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鲍店煤矿下组煤带压开采可行性评价 李 凯 1 刘延欣 2 1. 煤炭科学研究总院西安研究院水文所, 陕西 西安 710054; 2. 充矿集团鲍店煤矿, 山东 邹城 273513 摘 要 该文分析了井田的水文地质条件, 下组煤开采的充水条件及煤层底板岩体的隔、 阻水特性, 对鲍店下组煤的带压开采可行性作了初步 评价, 认为在采取了一定的安全技术措施后, 实现安全带压开采是可行的。 关键词 下组煤 带压开采 评价 中图分类号 TD823. 83 文献标识码 B 1 地质特征 鲍店井田为一轴向北东、 向北东倾伏的不完整倾 伏向斜构造, 属兖州向斜构造的中段, 其南翼被断层切 割, 北翼保留完整。井田内部地层波状起伏, 褶曲具宽 缓短轴倾伏特点, 因而含煤地层走向变化较大。井田 范围内含煤地层倾角一般 2 13, 局部达 20。井田 * 收稿日期 2008- 11- 20 作者简介 李凯 1980- , 男, 陕西省西安人, 工程师。主要从事地 质工程、 矿山水害防治和水文地质方面的研究工作。 内落差大的断层较少, 且均在井田边界, 井田内部断层 多为小落差断层。 2 水文地质特征 2. 1 主要含水层 第四系下组砂砾层含水层、 侏罗系底部砂岩含水 层、 二叠系砂岩含水层、 石炭系薄层灰岩含水层 组 、 奥灰含水层。其中对下组煤开采起主要影响作用的是 石炭系薄层灰岩含水层 组 中的十下灰、 十三灰、 十四 灰以及奥灰含水层。 电缆敷设到采煤机, 经 1 个 25 变两路 13 的变通和 高压球阀后接入安设在采煤机两端的除尘器; 另一路 随架间的管线敷设, 每架安 1 个 25 变 10 三通, 经过 10 的高压球阀后, 接到前部移架除尘器或后部放煤 除尘器。 4. 2 采煤机除尘器的安装及使用 图 2 采煤机除尘器安装 如图 2 所示, 采煤机的除尘器安设在采煤机两端 的电机外壳上, 处于运输机的正上方, 控制阀安设在司 机便于操作的位置。除尘器内部的阀块将高压水分成 四路, 进入 4 个引风管。在水雾活塞的作用下, 除尘器 内腔产生相应的负压, 空间布置的 4 个引风管形成一 个扇面水雾覆盖采煤机滚筒及截割后的落煤区域, 高 压水雾的卷吸与屏蔽使产生的煤尘逃逸方向被迫沿设 计方向流动。除尘器下方的吸风口是没有被卷吸煤尘 的必由之路。高压水形成的超细雾粒很快和煤尘亲和 形成煤泥水, 从而使采煤机周围的空气得到净化。 4. 3 支架前、 后部除尘器的安设及使用 支架前部除尘器从第 4 架开始, 每隔 10 架安设 1 个,除尘器的吸风口处于下风侧。每个除尘器能处理 下风口 20 m范围内前移支架所产生的粉尘, 同时又能 屏蔽支架前近一半通风断面, 另一半通风断面上的粉 尘处在吸风口的范围之内, 随风流逃逸的粉尘被卷吸 进除尘器的腔体, 经过高压水雾活塞的作用后, 粉尘变 成煤泥水被喷出。 支架后部除尘器从第 5 架开始安设, 每隔 5 架安 设一个, 除尘器的吸风口位于软帮侧。后部除尘器喷 射口喷出的水幕能处理下风口约 5 个支架后部放煤空 间的粉尘,同时能屏蔽本架放煤口产生的粉尘, 防止粉 尘扩散,另一侧放煤口的粉尘完全处在吸风口的范围 之内,在除尘器吸风口强大的负压作用下, 粉尘被吸入 除尘器,经过高压水雾活塞的作用后, 粉尘变成煤泥水 被喷出, 达到除尘净化空气的目的。 5 系统运行状况 该除尘系统在综采一队工作面试运行, 经实践检 验系统运行状况良好, 除尘效果理想。 由于负压除尘系统工作面试用时间还很短, 存在 的问题都有待于在使用中不断观察、 改进。 131 2009年第 2期 2. 2 主要隔水层 井田内隔水层主要有山西组砂岩顶至二叠系隔水 岩组、 太原组泥岩、 铝质泥岩隔水岩组、 17 煤至十四灰 间的隔水层组、 十四灰至奥灰间的隔水层组。 3 充水条件分析 下组煤顶板含水层是十下灰含水层, 底板含水层 是十三灰、 十四灰和奥灰含水层。其中十下灰是直接 充水含水层, 十三灰、 十四灰和奥灰是间接充水含水 层。井田内十下灰、 十三灰和十四灰区域内整体富水 性较差, 井下钻孔揭露时基本无水, 有利于对其进行水 量疏干或水位疏降, 对下组煤开采实际威胁性不大。 奥灰含水层非均质、 各向异性强, 区域富水性弱到中 等,井下钻孔揭露水量 0. 75 157. 70m3 h。但其补给 充沛, 井下放水试验时水量基本无衰减, 水压大, 下组 煤开采时存在一定的突水危险, 是威胁下组煤开采的 主要含水层。 4 煤层带压开采可行性评价 鲍店煤矿下组煤虽然埋藏深、 水压高, 但若能充分 利用底板隔水层的防护作用, 就可在不进行或很少进 行疏水降压的情况下实现带压安全开采。 4. 1 底板岩体阻水性能评价 16上煤至奥灰隔水层 组 为 59. 85 112. 77m, 平 均 91. 10m。17 煤 至 奥 灰隔 水 层 组 为 50. 43 10269m,平均 80. 87m。16上、 17 煤至奥灰隔水层 组 普遍厚度较大。第 勘探区内隔水层块段较为完整, 没有发现较大的断裂构造和导水裂隙密集带。 下组煤底板至奥灰隔水层 组 的岩性有泥岩、 砂 岩、 灰岩及煤层等,各层交互沉积排列。各岩层中泥岩 厚度最大, 约占隔水层 组 总厚度的 70, 砂岩较少, 仅占总厚度的 5左右,灰岩约占 24。 整体上看, 鲍店煤矿下组煤至奥灰隔水层 组 厚 度普遍较大, 特点是软硬相间, 形成多层复合式软硬相 间结构, 软岩厚度大, 硬岩厚度小。应该说, 这样的岩 性组合隔水性能好, 对阻挡奥灰的底板突水有利。同 时本溪组薄层灰岩均属弱含水层, 在正常的地质条件 下可作为相对隔水层, 这些都是保证下组煤带压安全 开采的有利条件。 4. 2 底板有效隔水层厚度评价 有效隔水层是指底板岩层中保持采前完整状态, 并具阻水性能的部分, 它是阻止底板突水的关键因素。 有效隔水层厚度大小实际上等于底板隔水层总厚度减 去底板采动破坏带深度和奥灰原始导高带高度。根据 兖州其他类似矿井的经验, 一般情况下采掘底板破坏 深度约 12m左右。原始导高带是指含水层中的承压水 能沿隔水层底板中的裂隙或断裂破碎带上升的层段 带。鲍店奥陶系灰岩上覆有厚约 18m 的铝土岩, 该岩 层裂隙很少, 不利于原始导高带的发育。而且鲍店煤 矿及相邻矿井在勘探过程中均未发现奥灰原始导高, 因此奥灰原始导高应为零。取鲍店煤矿下组煤隔水层 最小总厚度 50. 43m, 底板破坏带深度 12m, 奥灰原始导 高带高度为零, 求得鲍店煤矿下组煤底板有效隔水层 最小厚度为 38. 43m。 4. 3 构造导水性评价 鲍店井田内没有发现较大的导水裂隙带, 矿井内 部断层发育较少, 且都是上组煤开采时揭露的, 下组煤 层位是否发育还没有资料证明, 同时已揭露断层均为 隔水断层或不含水断层, 由此可以判断鲍店井田地层 结构较完整。 4. 4 突水系数分析评价 根据兖州煤田下组煤开采经验, 隔水层正常条件 下临界突水系数取 0. 10MPa m。即在隔水层正常条件 下,可以认为突水系数在 0. 10MPa m 以下的区域为安 全区, 不会突水。 突水系数计算公式如下 Ts P M- h1 h2 式中 Ts- 突水系数; P- 含水层承压水作用在开采煤层底板隔水层 上的水压MPa ; M- 隔水层厚度m ; h1- 采动破坏深度m ; h2- 含水层承压水原始导升高度m 。 计算中 h1取 12m, h2取 0m, 其余参数采用鲍店煤 矿下组煤补勘资料, 最终求得 16上、 17 煤奥灰突水系数 见表 1。 表 1 奥灰突水系数计算结果 孔号 16上煤突水系数MPa m 17 煤突水系数MPa m O2- 1 0. 0870. 098 O2- 20. 0830. 097 O2- 30. 0520. 058 O2- 4 0. 0760. 087 O2- 50. 0880. 109 O2- 6 0. 1080. 124 O2X- 10. 0740. 083 O2X- 2 0. 0760. 087 O2X- 30. 0810. 093 O2X- 40. 0840. 093 O2X- 5 0. 0940. 109 O2X- 60. 1040. 136 就突水系数来说, 第 勘探区的 16上煤奥灰突水 系数都在 0.10MPa m 以下, 只需通过实施井下综合探 查、 突水监测等防治水措施,基本可保证 16上煤安全开 采。17 煤部分区域奥灰突水系数超过了 010MPa m, 突水的危险性很大。在该区域要想保证 17 煤安全开 采,不仅需要做相应的预防措施, 还应提前查清奥灰的 富水地段,底板隔水层薄弱带, 尤其是潜在导水通道的 位置和范围, 针对 17 煤底板隔水层进行注浆改造或者 132 2009年第 2期 大体积混凝土裂缝产生原因及防裂措施 潘 勇 兖矿新陆建设发展有限公司, 山东 邹城 273500 摘 要 该文通过对大体积混凝土产生裂缝的原因进行分析, 探讨了防止裂缝发生的措施, 进而实现提高建筑工程质量的目的。 关键词 大体积混凝土 裂缝 防裂措施 中图分类号 TU755 文献标识码 B 大体积混凝土的定义是任何现浇混凝土, 其尺寸 达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题, 以 最大限度的减少开裂影响的, 即称为大体积混凝土。 开裂问题是在工程建设中带有一定普遍性的技术问 题,裂缝一旦形成, 特别是基础贯穿裂缝出现在重要的 结构部位, 危害极大, 它会降低结构的耐久性, 削弱构 件的承载力, 同时会危害到建筑物的安全使用。所以 如何采取有效措施防止大体积混凝土的开裂, 是一个 值得关注的问题。 1 大体积混凝土裂缝形成的原因 裂缝产生的原因可分为两类 1 结构型裂缝, 是 由外荷载引起的, 包括常规结构计算中的主要应力以 及其他的结构次应力造成的受力裂缝; 2 材料型裂 缝,是由非受力变形变化引起的, 主要是由温度应力和 混凝土的收缩引起的。本文主要探讨材料型裂缝。 1. 1 温度应力引起裂缝 温度裂缝 目前温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温 差可分为以下三种 混凝土浇注初期, 产生大量的水化 热,由于混凝土是热的不良导体, 水化热积聚在混凝土 内部不易散发, 常使混凝土内部温度上升, 而混凝土表 面温度为室外环境温度, 这就形成了内外温差, 这种内 外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力超过混凝土抗 压强度时, 就会导致混凝土裂缝; 另外, 在拆模前后, 表 面温度降低很快, 造成了温度陡降, 也会导致裂缝的产 * 收稿日期 2009- 04- 07 作者简介 潘勇, 毕业于山东科技大学 原山东矿业学院 工民建专 业, 现就职于兖矿新陆建设发展有限公司。 生;当混凝土内部达到最高温度后, 热量逐渐散发而达 到使用温度或最低温度, 它们与最高温度的差值就是 内部温差; 这三种温差都会产生温度裂缝。 1. 2 收缩引起裂缝 收缩有很多种, 包括干燥收缩、 塑性收缩、 自身收 缩、 碳化收缩等等。干燥收缩是混凝土硬化后, 在干燥 的环境下,混凝土内部的水分不断向外散失, 引起混凝 土由外向内的干缩变形裂缝。塑性收缩在水泥活性 大、 混凝土温度较高, 或在水灰比较低的条件下会加剧 引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少, 表面蒸 发的水分不能及时得到补充, 这时混凝土尚处于塑性 状态,稍微受到一点拉力, 混凝土的表面就会出现分布 不均匀的裂缝, 出现裂缝以后, 混凝土体内的水分蒸发 进一步加大, 于是裂缝进一步扩展。 2 防止裂缝的措施 2. 1 优选原材料 2. 1.1 水泥 由于温差主要是由水化热产生的, 所以为了减小 温差就要降低水化热, 要尽量采取早期水化热低的水 泥,主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模 数。硅酸盐水泥的矿物组成主要有 C3S、 C2S、 C3A 和 C4AF, 试验表明 C3A 和 C3S 含量高的, 水化热较高, 所 以,为了减少水泥的水化热, 必须降低熟料中 C3A 和 C3S 的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低 热矿渣水泥。另外, 在不影响水泥活性的情况下, 要尽 量使水泥的细度减小, 因为水泥的细度会影响水化热 疏降奥灰水头, 减少奥灰突水的可能性。 5 结论和建议 综合以上分析, 鲍店煤矿第 勘探区下组煤地质 构造比较简单, 地层结构相对完整, 底板有效隔水层厚 度较大, 奥灰突水系数基本在临界安全值以下, 只要下 组煤工作面开采前, 作好工作面底板隔水层的完整性 状况探查, 加大底板突水的监测和预警预报工作, 实现 安全带压开采是可行的。 参考文献 [1] 山东科技大学. 鲍店煤矿生产矿井地质报告[ R] . 2006. [2] 张金才, 张玉卓, 刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水[M] . 北京 地 质出版社, 1997. [3] 武强, 金玉洁. 华北型煤田矿井防治水决策系统[ M] . 北京 煤炭 工业出版社, 1995. [4] 钟亚平, 洪益清. 巨厚奥灰含水层煤系基底的安全开采技术[ J] . 煤炭科学技术, 2002, 1 55- 57. [5] 钟亚平, 张志强. 实施疏水降压工程安全开采受底板奥灰水威胁 的煤炭资源[ J] . 煤炭科学技术, 1996, 5 4 31- 33. 133 2009年第 2期