xxx矿保护层选择方案论证.doc

xxx矿保护层转层方案论证 xxx矿保护层转层方案论证 自2008年7月27日xxx矿K4煤层5409工作面运输巷掘进过程中发生打钻突出事故以来，又连续发生了“10.27”、“8.5”、“8.30”3次K4煤层打钻突出事故，特别是2009年“8.30” K4采煤工作面发生打钻突出事故后，又相继采取掘进抬高底板巷、增打工作面中段穿层钻孔，将上、下向本层孔间距分别缩小至2m、1m等措施。可采取了以上措施后，到2011年6月份我矿5409、6402两个K4工作面校检相继大面积超标，且在孔深达到4m以上的情况下大多有喷孔现象，表明K4煤层随开采深度的增加，其突出危险性增大，安全威胁越来越大，而我们现有的瓦斯治理措施不能消除以上威胁。为此K4煤层作为保护层开采的技术方案，不能解决我矿保护层开采问题，因此为了矿井开采合法性、安全性，为了矿井的生存，重新选择保护层是我们当前迫切需要论证解决的问题。 一、矿井基本情况 xxx矿位于xxx市合川区三汇镇，南距xxx市市中区约85km。井田北以18-1勘探线（即xxx矿平硐）为界，南到12勘探线（即龙家湾背斜末端），上部以旧采区为界、深部至-200m为界。井田平均走向长6.9km，平均倾斜宽0.75km，面积5.2km2。 矿井设计生产能力30万t/a，2011年核定生产能力39万t/a。矿井开拓方式为平硐斜井暗斜井综合开拓。矿井平硐水平为310m水平，现生产水平20m水平， -60m水平，延深水平为-130m水平。因部署调整2010年生产原煤43.1万t。 二、煤层的赋存情况 矿区内可采及局部可采煤层4层，即K1、K3、K6煤层，其中K1为中厚煤层，K3、K4、K6为薄煤层。 （一）各煤层赋存情况 1．K1煤层 K1煤层（大连子）为半亮至半暗型复合煤层，位于龙潭煤组第一段（P2l1）下部，煤层疏松破碎，呈粉末状，含黄铁矿结核。煤层厚0.05～7.17m，平均厚2.30m。且含夹矸（泥岩）1～3层，层厚0.03～0.95m，不稳定，呈透镜状、条带状。其中15勘探线（主石门）以北～井田边界极少数区段煤厚0.05～1.72m，平均厚1.26m，绝大部分区域煤厚特别薄。15线以南煤层厚0.20～4.53m，平均厚2.59m，煤岩层走向N35～55E，倾向南东，倾角24～40。其中20m水平以下15勘探线（主石门）以南煤岩层走向N35～40E，倾向南东，倾角30～37，平均倾角34。 煤层顶板为黑色致密泥岩，性脆，含黄铁矿结核和晶粒，厚3.40～9.00m，平均厚6.10m，老顶为黑色细砂岩及砂质泥岩，厚1.32～3.10m，平均厚2.39m。 煤层底板为浅灰色粘土泥岩。含植物根部化石，呈土状，遇水膨胀。厚0.20～1.40m，平均厚0.75m。 K1煤层厚度变化的主要原因是由于沉积环境不稳定，基底不平；井田北翼局部可采，煤层变化特别大，极不稳定，南翼煤层较稳定。 2．K3煤层 K3煤层（双连子）为矿井局部可采煤层，位于龙潭煤组第一段（P2l1）中部，为半暗至半亮型煤，单一结构，煤层较硬，厚0.05～3.08m，平均煤厚0.70m。其中15线以南煤厚0.10～3.08m，平均厚0.98m；20m水平主石门至南一石门煤厚0.10～1.75m，平均厚0.68m；20m水平南一石门以南煤厚0.20m～1.86m，平均厚1.08m，煤层较稳定。但逐部地段仍有一定变化和不稳定，且有薄化带和小构造出现。15勘探线（主石门）以北（15～18-1）～井田边界煤层厚0.05～0.70m，平均厚0.45m，煤层变化极大，为表外储量。 煤层顶板为黑色泥岩、砂质泥岩，含硅质结核，厚2.00～3.00m，平均厚2.45m。开采过程中顶板缓慢跨落。 煤层底板为黑色泥岩，含硅质结核，厚1.00～2.00m，平均厚1.30m。 K2、K3煤层时而分叉，时而合连（其中K2、K3煤层在南二石门以南均以合连）及K3煤层厚度变化的主要原因是沉积环境的不稳定，为极不稳定煤层。 3．K4煤层 K4煤层（楼板）为矿井主采煤层之一，位于龙潭煤组第一段（P2l1）上部，为半暗至暗淡型煤，少数半亮型煤，单一结构，煤层较松软，含黄铁矿结核。煤层厚0.20～3.20m，平均厚0.90m，煤层较稳定。煤岩层走向N35～55E，倾向南东，倾角25～40。其中20m水平以下15勘探线（主石门）以南煤岩层走向N35～40E，倾向南东，倾角31～37，平均倾角35。 煤层顶板为黑色泥岩，性脆，含黄铁矿结核和晶粒，厚0.90～1.80m，平均厚1.56m。 煤层底板为浅灰色粘土泥岩，呈土状，含植物根部化石碎片，遇水膨胀。厚0.29～0.96m，平均厚0.51m。K4煤层为较稳定煤层。 4． K6煤层 揭露资料矿井240m水平南一石门以北煤厚0.20m～0.92m，平均煤厚0.55m；南一石门以南煤厚0～1.19m，平均煤厚0.40m。 K6煤层于1988年在170m水平北二石门附近开采了约400m范围后，至今未进行任何开采，其它均无钻孔控制，揭露资料。 根据240m水平以上勘探资料和生产实际揭露资料分析，K6煤层分为上下分层，赋存极不稳定，煤厚变化大。 推断K6煤层矿井全区域分布，层位稳定，煤层厚度变化极大，分为上下两个分层。K6－2为上分层，在15～16勘探线之间（主石门至北三半石门），煤厚0.05m～1.6m，平均煤厚0.55m；其它区域0.3m～0.5m；K6－1为下分层，整个区域煤厚在0.06m～0.4m，平均厚度0.29m；上下分层之间夹矸为泥岩，厚度在0.19m～0.82m，平均厚度0.65m。 各煤层开采及资源情况详见储量图。 （二）K1、K3、K4、K6煤层层间关系（详见煤系柱状图） 1．层位关系从上到下依次为K6、K4、K3、K1煤层。 2．层间距 （1）K4～K6煤层垂距32.00m～42.0m, 平均36.5m。中间夹石灰岩6层，其中K4煤层老顶石灰岩厚10.0m～14.5m, 平均12.5m。另有2层中厚层状灰岩，厚1.0m～2.0m；其它灰岩厚0.15～0.55m。 （2）K3～K4煤层垂距17.5m～23.5m，平均垂距19.4m。中间夹石灰岩3层, 其中标志层（B3）小铁板石灰岩，距K3煤层垂距7.4m～9.5m, 平均8.4m；距K4煤层垂距9.57m～10.66m, 平均10.0m。小铁板厚度2.5m～4.5m, 平均3.0m。另2层石灰岩厚0.3m～0.7m。 （3）K3～K1煤层垂距6m～12m,平均垂距9.5m。介绍K3与K1之间岩层 三、主要开采技术条件简述 由于K1煤层为中厚煤层，且赋存变化较大，本次不作为保护层研究对象，所以以下不作主要介绍。 1．水文地质条件 K3煤层几乎无水影响。 K4煤层老顶为龙谭组第2段石灰岩（大铁板）含水层，对工作面开采有一定影响。 K6煤层老顶为龙谭组第4段石灰岩含水层，根据以往开采经验，工作面涌水量达12～63m3/h，对开采影响极大。 2．瓦斯 （1）瓦斯赋存情况 xxx矿现采K1、K3、K4煤层均具突出危险性，其中测得K1煤层最大瓦斯压力为8.7MPa，煤层原始瓦斯含量K1煤层为21.24m3/t，K3煤层为14.48m3/t，K4煤层为19.53m3/t。 根据矿井上部小矿开采情况，K6煤层曾在450m标高发生过煤与瓦斯突出事故，故K6煤层也具突出危险性。 根据2008年鉴定资料，矿井绝对瓦斯涌出量为37.73m3/min，相对瓦斯涌出量为50.01m3/t。 （二）煤与瓦斯突出情况 矿井自投产以来，共发生煤与瓦斯突出81次，最大突出强度为1956t。其中打钻突出6次，均发生在K4煤层。具体情况见表1。 表1 xxx矿历年突出统计表 煤层 次数 巷道类别 总煤量t 最大煤量t 平均煤量t 突出工序 石门 掘进 采面 放炮 打钻 风镐 其他 K1 14 5 8 1 3789 1956 270 6 4 4 K3 9 4 2 3 927 403 103 7 2 K4 58 1 51 6 3774.4 610 67.4 26 6 22 4 合计 81 10 61 10 8490.4 39 6 28 8 四、保护层开采方案 （一）保护层开采方案 根据xxx矿煤层与岩层赋存情况，矿井保护层有以下三种方案可供选择 方案一以K3煤层作为保护层。其开采顺序为K3→K4→K1。 方案二K4煤层底板砂质泥岩作为保护层开采。即开采小铁板（B3标志层）石灰岩顶板的浅灰色薄层状砂质泥岩，该砂质泥岩厚2.41m，取其下部即小铁板以上0.8m厚度作保护层开采。该采高上距K4煤层7.8m，下距K3煤层10.8m。开采顺序为岩石→K4→K3→K1。 方案三以K6煤层作为保护层其开采顺序为K6→K4→K3→ K1。 （二）方案选择利弊分析 1．K3煤层作为保护层开采 （1）主要优点 ①K3煤层有地质构造影响工作面的布置，但根据地勘资料及上部采区揭露证实，并结合多年来开采经验分析，K3煤层及顶底板相对较稳定，变化不大，且工作面的地质构造也比较小（走向和倾斜都不长），并不会造成很大的影响开采。 ②煤层较硬，在施工钻孔时钻孔成型较好，不易垮孔，喷孔，瓦斯涌量较小，安全威胁不大。 ③K3煤层顶底板不易来水，有利于下向钻孔瓦斯抽采。 ④有利于K3煤层本层瓦斯治理。根据煤层原始瓦斯含量，K3煤层较K4煤层低近5m3/t。 （2）主要问题 ①K3煤层属严重突出煤层，突出危险性较大。据统计，xxx矿在K3煤层共发生9次突出，突出威胁大，其巷道掘进与回采防突工作量大。同时，K3煤层距K1煤层较近，目前瓦斯底板巷只能布置K4煤层底板巷，需施工反向钻孔对K3煤层进行穿层预抽。钻孔需穿过坚硬致密的小铁板石灰岩，施工困难，区域综合防突措施实施难度大。 ②对K4煤层保护不完全。K3煤层位于K4煤层下部约19.4m， K3煤层开采后，其上覆K4煤层本水平以上斜长41m不能受到保护，K4煤层的开采防突工作量仍然较大，巷道布置复杂（详见保护关系图）。不过可通过抬高K4运输巷22m（倾斜长41m）进行布置即可解决K4保护问题。 ③K3煤层赋存不稳定，一定程度上制约保护范围和效果。在南一石门以南可开采厚度03.08m，平均0.7m，为单一煤层，层位稳定，但厚度极不稳定，矿井北翼K3煤层和南翼最南一个采区基本平均厚度为0.45m。不过也可通过采K3底板来弥补，但对煤质影响极大。 ④可能误穿K1严重突出煤层。正常情况下K3煤层距K1煤层8.4m，但若遇构造或沉积变化煤层间距减小，在掘进K3煤层巷道过程中，可能误K1严重突出煤层。从-60m主石门、南二石门掘进揭露地质资料看，K1至 K3煤层层间距最近不足3m。 ⑤瓦斯管理难度大。K3煤层掘进或开采过程中，工作面临近K1、K4煤层卸压瓦斯涌出量较大，增大K3煤层采、掘作业瓦斯管理难度。 ⑥南翼出现过K3在K4保护后的情况下， 5m钻孔喷孔的情况，在南翼作为保护层开采效果不敢确定。 2． K4煤层底板岩石作为保护层开采 （1）主要优点 ①保护层工作面不采取防突措施，可提前进2年入保护层开采。 ②对煤层保护效果好，有利于煤层安全掘进、回采。 （2）主要缺点 ①易误穿K4煤层，瓦斯管理难度大。根据煤系地层综合柱状图和-60m主石门、南二石门掘进揭露地质资料，开采岩石层位上距K4煤层仅7.8m，遇断层可能误穿K4煤层。同时，经计算，当采高为0.8m时，允许采用的最小层间距为 HKMcosα H 10*0.8*cos356.6m H允许采用的最小层间距，m K顶板管理系数，冒落法取10 M保护层开采厚度，m 因此若沉积稍微变薄，岩石采空区顶板垮塌可至K4煤层位置，造成K4煤层垮落后无法开采，损失矿井K4煤层储量，同时会引发瓦斯事故。 ②工作面采空区顶板跨落缓慢，再加上K4、K3煤层的泄压瓦斯，采空区容易积聚瓦斯，对采空区瓦斯管理带来很大的困难。 ③推进度缓慢。采用炮采方式，每月推进度应在20m左右。将导致矿井保护煤量不足，矿井产能大幅度下降，部署处于紧张状况。但有条件也可形成南北对采，月推进40m。 ④对矿井矸石提升运输能力要求高。 ⑤开采成本太大，制约矿井生产经营效果。 表二 煤层与岩层作为保护层对比表（400m比较） 保护层 多余工程/工期 工程量（m） 人工费（元） 材料费（元） 费用合计（万元） 多余工期 备注 煤层作为保护层 运输巷掘进 7 双向掘金 开切眼掘进 5 抬高底板巷 400 302000 357600 385.16 4 本层孔 42000 285600 1092000 4 穿层孔 48000 566400 1248000 6 岩石作为保护层 岩层开采 400 6400000 1480000 788 10 对比结果 费用 岩石比煤层多花费403万，下覆煤层吨煤单价提高12元 3层煤预计33.5万吨 工期 岩石比煤层提前2年保护下覆煤层 揭K3后可准备岩石面 3．K6煤层作为保护层开采 （1）主要优点 ①K6煤层虽然亦属突出煤层，但其突出危险性相对较小，防突工作量稍小。 ②可对下覆K4煤层全面进行保护。 （2）主要缺点 ①作为突出煤层，目前没有专用瓦斯巷，且进入运输巷及工作面的难易程度无法估计，有可能出现K4相同的情况。 ②K6煤层赋存条件极差，极不稳定。根据勘探资料和生产实际揭露资料分析，仅1516勘探线之间走向长约550m范围煤层达可采厚度，部分仅作为渣煤回采。 ③K6煤层上下均有含水层，工作面涌水量较大，顶板管理困难，安全威胁大。根据以往开采情况，工作面涌水量达1263m3/h。 ④首采水平K4煤层上部边界以下倾斜长约70m范围不能受到保护，首采水平K4煤层的防突工作量仍然较大（见保护关系图）。 ⑤对下覆K4煤层的保护效果有待考察。K4～K6煤层平均垂距36.50m, 距离较远且中间夹6层致密石灰岩，其中K4煤层老顶大铁板石灰岩（P2l2）平均真厚达12.5m，K6煤层开采后对K4煤层的保护效果不清楚。 ⑥保护层转层期间，矿井3年内没有被保护煤量开采，导致生产经营难度大。 （三）方案选择 通过上述比较，我们选择以下方案 1．矿井南翼采用K4煤层底板岩石作为保护层开采 该方案虽然增加原煤生产费用（吨煤单价提高12元），推进缓慢，采空区瓦斯管理困难，但在矿井保护层工作面无法推进，矿井面临生死存亡的情况下，通过各方面努力我们能够弥补该方案缺点，在安全、合法的情况下进行保护层推进。 2．矿井北翼采用K3煤层作为保护层开采 该方案是基于北翼K3煤层煤厚0.45m左右情况下选取，考虑到北翼K3煤层较薄，相对来说突出危险性较小，同时煤层较硬，采取防突措施相应效果较好，同时相对于采岩石，经营效果较好。煤厚资料详见表三。 表三 三矿各水平石门K3煤厚资料（单位m） 石门 水平 南六 南五 南四 南三 南二 南一 主 北一 北二 北三 北四 北五 北六 北七 北八 170m 2.13 1.39 1.56 0.6 1.57 0.77 0.58 0.52 0.68 0.58 0.45 0.42 0.57 100m 0.23 0.4 1.4 0.98 0.32 0.47 0.45 0.47 0.27 0.72 0.47 0.55 0.34 0.6 0.57 20m 0.94 1.05 1.15 1.17 1.65 0.55 0.75 0.9 0.68 0.33 0.6 0.52 0.47 0.38 -60m 0.93 1.13 1.01 0.31 0.53 0.55 1.23 0.54 五、基于上述方案矿井安排 考虑不影响矿井正常接替，尽量原有巷道，进行保护层转层。 （一）-60m南六石门向北开采岩石工作面 目前-60mS4～S6，20 mS4～S6板巷已施工完毕，可直接开掘开切眼，后向北掘进。受保护效果影响，第一开采水平K4煤层运输巷需向上抬高22m，同时抬高K3运输巷。 （二）-60N1向北开采K3工作面 目前-60m北边工作面不属于我矿下步的部署重点，同时北一至北三底板巷已形成，加之-60m北翼K3煤层较薄，防突压力相对较小，出于矿井经营效果考虑，可在该区域进行一定的开采试验。 11