤层。 1 . 1 . 3 . 4 风化带 本并田 基岩风化带厚度变化较大，厚度4 .7 4. 3 9 .8 m ， 一般为 1 7 m。强风化带 厚度为1 . 3 6 - 2 3 . 5 2 m ， 一般为3 -5 m 。 强风化带的特点是 风化裂隙发育， 强度 大大减弱，呈黄土色的泥质胶结。 弱风化带的 特点是岩石力学性质变化不大， 但 在弱风化带中出现分层风化的岩段。 1 . 1 .4 矿井水文地质 1 . 1 .4 . 1 地表水系 泅河是唯一流经杨村井田的河流， 由北向南流经本井田东部， 属季节性河流， 除洪 水期 外， 河 床长 年 处于 干 枯 状 态， 最 大 流量3 3 8 0 m 3 / s 1 9 6 5 / 1 0 . 由 于 第四 系 中部隔水层的阻隔，与基岩没有直接补给关系。 1 . 1 . 4 . 2 含水层 第四系总厚1 3 4 .5 6 m 2 1 1 .6 m ， 平均厚度1 7 9 .7 4 m 。厚度变化有向 井田中东部 变厚之趋势。含水层与隔水层相互交错， 砂层透镜体比较发育， 岩性变化比较复 杂。按颜色、岩性和富水性可分为上、中、下三组， 上组与下组是含水层组，中 组为隔水层。 第四系上组含水层 一含 厚度4 4 .6 3 - 6 5 . 9 1 m , 平均5 8 .4 m。 由棕黄色粘土、 砂质粘土与粘土质砂、砂砾等相间组成。 受地表径流和大气降水垂直补给。本组 含 水丰富，单位涌水量 1 0 . 1 7 1 5 .0 9 9 ll s .m,渗透系数1 .9 1 1 一 3 4 .0 5 m / d 。补给和 东北大学工程硕士论文 排泄条件良好，属孔隙型潜水、承压水，是主要供水水源。与下部基岩含水 层无直接的补给关系。采动对该含水层基本无影响。 第四系下组含水层厚度3 7 .0 2- 5 7 .3 0 m平均厚度5 0 .0 1 m。由浅灰、白色、 灰绿色粘土、砂质粘土与粘土质砂、砂砾等相间组成。单位涌水量 0 . 0 4 5 - 0 . 1 1 1 4 1/ s .m , 渗透系数0 . 2 3 4. 1 .2 5 2 m / d 。 富水性中 等。 从岩层接触关系 分析。 底 部砂层通过风化带与基岩各含水层之间有直接水力联系， 是煤系含水层的重要补 给源。第四系下组在本井田可分为上段 二含 和下段 三含两部分。上段由 砂质粘土、粘土质砂及砂砾组成， 厚度2 3 .5 -3 8 . 9 m ， 含水层厚2 . 6 -8 .8 m。 下段 由砂质粘土、粘土质砂及砂砾组成，厚度2 2 . 3 -3 5 . 5 m，含较稳定的含水层 1 -3 层，厚度 1 3 . 3 -2 0 . 7 mo 山西组3 煤顶底板砂岩和太原组第三灰岩与 1 6 上 和 1 7 煤开采无直接关系。 太原组第十下层石灰岩厚3 .3 2. 7 .4 m，平均厚度5 . 1 9 m，灰色厚层状。为中等 富水含水层， 属溶洞承压水。 单位涌水量0 .0 0 2 7 -0 . 2 8 3 1 1 / s .m , 渗透系数0 .0 4 6 3 6 . 1 3 3 m / d 。十下灰是1 6 上煤层开采的直接充水含水层。 本溪组第十三、十四层石灰岩 十三灰厚0 -1 2 .2 m ，平均4 m ,浅灰色， 层 位厚度均不稳定。 在井田中部十三灰与十四灰合并为一层，因此将两者看作一个 含水层组。 十四灰厚0 .4 3 -1 6 . 9 7 m ， 平均6 . 5 m 。 层位稳定， 但厚度变化较大， 属 溶洞裂隙承压水，单位涌水量0 . 0 0 0 3 1 6 - 0 . 1 8 1/ s .m,渗透系数0 . 1 0 9 - 1 . 8 7 m / d . 1 . 1 . 4 . 3 阻隔水层组 第四系中组隔水层组厚度5 2 .9 1 -8 8 .3 9 m， 平均7 1 . 3 3 m，由南向北厚度逐 渐增大。由灰绿色、 棕黄色粘土、 砂质粘土与粘土质砂、 粘土质砂砾等相间组成， 粘土类厚度占6 5 .隔水性好，能有效阻隔第四系上组水的下渗补给。 太原组泥质岩、铝质泥岩隔水层组 太原组三灰至十下灰间的地层厚度达百 余米。 主要由灰色粉砂岩、 棕灰深灰色铝质泥岩、 泥岩和灰灰绿色中砂岩、 细砂岩组成，间夹薄层不稳定石灰岩。 其中粉砂岩、泥岩及铝质泥岩为良 好的隔 水层组，可有效地阻隔三灰至十下灰间的水力联系。 1 7煤至十四灰铝质泥岩隔水层组1 7煤至十四灰间的地层厚度为 1 6 .3 4 - 4 3 .2 9 m ， 平均2 5 . 3 m， 沉积地层以铝质泥岩及粉砂岩为主。 正常地段， 对 1 7 煤的 开采起良 好的隔水作用。 十四灰至奥陶系石灰岩隔水层组 厚度6 .9 8 - 2 0 . 1 9 m ， 平均1 2 .4 8 m 。 以 铝质 东北大学工程硕士论文 泥岩和铝土岩为主，正常地段可以有效地阻隔奥灰与十四灰间的水力联系， 但由 于间距较小，且变化大，尤其在断层构造发育部位，需引起高度重视。 1 .2 国内外露头煤柱的设计理论及含水砂层下采煤研究的现状 1 .2 . 1 国内外煤矿设计露头煤柱采用的方法 国内外煤矿在设计露头煤柱时通常采用以下方法 1 采深采高比法 指在水体下采煤时，不论在露头区还是非露头区，其开采深度或煤柱尺寸必 须与煤层采高成一定倍数关系才允许进行开采的设计方法。 如前苏联煤矿规程规 定河流下采煤的最小采深采高比为 5 0 -1 0 0 ;大河流、水库下采煤的最小采深 采高比为4 0 0 5 0 0 ，当采高为3 -4 m时，最小采深采高比为2 0 2 6 . 这种设计方法的不足是， 把采高作为唯一因素， 忽视了采煤方法和地质因素 的重要作用。 2 经验数值法 指的是根据本矿区的生产实践经验来确定水体下采煤安全开采深度或煤柱 尺寸的设计方法. 例如， 采用长壁跨落法在海下采煤时， 海底距煤层的最小安全 距离英国为 1 0 5 m,智利为1 5 0 m ，加拿大为2 1 3 m，日 本为2 0 0 -3 0 0 m 。波兰 煤矿规程规定，露头煤柱尺寸，不论煤层厚度大小， 在条件最有利的情况下，最 小尺寸也不得小于2 0 m. 这种设计方法的思路基于类比原理， 在条件既定情况下， 安全上可能有保障。 但是地质条件往往是很复杂的， 在没有先例或先例不足的情况下， 它会给设计带 来困难，安全生产得不到可靠的保障. 3 隔水层厚度法 指的是在水体下采煤时， 特别是露头区开采时， 要求在采场与水体之间必须 有一定厚度的隔水岩、 土层才允许进行开采的设计方法。 例如，前苏联煤矿规程 规定，当隔水岩层占覆岩厚度的百分比为0 -1 0 0 ，采高不大于4 m时，允许的 最小采深采高比为2 6 ;当隔水层总厚度不小于2 m,采高不大于3 m时允许的最 小采深采高比为2 0 . 这种设计方法正确地考虑了隔水层的作用， 但同样忽视了采煤方法和地质条 件的作用，因此仍然达不到科学的要求。 东北大学工程硕士论文 4 极限变形值法 根据各自的生产实践经验或研究成果，规定出水体下采煤， 特别是浅部小采 深开采条件下水体底界下方岩层允许的变形极限值的设计方法。 如果该岩层的变 形值大于规定的极限值， 则不允许进行开采。 例如，英国煤矿规程规定，海下采 煤时，海底下隔水岩层的最大变形值必须小于1 O m m / m ;基岩含水层下采煤时， 其下方隔水岩层的最大变形值必须小于6 m m / m. 这种以变形值为标准来衡量其隔水能力的方法，不仅设计时难于准确预计， 而且在实践上也难以得到验证。 5 新老地层厚度比 例法 指的是水体界面下方的松散层厚度与基岩厚度具有相应的比例关系才允许 在水体下进行开采的设计方法。 例如日本在海下采煤时， 特别是在开采浅部煤层 时， 如果煤系地层厚度 1 0 -4 0 m， 松散层厚度必须大于3 0 m，且这时只允许采用 房柱法开采。不允许采用长壁陷落法开采等等。 这种考虑新老地层厚度比例的方法，在一定程度上体现了地质条件的作用， 也体现了采煤方法的作用，但仍过于简单化，也难以满足煤柱设计的要求。 1 . 2 . 2 含水层下提高开采上限采煤的 研究状况 含水层下提高开采上限开采的研究工作， 在国内外都进行了大量的卓有成效 的 探索。 特别是我国许多煤矿采用各种采煤工艺， 进行了很多实验， 取得了很多 科研成果.分别介绍如下 1 普采工艺 淮北矿务局朱仙庄煤矿 1 9 8 4年采用放炮落煤，金属摩擦支柱和绞接项梁支 护的普采工艺，对厚度 8 . 7 -1 1 .4 m的 8号煤层分四层开采。将原设计防水煤柱 8 0 m的高度提高到5 5 m。获得成功。 2 综合机械化采煤工艺 充州矿区兴隆庄煤矿原设计按照普采分四层开采要求留设的垂高为 8 0 m 的 防水煤柱， 压煤呆滞储量达8 5 7 6 万t 。 科研人员运用系统工程原理， 采用现场测 试，室内实验、理论研究及大规模工业性试验开采相结合的综合试验研究方法， 对 特厚煤层 7 . 5 m -9 .2 m 进行综合机械化大采高走向长壁全部垮落法不疏降顶 水开采， 对多项试验研究及观测内 容， 多种研究方法及手段进行合理安排和运用， 东北大学工程硕士论文 经过多年努力，在综采分层开采条件下，成功地将原设计防水煤柱缩小到5 3 m . 仅从水下压煤中就采出煤炭5 4 0 万t 。取得了显著的经济效益。 3 综采放顶煤开采工艺 采用综采放顶煤开采工艺开采， 产量高，经济效益好。 但覆岩破坏高度明显 加大。有些矿区和科研部门合作，进行了大胆的尝试。如充州煤田的兴隆庄矿将 防水煤柱缩小到6 8 m进行放顶煤开采，采出煤炭3 8 2 万t ,充州煤田的太平煤矿 将最小煤柱留设到6 0 m， 进行放顶煤开采试验，都获得成功。地处海滨的龙C 7 矿 区属 “ 三软” 地层条件，煤层厚度平均8 . 1 2 m ，目 前正在进行放顶煤开采试验研 究。 1 .3 杨村煤矿3 0 1 工作面简况 3 0 1 工作面是杨村煤矿三煤采区提高开采上限 采动防水和防沙煤柱的第一个 试采面，工作面简况介绍如下 1 .3 . 1 杨村煤矿3 0 1 工作面布置情况、 地质简况及主要参数 1 .3 . 1 . 1 3 0 1 工作面布置情况 杨村煤 矿3 0 1 工作面东到悖罗 树四 号断层， 北道井田 边界煤柱， 西到 边界总 回风巷， 南到设计3 0 3 综放工作面 详见图1 .3 3 0 1 工作面平面布置图 。 1 .3 . 1 . 2 3 0 1 工作面地质简况 面内 小断层发育、 共揭露落差3 . 5 -8 .O m断层4 条， 煤层倾角为7 . 8 .1 6 0 ， 煤 层厚 5 . 8 -8 .9 m，平均厚度 7 . 8 m ，煤层可采性指数为 1 ，变异指数为 7 . 8 2 ，结 构简单， 稳定可 采 详见图1 .4 3 0 1 工作面剖面图 。 涌水量正常为2 0 m 3 / h ， 涌 水量最大为8 0 m 3 / h ，地质及水文条件基本清楚， 1 .3 . 1 .3 3 0 1 工作面几何尺寸、参 数及储量 工 作面 走向 长1 2 0 m ， 倾斜长4 8 0 m ， 面 积5 7 6 0 0 m 2 ;煤 层厚5 .8 - 8 .9 m ， 平 均厚度7 . 8 m ; 采高2 . 8 m ，放高5 .0 m ; 容重1 . 3 5 t / m 3 ; 地质储量5 2 . 5 5 万t ，防水 煤柱压煤量2 8 .8 8 万t ，工业储量只有2 3 .6 7 万t ，可采储量仅 1 8 .9 4 万t。 1 .3 .2 杨村 煤 矿3 0 1 工 作面 岩 柱厚 度 及 其 他 主 要开 采 技术 条 件 1 .3 . 2 . 1 3 0 1 工作面基岩厚度 工作面地面标高 4 6 . 8 m，工作面标高- 1 7 5 - - 2 8 1 m ，第四系厚度1 7 9 . 7 4 m， 基 东北大学工程硕士论文 岩厚度2 8 -9 2 m。工作面开采设计划分为三个区段A区基岩厚度6 9 m 全厚放顶煤区段; B区 5 0 -6 9 m为全厚放顶开采留设防砂煤柱区段; C区 5 0 - 3 0 m为限厚开采区段。 1 .3 . 2 . 2 3 0 1 工作面其他主要开采技术条件 工作面属于低瓦斯，由 煤尘爆炸危险， 爆炸指数 3 8 . 2 6 4 2 . 1 6 ，煤层具自 然发火倾向，自然发火期 3 -6 个月。地温2 1 0C。无地压异常现象。煤层普氏系 数2 .5 ;煤层夹石普氏系数3 .2 ;直接顶板为粉砂岩，厚度平均2 . 1 1 m,普氏系数 5 .7 ; 老顶为中细砂岩， 厚度平均 1 8 . 8 2 m; 直接底板为铝质泥岩， 厚度平均0 . 5 2 m, 普氏 系数3 . 0 ;老底为中砂岩岩， 厚度平均1 2 .8 6 m . 1 .4 项目 研究的意义和内容 1 . 4 . 1 项目 研究的意义 1 提高开采上限是杨村煤矿当前急迫的工作。 截止到2 0 0 1 年底，杨村煤矿工业储量 1 2 5 0 2 . 7 万t ，可采储量5 9 4 3 .4 万t ， 占工业储量的4 9 . 2 。在可采储量中， “ 三下”压煤储量3 4 5 3 . 9 万 t ，占总可采 储量的5 8 . 1 . 。 在储量构成中， 尽管工业储量比较大， 但可采储量所占比率却比 较低。 而在可采储量中“ 三下”压煤所占比重又比较高。由于杨村煤矿井田范围 内 村庄稠密， 搬迁开采成本高而且困 难重重， 造成矿井生产接续非常紧张， 急需 挖掘储量潜力稳定产量。 杨村煤矿三层煤按照设计说明书规定留设的防水煤柱 为三层煤顶板至第四系底界面垂高8 0 M 。 按上述标准计算， 三层煤防水煤柱储量 为1 7 3 6 ，万t ， 数量是比 较大的， 如果采取措施得当， 将防水煤柱缩小到最低限 度，可以获得数量可观的储量。 特别是在现有的采区，生产系统已 形成，开采条 件己具备，提高开采上限将缓解接续紧张的状况。 2 提高开采上限具有巨大的社会和经济效益。 煤炭作为工业主要能源，目前还没有其它资源能完全取代。同时煤炭也是不 能再生资源。 在当今世界能源日 益紧缺的形势下， 煤炭资源更加珍贵和重要。因 此在矿山生产活动中， 我们必须走可持续发展的道路。 精采细掘， 避免浪费资源。 提高开采上限就是在充分研究的基础上， 将防水煤柱缩小到最低高度。 既保证开 采安全，又尽可能地开采出煤炭资源。同时，由于矿井生产条件已完全具备，不 需再作大的投入，因此开采成本是比 较低的。由于露头煤柱数量大，因此经济效 东北大学工程硕士论文 益是非常巨大的。 3 通过研究提高开采上限，将为矿井安全生产提供更加科学的数据和资 料。 通过研究提高开采上限，不仅可以深入研究露头区覆岩破坏机理和规律，而 且可以进一步掌握露头区的原生岩、 土体和采动后的再生岩、 土体的物理、 力学、 水理性能，能够更好地使煤柱设计尺寸符合矿井实际的地质和水文地质条件、采 煤方法极其采动影响规律，结合矿井的实际生产条件， 为煤矿生产提供准确可 靠的数据，确保安全生产。 1 . 4 . 2 本课题内 容 1 .4 .2 . 1 杨村煤矿提高开采上限地质及水文地质情况分析 主要包括 露头区岩土体的地质构成分析 主要有露头区松散层土体的地质构成露头区基岩岩体的地质构成。 功 露头区岩土体的水文地质结构分析 主要有露头区松散层岩土体的岩性及充水结构; 露头区基岩岩体的岩性和充 水结构;露头区岩、土体的岩性及充水组合结构。 2 露头区原生与再生岩、土体含、隔水性能的地质分析 主要有原生岩、土体含、隔水性能的地质分析;再生岩、土体含、隔水性能 的地质分析;基岩风化带含、隔水性能的地质分析。具体内容如下 a 露头区原生与再生岩、土体抗变形能力的地质分析，主要包括原生 岩、土体抗变形能力的地质分析; 再生岩、土体抗采动变形能力的地质分析。 b 露头区含、隔水层整体结构的采动影响分析，主要包括松散层整体 结构的采动影响分析;基岩整体结构的采动影响分析。 1 .4 . 2 .2 提高开采上限的采动影响分析 主要有以下几个内容 1