邢台煤矿下组煤首采区带压开采设计优化.pdf

收稿日期 2003- 12- 15 作者简介 王希良1966- , 男, 汉族, 山东平度人, 副教授, 博士, 2000 年毕业于中国矿业大学 北京校区, 现在 石家庄铁道学院从事岩土工程等方面的教学与科研工作。 邢台煤矿下组煤首采区带压开采设计优化 王希良1, 韩朝军2, 奚树旺2, 蒋勤明2 1 石家庄铁道学院, 河北 石家庄 050043; 2 邢台矿业集团, 河北 邢台 054023 摘 要 在分析奥灰水文地质条件的基础上,确定了邢台煤矿开采下组煤的首采区。以不 扰动奥灰含水层天然流场为目标,以预防奥灰突水为主线,对首采区的开拓方案进行了优化布 置, 提出了工作面开采的最佳尺寸。为该矿下组煤首采区的开采成功提供了较为可靠的水文地 质保障和安全开采模式。 关键词 下组煤; 首采区; 岩溶水; 安全开采;设计优化 中图分类号 TD82383 文献标识码B 文章编号1671- 0959 2004 07 000703 邢台矿区主采煤层为二叠系山西组的 2 号煤和石炭系 太原组的 9号煤, 其中 9 号煤占矿井总储量的 70 以上, 但因受底板奥灰水的威胁而难以开采。要使邢台煤矿保持 可持续发展, 必须加大科技投入, 调整开采战略, 改变传 统开采方式, 及早实施下组煤的开采。 围绕下组煤的开采, 展开了多项水文地质工作,选择 了水文地质条件相对简单的 9500 采区作为试采区, 并进行 了地球物理探测和水文地质钻探等试验工作, 已初步查明 了该区的水文地质条件。依据底板突水机理, 在一定的水 文地质条件下, 9 号煤能否安全开采, 主要受到工作面布 局和开采方法的制约。针对上述分析, 本文就试采区带压 开采的若干设计进行了优化研究, 并提出了具体的防排水 措施。 1 试采区奥灰水文地质条件分析 9500 试采区位于井田的西南隅, 煤层标高为- 120 - 150m, 南部边界距 F12 断层 600 800m, 东部和北部为 走向 SN 转 NW 的 F24正断层, 落差 25 45m, 西升东降。 西部边界为走向 NNE 的 F6正断层, F6断层以西走向断层 特别发育, 大约有 8 条落差大于 30m 以上的断层, 断层落 差具有南大北小的特点, 组成了一系列的地堑和地垒, 对 井田外围的地下水向试采区的径流起到了一定的阻水作用, 但由于该地区奥灰埋藏浅, 构造破坏严重, 岩溶发育, 距 强径流带较近, 故富水性较强。 中奥陶统石灰岩按沉积环境、构造旋回、岩性结构分 为三组八段, 其中对煤层开采有影响的为峰峰组 六、七和 八段 , 自上而下为 八段, 岩性为角砾状泥质灰岩、白 云岩, 平均厚度 14m, 岩溶发育, 但风化物充填程度很高, 奥灰钻孔揭露的资料显示, 约有 66 的钻孔中奥灰顶面有 风化充填物; 七段,岩溶裂隙发育, 平均厚度 86m, 单 位涌水量为 0137 557L/sm, 是煤层开采的主要充水含 水层;∀ 六段, 角砾状灰岩, 平均厚度 53m,为隔水层, 隔绝了与下伏各段含水层的水力联系。 通过试采区的四个水文地质钻孔可知, 区内岩溶裂隙 较发育, 如 9301、9303、9304 三个钻孔一揭露奥灰就发生 漏水, 9302 孔揭露奥灰不足 20m 也开始漏水, 值得注意的 是 9303 孔揭露奥灰 44m 时发现井田的第一个陷落柱。由 表 1 可见, 其最大单位涌水量为 925L/ sm,可见该试采 区富水性较强。 表 1 9500 试采区抽水试验结果 孔号 Q/ m3h- 1 S/ m Q/ Ls- 1m 与构造关系 930122116067 930211043925遇断层 930311352781遇断层 930480181158 整个试采区由于处于井田的浅部地区, 在井田地下水 的径流场中处于较好的位置,岩溶发育, 其四周均不能形 成完全的阻水边界,因此, 水文地质条件比较复杂。在天 然状态下, 试采区的主要进水方向来自北部和西部, 其次 为南部, 东部由于埋藏逐渐加深, 岩溶发育逐渐减弱, 再 加上 F4 等走向断层的阻隔, 估计来自东部的岩溶水相对来 说不会太大。但在发生奥灰岩溶水突水的情况下, 试采区 的四周均会得到补给, 而在长期的疏排下, 容易形成漏斗 获得补给,而西、北、南方向漏斗平缓, 为主要的补给 方向。 2 试采区奥灰涌水量预计 21 计算公式和参数选择 试采区涌水量的计算, 以稳定流的 集水廊道法∃ 和 7 2004 年第 7 期 煤 炭 工 程 设计技术 大井法∃ 为主要的计算公式, 所涉及的参数较少, 结果比 较符合对水文地质条件的认识。采用的参数以本采区为主, 适当参照临采区及全井田的资料, 力求具有代表性,奥灰 水位采用近年来最高水位 70m。 邢台电厂水源地位于井田东侧, 曾进行过大型开采性 群井抽水试验, 试验影响范围波及了井田内部,获得的水 文地质参数是比较可靠的。另外, 该矿在 1990 年进行了大 青灰岩群孔放水试验, 其成果也为试采区涌水量的计算提 供了依据。 22 奥灰含水层突水量预计 1 裘布依公式 Q 273KMS/ lgR0- lgrw 3767 m3/ h 式中 Q 奥灰突水量, m3/ h; K 渗透系数, 取 9301、9302、9303 和 9304 钻 孔抽水试验的平均值 948m/d; M 奥灰七段厚度, 取平均值 85m; S 水位降深, 取 190m; rw 假设突水半径, 取 014m; R0 引用影响半径,R0 10SK 1/ 2 5884m。 2 非完整井井底进水公式 Q 4KRS 3219 m3/ h 式中 Q 奥灰突水量, m3/ h; K 采用 9302 孔 T 值 399 R 假设突水半径, 取 014m; S 水位降深, 取 190m。 3 工程类比法 S/ S1Q/ Q1 Q S Q1 临城旧北井、旧南头、岗头一井等平均突水 量 2060m3/h; S1 上述三矿井平均水位降深 125m。 3 试采区带压开采设计优化 31 试采区的水文地质和工程地质特点 1 煤层所承受的奥灰水压较小,工作面埋藏深度为 200 300m, 煤层标高为- 120 - 150m, 按奥灰近年来最 高水位 60m 计算, 煤 层底板岩 体所能 承受的水 压为 18 21MPa。 2 突水系数较小, 安全开采系数大, 煤层底板与奥灰 间距 34 44m, 隔水层厚度是井田中最大的。计算突水系 数为 08 12, 在正常的地质块段,开采突水的可能性 较小。 3 工作面位于采区中部, 距两侧断层较远。 4 煤层顶板大青灰岩弱含水层与奥灰无直接水力联 系, 易疏干, 对开采影响较小。 32 巷道布置原则与优化 区内工作面推进方向应与断层走向大致平行, 以减少 中小断层对回采的影响, 相应地将采区准备巷道大致垂直 于断层走向。为减少采掘工作对煤层底板隔水层的破坏, 根据过断层时 破顶不破底、不做底板岩石巷道∃ 的原则, 拟将巷道布置于 9 号煤层中。 针对巷道跟顶还是跟底掘进, 提出了两个方案 轨道 上山跟底, 运输上山跟顶; 两条上山都跟顶。 321 方案∋ 、的技术比较 方案∋ 优点 因两条上山所处区域 8、9 号煤层合 并, 使运输上山跟顶超前掘进,直接揭露大青灰岩, 疏放 或疏干大青水, 既能探清大青石灰岩富水情况, 又可为后 继巷道掘进创造条件; 轨道上山跟底掘进,可使水沟做 在坚硬的底板岩石中, 保证采区排水畅通;∀ 两条上山上 下错开, 形成一定高差, 发生水灾时有利于人员避灾撤退, 同时便于工作面顺槽与采区上山联络。方案 ∋ 缺点 轨道 上山跟底掘进, 因服务年限较长, 顶板煤体受压变松软, 导致维护困难, 维修工作量大。 方案优点 两条上山都跟大青灰岩掘进, 容易支 护, 可实现快速掘进, 巷道日常维护量小; 巷道距奥灰 顶面间距较跟底时大,掘进安全系数更高。方案 缺点 工作面顺槽与采区上山联络构成通风系统以及实现工作 面排水自流都要增加绕道; 轨道上山巷道底板为煤层, 排水时容易冲毁巷道;∀ 巷道跟顶掘进, 探水时在煤层中 不易固定孔口管。 322 方案∋ 、的经济比较 因两方案巷道所处层位、岩性、断面和支护形式相同, 仅对巷道工程量比较即可, 见表 2。 表 2 下组煤首采区开拓方案巷道工程量比较m 工程名称 方案∋ 煤巷岩巷 方案 煤巷岩巷 轨道平石门290380 运输平石门370410 轨道上山63050 运输上山55060 采区联络巷11570 合计12957301210900 20252110 综合技术与经济比较, 选择方案∋ 为最佳开拓方案。 33 最佳采区尺寸的确定 根据矿井 资源开 采规划,拟定 采区尺 寸走向 长度 770m, 倾斜宽度 300 450m, 平均宽度 370m。由于该矿 近年来一直推广沿空掘巷的无煤柱开采技术,相邻工作面 之间不再保留区段煤柱, 因而工作面倾斜长度与区段斜长 相等。 参考相邻矿区下组煤带压开采经验, 结合该矿在 2 号 煤回采工作面底板破坏深度测试结果, 经分析, 底板最大 8 设计技术 煤 炭 工 程 2004 年第 7 期 收稿日期 2004- 03- 22 作者简介 孟祥忠1964- , 男, 山东科技大学教授, 同济大学博士研究生, 主要从事计算机应用技术、电气工程及 其自动化教学与研究工作。 变电站综合自动化系统中央总控通信系统设计 孟祥忠1, 2 1 同济大学, 上海 200092; 2 山东科技大学, 山东 泰安 250031 摘 要 现场总线技术的成熟促进了变电站综合自动化系统的快速发展与应用,各种智能 监测、监控与保护装置大量涌现到电力市场。论文提出一种基于多种现场总线的中央总控通信 装置硬、软件设计方法。实践证明, 该方案技术先进, 可靠性高。 关键词 变电站; 综合自动化系统; 中央总控通信装置;现场总线;CANBUS RS- 485 中图分类号 TM63; TN915853 文献标识码 B 文章编号 1671- 0959 2004 070009 03 0 引 言 一般整个变电站的一、二次设备可分为 3 层, 即变电 站层、单元层或称间隔层 和设备层, 见图 1。 中央总控通信装置作为新一代数字式变电站综合自动 化系统管理、协调的核心设备。各智能单元 IU 如间隔 数据采集和控制单元 DAC、间隔保护单元 Prot、间隔 数据采集和处理单元DAP 的实时数据和遥信信息都经过 总控单元加工, 以标准规约送往上一级调度或后台机, 同 时接受上一级的下行命令, 下达到对应智能单元执行。该 装置与系统其他智能电子设备 IED 及监控系统一起组成 变电站综合自动化系统。 破坏深度与工作面倾斜长度呈一元线性 关系, 即 CP 32 0085L 式中 CP 工作面底板破坏最大深度; L 回采工作面倾斜长度。 上式表明, 工作面底板破坏深度随着其倾斜长度的增 大而增加, 但是它们之间的关系又受到经济效益的制约。 如果工作面倾斜长度过小, 固然底板破坏深度小, 但经济 效益太差。为确保矿井安全生产, 保持工作面的开采效益 以及采煤设备机械化效能的发挥, 将工作面倾斜长度定为 70m, 以便将工作面底板最大破坏深度控制在 10m 以内。 4 带压开采的技术措施 带压开采的原则充分利用煤层底板岩体的隔、阻水性 能, 尽量不扰动奥灰含水层的天然流场, 采取以防水为主 的开采方法。 1 完善井上下排水系统, 达到 1m3/s 的排水能力。 2 严格按照 防水隔离∃ 的开采要求进行采区设计, 其中主要是建立与之相应的分区隔离水闸门和留设隔离煤 柱。试采区和工作面必须设置安全出口和避灾路线,且有 明显标志, 同时设立可靠的突水报警系统。 3 在开拓掘进过程中, 选择适当位置, 采用超前钻孔 和疏水石门直接揭露大青灰岩,疏干大青水, 将大青水位 疏降至- 210水平。 4 必须遵循 先探后掘, 先探后采,不探不掘不采∃ 的防探水制度和原则, 每个开掘巷道及工作面必须有专门 的防探水设计。 5 充分利用钻探、物探、化探等探测手段,探明采场 的水文地质条件包括导水构造、隐伏构造、承压水导升高 度等, 并根据查明的构造和水情, 采取跳采、预留煤柱和 注浆加固等措施。 6 对主要断层必须留设防水煤柱, 当沿防水煤柱掘进 时, 应用物探、钻探方法查明断层和导水构造的确切位置, 保证足够的防水煤柱尺寸。 7 为减少采动对底板的破坏深度, 工作面长度不得超 过 70m, 相邻上下两个采面必须间歇跳采或错岔开采, 以 避免对底板隔水岩体的叠加破坏。同时控制第一次老顶来 压冒落的步距, 要对最大悬顶距作出具体的规定。 8 采区必须布置奥灰和大青水文观测孔, 建立健全井 上下水文地质观测系统, 以掌握大青水和奥灰的动态变化。 还须在采区煤柱内不受矿压影响的地点施工 1 2 个本溪灰 岩观测孔, 作为采动期间监测奥灰水的手段。 参考文献 [ 1] 邢台矿务局邢台煤矿, 河北煤田地质局第二地质队. 9500 试采区地质及水文地质报告 [ R] . 1994. [ 2] 王希良. 不同开采条件下底板破坏深度测试研究 [ J] . 煤, 2000, 3 . 责任编辑 马光辉 9 2004 年第 7 期 煤 炭 工 程 设计技术