菜园煤矿3层煤提高开采上限研究.pdf

分类号分类号 TD32TD32密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工工程程硕硕士士学学位位论论文文 菜园煤矿菜园煤矿 3 3 层煤提高开采上限研究层煤提高开采上限研究 田田 核核 全全 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名吴吴 士士 良良职职称称副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名张张 智智 慧慧职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年五月二零零六年五月 论文题目论文题目 菜园煤矿菜园煤矿 3 3 层煤提高开采上限研究层煤提高开采上限研究 作者姓名作者姓名 田田 核核 全全入学时间入学时间 2004 年年 4 月月 领域名称领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿山压力与岩层控矿山压力与岩层控制制 指导教师指导教师 吴吴 士士 良良职职称称 副副 教教 授授 副指导教师副指导教师张张 智智 慧慧职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2006 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2006 年年 5 月月 28 日日 授予学位日期授予学位日期 RESEARCH ON IMPROVING MINING LIMIT OF COAL SEAM NO.3 IN CAIYUAN MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF Engineering From Shandong University of Science and technology by Tian Hequan SupervisorProfessor Wu Shiliang College of Natural Resources and Environmental Engineering May, 20065 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其 它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日期 AFFIRMATIONAFFIRMATION I declare that this dissertation , ted in fulfillment of the requirement for the award of Master Paper in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要摘要 提高煤层的开采上限，对于解放煤炭资源、提高资源回收率和提高煤矿生产效益具 有重大意义，因此成为当前我国乃至世界煤炭开采业及地质学界共同关心的课题。本文 结合济宁市菜园煤矿具体开采条件对提高煤层开采是上限进行了一系列研究，并得出了 一些重要结论。 合理留设防水煤岩柱是提高开采上限的关键问题。煤层采场的覆岩破坏可分为垮落 带、裂隙带和缓沉带，其中垮落带和裂隙带的生成对于上覆含水层的控制影响起着决定 性的作用。通过理论计算以及 3 层煤开采涌水及打钻过程中所记录的岩性和钻孔涌水方 面的情况来看，裂隙带高度并未达到第四系。通过计算可以得出 3 煤全部采高以 8.4 m 计算时，其裂隙带高度为 23～31.9m。采用电视成像探测技术、电法勘探技术、电波坑 透勘探技术等现场观测手段确定煤层开采上限。最后确定本区域开采防水煤岩柱高度为 25.7m。 本文还对菜园煤矿存在的断层防水煤柱的留设进行了分析，根据计算结果取程楼断 层煤柱尺寸为 45m。同理根据“两带”高度的计算公式，计算出了“两带”的影响范围， 根据具体地质条件，确定田岗断层防水煤柱的留设尺寸为 31m。 关键词关键词提高开采上限,防水煤岩柱留设，CT 探测，断层煤柱，两带高度 山东科技大学硕士学位论文摘要 A ABSTRACTBSTRACT Increasing the pillars within the upper limit of mining do much better onreleasingcoalresource,increasingrecoverypercentandbetter economic returns. So that it has become the hot topic andbe paid close attention by experts not only in but also out. In this paper ,in response to the specific mining condition of Caiyuan Colliery ,we did a series of research, and get a lot of important conclusion. The key point ofincreasing the pillars within the upper limit is how todesigntherationalplacementofpillars.Theupperbrokenrock stratums can be classed three straps, and they are caving strap, crack strap and slow-subsidence straps. According to theoretical calculate and water surge and lithology condition when digging into 3 coal, the maximal height of the crack strap is not attach to Quaternary alluvium. According to the calculation we can know that when the mining height is 8.4m, the maximal height of the crack strap is 23～31.9m. At present technique of TV imaging detect, technique of electricity reconnoiterandtechniqueofelectricwavereconnoiterareabroadly adoptedindeterminingmininglimit.Sointhisareatheheightof waterproof coal pillar is 25.7m. In this paper we also did the analyse of how to design the water protecting pillars of around the fault and made decision of the width of the pillar. At last we choose the 45m as the dimension of the waterproof pillar.In the same way, using the calculate ula of height of upper rock stratums. We make the result that the dimension of the waterproof pillar of Tiangang Fault. Key words increasing the pillars within the upper limit, design the waterprotectingpillar,pillararoundthefault,CTdetection,the height of destroyed cover rock 山东科技大学硕士学位论文摘要 山东科技大学工程硕士论文目录 目目录录 1绪论绪论.....................................................................................................................1 1.1课题研究的意义................................................................................................................1 1.2研究现状............................................................................................................................2 1.3论文研究的主要内容和技术路线....................................................................................3 2 提高开采上限的理论分析提高开采上限的理论分析...............................................................................4 2.1留设防水煤（岩）柱的有关技术规定............................................................................4 2.2 防水煤（岩）柱的设计..................................................................................................7 2.3“两带”高度的计算........................................................................................................8 2.4影响导水裂隙带最大高度的主要因素..........................................................................11 2.5 煤层开采覆岩变形与破坏分析....................................................................................16 2.6 本章小结........................................................................................................................21 3 菜园煤矿菜园煤矿 3 层煤提高开采上限研究层煤提高开采上限研究.............................................................23 3.1 矿井概况........................................................................................................................23 3.2 四采区北部第四系高密度电阻率层析成像（CT）探测...........................................28 3.3 “两带”高度的计算....................................................................................................42 3.4 “两带”高度的现场实测............................................................................................44 3.5开采上限的确定..............................................................................................................51 3.6 本章小结........................................................................................................................53 4 提高断层防水煤柱上限的研究提高断层防水煤柱上限的研究.....................................................................55 4.1 菜园煤矿防水煤柱留设概况........................................................................................55 4.2 程楼断层缩小防水煤柱研究........................................................................................56 山东科技大学工程硕士论文目录 4.3 田岗断层缩小防水煤柱研究........................................................................................60 4.4 本章小结........................................................................................................................62 5 研究主要结论研究主要结论.................................................................................................63 参考文献参考文献.............................................................................................................64 致致谢谢.................................................................................................................66 山东科技大学工程硕士论文目录 Contents 1.Introduction···································································1 1.1 Importance of Study················································································································· 1 1.2 Present Situation of Study·········································································································2 1.3 Study Contents and s·····································································································3 2.TheoreticalAnalyse of Increaing Upper Limit of mining············4 2.1 Technological specification of designing waterproof pillars··························································4 2.2 designing of waterproof pillars ·································································································7 2.3 calculation of the height of destroyed cover rock·········································································8 2.4 main influencing factors of maximum height of watar producing fracture ···································11 2.5 analyse of distortion and damage of cover rock ·········································································16 2.6 Conclusion of this Chapter······································································································21 3. Study of Increaing Upper Limit f 3 Seam of Caiyuan Colliery··23 3.1 general situation ···················································································································· 23 3.2 CT detection of north Quaternary of NO.4 mine area ································································28 3.3 calculation of the height of destroyed cover rock······································································42 3.4 field testing of the height of destroyed cover rock·····································································44 3.5 settlement of the upper limit of mining ····················································································51 3.6 Conclusion of this Chapter ······································································································53 4. Study of reducing water producing pillars around the faults·····55 4.1 General situation of designing waterproof pillars of Caiyuan Colliery ·········································55 4.2 Study of designing waterproof pillars of around Chenglou Fault·················································56 4.3 Study of designing waterproof pillars of around Tiangang Fault ·················································61 4.4 Conclusion of this Chapter······································································································62 5. Main of Conclusion························································63 Reference Documents·························································64 Thanks···········································································66 山东科技大学工程学位硕士论文绪论 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究的意义课题研究的意义 受地表水体和第四系含水冲积层威胁往往造成煤层浅部大量煤炭资源难以开采， 合 理提高开采上限，安全稳妥地缩小防水煤柱，可解放大量呆滞煤量，提高资源回收率， 对煤矿生产具有重大意义。 如何科学合理地留设防水煤（岩）柱，在具有特殊地质条件的我国煤矿，已越来越 引起各方面的关注和重视。目前，煤炭工业所展开的提高矿井开采上限的工程实践主要 有两种类型一是原设计留设煤柱尺寸过大，本身存在一定的设计缺陷；二是原上覆水 文地质工作不够，底含界面不清，为安全生产起见，采取多留煤柱的方法，以确保安全。 济宁市菜园生建煤矿，1975 年建井，原设计生产能力为 21 万吨/年。1982 年投产， 1982 年完成矿井改扩建，核定生产能力为 30 万吨/年。经过内部挖潜、科学管理，目前 矿井实际生产能力达 60 万吨/年。随着矿井生产能力的不断提高，煤炭储量急剧减少， 服务年限大大缩短。截止到 1996 年底，已累计采出煤炭 380.30 万吨，一水平主采的 3 上、3 下煤层尚有可采储量 619.80 万吨，服务年限仅为 7.4 年。 早在 1992 年，矿领导已经考虑，在煤层赋存区的浅部布置工作面，提高开采上限。 按照矿上的总体安排，从那时起，我们已开始了有关的（重点针对井田北部边界煤层隐 伏露头处）调查、研究及分析工作，并提交了初步的（ 关于在井田北部边界提高开采 上限及缩小断层煤柱的可行性报告 ） 。经过分析，我们认为，在我矿 3 上、3 下煤层隐 伏露头处提高开采上限及缩小田岗和程楼断层煤柱是完全可能的。并推测，可将煤层隐 伏露头处的开采上限由初步的设计的 31 米提为第四系底界面下 15 米， 田岗和程楼断层 煤柱则可由设计的 100 米缩小为 70 米。同时建议，有针对性地施工 68 个钻孔，或进 行地震勘探以查明有关问题。 对菜园煤矿开采上限的研究有重要的实际意义 1、目前矿井发展的实际情况是产量稳定在约 60 万吨/年，服务年限缩短，矿井储 量急剧减少。如何延长矿井服务年限成为制约矿井发展的主要因素，其中有效途径就是 在尽可能的条件下扩大井田的可采范围，这对于开采大槽煤具有更好的前景和价值。 2、菜园煤矿提高开采上限的研究和实践将为接续矿井的开采提供经验和数据。 3、提高矿井的开采上限是当前我国乃至世界煤炭开采业及地质学界共同关心的一 山东科技大学工程学位硕士论文绪论 2 个课题。随着世界经济的发展，对能源的需求量不断加大，积极寻求和开发新能源、十 分珍惜和合理利用不可再生的一次性能源已经成为一个共识。 在当前的经济技术条件下 不断探索提高开采上限在理论上和实践上的可行性具有重大的现实意义和历史意义。 1.21.2 研究现状研究现状 影响安全开采上限的主要影响因素为一是上覆岩层的水文地质情况及底含的底界 面水平标高位置；二是可能产生上覆水位联系的断裂构造及地质构造弱面；三是开采形 成“两带”高度，尤其是导水裂隙带高度，确定安全开采上限的关键技术就是建立在三 大主要影响因素上。 1）为了更多的解放煤炭资源，很多煤矿进行了提高开采上限的研究。在理论和实 测的基础上合理减小防水煤柱、防砂煤柱、防塌陷煤柱的尺寸，取得了明显效果。 2）提高开采上限的开采过程中安全措施更需加强。选择合理的采煤工艺；及时移 架或支护，严防顶板抽冒；尽量做到工作面连续、均匀推采，以减轻上覆岩石破坏程度； 建立畅通的矿井、采区和工作面的疏放水系统，加强排水设备维修与管理，定期清挖水 仓和水沟，确保疏排水系统畅通。 3）采用电视成像探测技术、电法勘探技术、电波坑透勘探技术等现场观测手段确 定煤层开采上限。电视成像技术是一种形象直观，可以实现精确定位的探测技术，主要 是通过探头在钻孔中任意位置获得的图像信息，传送到计算机或图像采集器上，直接观 测钻孔中的裂隙发育情况和破坏深度，实现两带高度的精确定位。 安全开采上限的确定要采取综合手段和措施将影响的诸多关键因素加以确定，井以 此作为防水煤（岩）柱的依据。各矿的工程地质条件不同，因此，仅靠经验公式和相邻 矿井开采参数类比来确定开采上限是盲目的，不安全可靠。 4）利用微震技术确定煤层开采上限。其原理为，岩石在应力作用下发生破坏，并 产生微震和声波。通过在采动区内布置多组检波器井实时采集微震数据，经过数据处理 后，可确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来。与传统技术相比，微震定位监 测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况确定破裂尺度和性 质。这种技术是在近年来计算机和数据采集技术快速发展的基础上产生的。 微震动（包括微地震）监测是 90 年代国际上发展起来的一项新的物探技术，它可 以应用于煤矿“两带”监测、矿山压力监测、地质灾害监测等多个领域。在国外，微震 动监测技术应用已经比较普遍，而国内还处于起步阶段。最近山东煤田地质局开发成功 山东科技大学工程学位硕士论文绪论 3 的“WZD2000 微震动监测系统” ，经过专家鉴定，其性能达到国际先进水平，在软件 与硬件结合方面达到国际领先水平。这一高新技术，对我国矿业发展具有巨大的经济价 值和重要的社会价值。 1.31.3 论文研究的主要内容和技术路线论文研究的主要内容和技术路线 （一）提高开采上限的理论分析 （1）安全煤柱留设的理论研究 （2） “两带”高度的计算 （3）影响导水裂隙带最大高度的主要因素 （4）煤层开采覆岩变形与破坏分析 （二）菜园煤矿 3 层煤提高开采上限研究 （1）矿井地质特征 （2）四采区北部第四系高密度电阻率层析成像（CT）探测 （3） “两带”高度的理论计算 （4） “两带”高度的现场实测 （5）确定开采上限的综合分析 （三）缩小断层防水煤柱的研究 （1）菜园煤矿断层防水煤柱留设概况 （2）程楼断层缩小断层防水煤柱研究 （3）田岗断层缩小断层防水煤柱研究 山东科技大学工程硕士学位论文提高开采上限的理论分析 4 2 2 提高开采上限的理论分析提高开采上限的理论分析 2.12.1 留设防水煤（岩）柱的有关技术规定留设防水煤（岩）柱的有关技术规定 怎样留设好防水煤（岩）柱是解决水体下采煤的关键。 在建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程第 37 条中规定 必须在矿井、水平、采区设计时圈定安全煤（岩）柱的水体主要有 （1）水体与预计开采上限（煤层）之间的最小距离，既不符合第 44 条中各级水体 要求的相应安全煤（岩）柱尺寸，又不能采用可靠的开采技术措施以保证安全正常生产 的。 （2）在目前技术条件下，只能采用（河流）改道、放空（水库） 、疏干（含水层） 或者堵截水源等办法处理，但经济上又属严重不合理的水体。 （3）位于预计顶板冒落带、导水裂缝带或底板破坏范围内，且无疏放水条件的砂 砾空隙强含水层和砂岩、石灰岩裂隙溶洞强含水层、岩溶地下暗河和有突水危险的含水 断层与陷落柱等水体。 （4）预计采后矿井涌水量会急剧增加，超过矿井正常排水能力，且水量长期稳定 不变，增加排水能力难以实现或排水费用高昂的。 （5）煤层开采后，地表和岩层有可能产生抽冒和切冒型塌落漏斗和突然下沉引起 的溃沙、溃水灾害的。 （6）对国民经济和人民生活有重大影响的河流、湖泊、水库和旅游地区的地面、 地下水体。 在第 44 条规定水体下采煤时，必须严格控制对水体的采动影响程度。按水体的 类型、流态、规模、赋存条件及允许采动影响程度，将受开采影响的水体分为三个采动 等级。不同采动等级的水体，必须留设相应的安全煤柱。 目前认为防水煤柱的留设与下面一系列因素有关，有的可做定量分析，有的只能做 定性分析。 （1）采动矿压对煤岩柱的作用。这就是采空区边缘上覆地层的集中支承压力将使 煤（岩）柱侧边的一定范围受到压裂破坏，产生裂缝，失去阻隔水的作用。真正起阻隔 水作用的是扣除这种塑性破坏的核心部分。求算这种压裂带（即塑性破坏带）宽度的公 式，一般可采用较简单的公式，其结果偏大于实际值，有利于保证安全。 山东科技大学工程硕士学位论文提高开采上限的理论分析 5 （2.1） cctgfc chfk f m L       1 ln 2 破 L破作用于采空区煤（岩）壁的支承压力，使煤（岩）柱体形成的塑性破坏带的 宽度（m） ； m煤（岩）层厚度； f煤或岩柱与顶（或底）板的摩擦系数。一般为 tgφ/4； λ侧压系数，；sin1/sin1  γ煤或岩体的容重（t/m2） ； h煤（岩）柱的埋深（m） ； c煤或岩层的内聚力（MPa） ； φ煤（岩）层的内摩擦角（） ，煤层一般取 20； k应力集中系数，一般取 3～5。 （2）所留煤（岩）柱，扣除塑性破坏宽度后（如果是矿间煤（岩）柱则需要扣除 两侧的破坏宽度） ，其有效宽度将受到三种状态的破坏，有三个公式进行相应的分析计 算 一是侧向水压大，使煤（岩）柱顶底板的粘结力和摩擦力不能抵抗，产生沿顶底界 面剪切破坏而移动。顶底板层面光滑、有软泥夹层易于出现此类破坏。其计算公式为 （2.2） 2 y fc mp L   有效 L有效煤（岩）柱扣除塑性破坏带宽度后有效宽度（m） ； m煤（岩）柱宽度（m） ； p侧向水压力（MPa） ； c煤（岩）层与顶及底板的粘结力（MPa） ； f煤（岩）层与顶及底板的摩擦系数，一般为煤（岩）层内摩擦角φ的 tgφ/4，常 近似取 0.1； δy顶底板摩擦阻力，其值为 kγH，即应力集中系数 k、上覆岩层容重γ。和上覆岩 柱总厚度 H 三者之积。 二是煤（岩）柱内部因应力超限（如水压很大或上覆地层静压很大，或采空区形状 特殊而造成地应力集中等） ，引起剪切或屈服破坏，这时可用煤岩的屈服强度理论公式 进行计算分析 山东科技大学工程硕士学位论文提高开采上限的理论分析 6 （2.3） 2 2 1  tghkc mp L s   有效 L有效有效煤（岩）柱宽度（m） ； λ侧压系数，；sin1/sin1  φ煤（岩）层的内摩擦角。物理力学测试给出该值，一般取 20； p作用于煤（岩）柱最大压力（MPa） ，前述三种作用力取其最大值； m煤（岩）层厚度（m） ； σs煤（岩）层的抗剪强度（MPa） ； k应力集中系数； γ上覆岩层的容重（t/m2） ； h上覆岩层的总厚度（m） ； c煤或岩层的内聚力（MPa） ； 三是渗流速度超限引起煤（岩）柱的冲刷扩大而失效。从现场的实际情况看，这是 破坏煤（岩）柱的主要的可以普遍存在的一个方面。因为煤（岩）柱都是具有原生和次 生节理裂隙或断裂构造的地质体， 这些岩体的软弱结构面在水压的作用下都可以形成一 定的渗流楔劈流。由水力学明确雷诺数大于 3.3～5.0 时，水流就处于紊流状态， 此时水流的夹砂能力正比于水流的速度的平方。在高压水的作用下，水力坡度极大时， 在煤（岩）柱内发生了紊流，随着流速和水力半径的增大，冲刷能力增强，渗透量会不 断增长，同时作用于裂隙端部的侧向水压还将因应力集中而使裂隙向前扩展和分岔，最 后导致煤（岩）柱的完成破坏而丧失其隔水能力。特别是粘结力弱的松软煤层，出现这 种渗流超限破坏的危险更大，因此，有效煤（岩）柱的宽度应使渗流在其中的水流速度 永远小于允许的最大流速， （即 V 临值） ，其数学表达式为 （2.4）K VH HH L   临 有效 2 2 2 2 1 2 L有效有效煤（岩）柱宽度（m） ； H1煤（岩）柱一侧形成渗流作用的高位水柱值（m） ； H2渗流的底位水柱值（m） ； V临临界流速（m/s） ； K煤（岩）的渗透系数（m/s） 。 实际上，由于煤（岩）体的粘结力不同， V临值是难于是难于实际计算确定的，一 般只能观察在一定水压作用下煤柱是否出现渗流水，水量是否有逐渐增大的趋势。出现 山东科技大学工程硕士学位论文提高开采上限的理论分析 7 渗流水的煤柱，其安全程度就低了，有逐渐增大的趋势就不允许了。 以上是理论分析，实际上按照这些理论公式进行计算， L有效往往并不需要很大。 因此， 煤 （岩） 柱的科学留设的关键， 还在于水体及其压力的作用方向及岩层移动角 （采 矿引起的）以及断层节理的产状，与煤（岩）柱的空间几何关系。 （3）开采引起的岩层移动对煤（岩）柱的破坏和影响。广泛的生产实践表明，煤 层开采后，其上覆岩层将产生冒落带、导水裂隙带和以弹性变形为主的缓慢下降带；同 时，上覆岩层将产生沿开采盆地的扩展而不断外移的塌陷角，直达开采的煤柱边为止。 因此煤（岩）柱留设时必须考虑到塌陷角与导水裂隙带对它的破坏和影响。 规程对 此已以作了明确的规定，这是十分必要的。 （4）开采可引起煤层顶底板岩层的破坏和引张区的出现。邯郸、淄博、肥城等矿 务局的观测试验已得出