青龙矿9号煤保水采煤方案分析.pdf

煤炭与化工 Co a l a n d Ch emica l In d ust r y 第43卷第6期 2020年6月 Vo l .43 No .6 Jun . 2020 采矿与井巷工程 青龙矿9号煤保水采煤方案分析 程明 山西冀能青龙煤业有限公司，山西太原030104 摘 要为减少对地表水资源的破坏，拟采用保水开采技术实现青龙矿9号煤的回采。在调 研当前保水开采技术的基础上，分析了 9号煤上覆岩层的含水性和隔水性，同时按15倍采高 估算了顶板裂隙带高度，由此将9号煤开采划分为危险区、较安全区和安全区。在综合比较 各种保水开采方法的基础上，决定采用充填保水开采技术，以最小的生态扰动最大限度的回 收煤炭资源。 关键词含水层；裂隙带；保水采煤；充填开采 中图分类号TD82 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 06-0028-04 Analysis of Qinglong Mine No.9 coal seam mining under water-containing Ch en g Min g Shanxi Jineng Qingl ong Coal Indust ry Corporat ion Lt d., Taiyuan, 030104, China Abst r a ct In o r d er t o r ed uce t h e d a ma g e t o t h e sur fa ce wa t er r eso ur ces, it wa s pr o po sed t o a d o pt t h e wa t er r et en t io n min in g t ech n o l o g y t o r ea l ize t h e r eco ver y o f Qin g l o n g Min e No .9 co a l sea m. Ba sed o n t h e in vest ig a t io n o f t h e cur r en t wa t er co n ser va t io n min in g t ech n o l o g y, t h e wa t er co n t en t a n d wa t er in sul a t io n o f t h e o ver l yin g r o ck st r a t a o f No .9 co a l wer e a n a l yzed . Th e h eig h t o f t h e t o p pl a t e fr a ct ur e zo n e wa s est ima t ed a cco r d in g t o 15 t imes o f min in g h eig h t ., t h e No . 9 co a l sea m wa s cl a ssified t o d a n g er o us, med ium sa fe a n d sa fe zo n es. Ba sed o n a co mpr eh en sive co mpa r iso n o f va r io us wa t erh o l d in g min in g met h o d s, it wa s d ecid ed t o a d o pt t h e fil l in g a n d wa t erh o l d in g min in g t ech n o l o g y, wh ich ma ximized t h e r eco ver ed co a l r eso ur ces but min imum eco l o g ica l d ist ur ba n ce. Key wo r d s a quifer s; fr a ct ur e zo n es; wa t er -r et a in in g co a l min in g ; fil l in g min in g 0引言 据统计，西部矿区的煤炭资源量占全国煤炭资 源总量的70以上，但水资源总量不足全国总量 的4。目前国家大型煤炭基地由鲁西、冀中、河 南、两淮逐渐向陕北、神东、黄陇、新疆转移叫 与中东部矿区不同，西部新兴矿区煤层埋藏深度 浅、水资源缺乏、地表生态环境脆弱。而在煤矿开 采中需要排放大量的井下水。相关调査表明，吨煤 排水量约为2 t ,我国所有生产矿井的年排水量超 过40亿t o随着矿井开采深度的增加和生产能力的 增强，矿井排水量呈现逐步增长的趋势。矿井大量 排水与人民用水之间的矛盾日益突出。尤其是近年 来，中东部地区由于煤矿大量排水，以及排水造成 的污染已经严重影响到了矿区人民的生活，成为制 约矿井可持续发展的重要因素。如何在煤炭开采的 同时，降低矿井排水量、保护水资源，减少对地表 环境的破坏，保证区域经济的可持续发展成为煤炭 企业面临的重大课题。许多煤炭高校及科研院所 等进行了诸多的探索和研究，并取得了一定的成 绩3保水开采技术是一种保护地表水资源的有 效方式。 责任编辑高小青 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.06.008 作者简介程 明1964-,男，安徽怀宁人，地质高级工程师。 引用格式程 明.青龙矿9号煤保水采煤方案分析[J].煤炭与化工，2020 , 43 6 28-31, 37. 28 程明青龙矿9号煤保水采煤方案分析2020年第6期 1保水开采技术现状 1.1理论基础 井下煤炭资源被采出后形成空区，当空区跨度 达到一定程度后，上覆基本顶岩层开始垮落。随着 工作面的推进，基本顶周期性垮落，在工作面前方 依次形成支撑影响区、离层区和重新压实区，在上 覆岩层中从下至上依次为垮落带、断裂带和弯曲 带，如图1所示。 尽管直接顶、基本顶岩层垮落，但顶板岩层中 的某层对全部的岩层活动起控制性作用，决定了岩 体破断后的结构状态。该岩层是对保水开采有重大 作用的关键层。随着采空区垮落面积的增大，大量 的断层含水层揭露，垮落的顶板极有可能与导水裂 隙带沟通，但关键层具有隔水作用，保证不形成渗 流或突水通道。 赞苗影响区\离时 徨新压实区 to* A*- * I弯曲带 ［断裂带 III跨落带 图1采空区顶板垮落模型 Fig . 1 Ro o f ca vin g mo d el o f g o a f 1.2保水开采方式 保水开采技术是指通过采区缩短工作面长度、 厚煤层分层开采或采用充填开采等方式，降低裂隙 带的高度，避免形成渗流通道，最终实现矿井排水 少、地下水位变化幅度小的目的。主要的开采方法 如下。 1条带开采。 条带开采是国内外广泛应用的保护性开采的_ 种方法。该方法是将整个待采区域划分为若干长条 形状的条件，条带的宽度一般较小，采1条留1 条，采用留设的条带支撑顶板，防止顶板垮落， 如图2所示。该方法采出率低、效率低、经济效 益差。 图2条带开采示意 Fig . 2 St r ip min in g 2 限高开采。 大量的研究表明，煤层开采后上覆岩层的垮落 高度及导水裂隙带的高度与采高有密切的关系，随 着采高的增大，导水裂隙带的发育高度增大。因 此，通过降低采高来降低导水裂隙带的高度也是实 现保水开采的方法之一。 3 充填开采。 留设防水煤柱及限高开采均造成了煤炭资源的 浪费，采出率低，为此近年来充填开采技术逐渐受 到煤炭企业的重视。在煤炭生产中，割煤后移架前 将秆石固体或其他充填材料投入采空区中，由于跨 度小，直接顶没有垮落，充填材料进入采空区后对 顶板进行支撑，顶板无明显的三带分布，裂隙发育 高度低。 图3充填开采示意 Fig .3 Sch ema t ic d ia g r a m o f fil l in g min in g 2青龙矿9号煤地质条件 山西冀中青龙煤矿位于山西省太原市阳曲县域 内，开采915号下煤层，年设计生产能力90万 t ,目前正在进行基建。 2.1上覆含水岩组水文地质特征 9号煤上覆含水层主要有4组，分别为二叠系 砂岩裂隙含水岩组、风化壳裂隙含水层、新生界砂 砾石层孔隙含水岩组和第四系更新统含水层。 1 二叠系砂岩裂隙含水岩组。二叠系砂岩 厚度较大，但不稳定，据东山矿资料显示，水位标 高852.05 m,单位涌水量0.0129 L/s-m左右，含水 层富水性弱。 2风化壳裂隙含水层。石炭、二叠系基岩 风化壳厚度20 40 m,埋深200 400叫 基岩风 化壳富水。 3 新生界砂砾石层孔隙含水岩组。新近系 不整合于各时代基岩地层之上，其上被第四系覆 盖,由紫红、棕红色粘土、砂质粘土及半胶结的砂 砾石层组成，厚度183 G102-273 主副井检 査孔m, 般120 m左右。全区分布，含水丰 富，为中等富水性含水层。 29 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 （4）第四系更新统含水层。井田内广泛分布， 由粘土、砂质粘土及粉、细砂土组成，厚度一般 150 m,最厚300余m,为中等富水性含水层。 2.2上覆隔水层水文地质特征 上覆隔水层主要有2层，分别为新近系底部红 色粘土隔水层和第四系粘土隔水层。 （1） 新近系底部红色粘土隔水层。 新近系底部红色粘土是良好的隔水层，厚度几 米至几十米，隔水性能良好。一般松散岩类地下水 与基岩水水力联系微弱，但在盆地边缘第三系底部 存在厚度约几米至10余米的砂砾层，造成孔隙水 和基岩风化壳裂隙水有一定水力联系，构成矿井充 水因素。 （2） 第四系粘土隔水层。 区内第四系发育多层粘土层，具有隔水作用， 但发育厚度及分布范围不一。Q1底部发育1层红 棕色粘土，厚度不等，一般在10 m左右；Q2底部 发育浅红色粘土、砂质粘土，厚度约15 m; Q3和 Q4般不具有隔水层，仅在粘土层较厚时才形成 局部隔水层。 2.3煤层至冲积层岩性分析 冲积层含水层底板即基岩风化壳顶面。9煤顶 板至冲积层含水层（包括风化壳含水层）底板之 间的距离与9煤回采过程中对顶板含水层的扰动程 度有直接关系。査看E K勘探线之间的16个见 9号煤钻孔及3个井筒检查孔柱状图，统计了冲积 层厚度、9号煤顶板至冲积层含水层底板之间的岩 层厚度、岩层性质及其组合关系，如图4所示。 地表 Fig .4 Rel a t io n sh ip bet ween co a l a n d upper st r a t a 由图4可知，冲积层厚度范围为362.6 m （K101） - 499.68 m （主副井检查孔），平均420.0 m,厚度较大，直接覆盖在煤系地层之上。9号煤 顶板至冲积层底板的厚度范围为20.31 m （风井检 查孔） 347.10 m（K102）,平均 145.00 mo 由此 可见，该层厚度分布极不均一，存在相对薄弱带。 同时，9号煤顶板至冲积层底板每个钻孔中砂岩总 厚占比为41.45 ,泥岩、煤层总厚占比为 58.55,即约有60的岩层由泥岩和煤层组成， 泥岩和煤层具有一定的阻水性能，说明该段隔水层 厚度大于由砂岩组成的含水层。 由于新生界含水层中富水性较强的是中下部 砂、砾石含水层，且局部直接覆盖在风化壳裂隙含 水层之上，大部分钻孔新近系底部红色粘土是良好 的隔水层，厚度几米至几十米，隔水性能良好，但 在盆地边缘第三系底部存在厚度约几米至十余米的 砂砾层，造成孔隙水和基岩风化壳裂隙水有一定水 力联系，为此，统计了先期开采地段范围内每个钻 孔新近系底部岩层性质及厚度。通过统计可以看 出，新近系底部岩层不全为粘土、泥岩，还有细砂 和砾石层。19个钻孔中11个孔为粘土，厚度范围 为0.55 33.4 m,分布不均。底部为细砂和砾石 的有8个孔，砂砾层厚度变化范围为1.72 13.50 m,砾石和细砂的存在说明新近系含水层与风化壳 裂隙含水层存在一定的水力联系。 综上所述，风化壳裂隙含水层和新近系砂砾石 层含水层组是9号煤开采重点设防的对象，含水层 总体富水性较强，具有一定的补给量，相互之间存 在一定的水力联系。 2.4导水裂隙带分析 上部含水层水进入采掘空间最重要的导水通道 是由于煤层开采造成的导水裂缝带。导水裂缝带发 育高度是评价9号煤开采对上部含水层影响的主要 技术参数。裂隙带高度一般与煤层采高密切相关, 不同方法的计算结果对比见表10 表1不同计算方法结果对比 Ta bl e 1 Co mpa r iso n o f r esul t s o f d ifier en t ca l cul a t io n met h o d s 计算方法裂采比 公式 1004// 1.6M3.6 5.69.67 20 M51011.64 经验 1004//0.2血6.88 土 11.4912.19 100EW0.26YM 4.57土 3.1516.99 综放 煤厚 4.00 6.70 m11.22 实测 冲洗液消耗量法 14.17 钻孔彩色电视法 14.90 由表1可以看出，按15倍煤层采高计算裂隙 带高度。对比9号煤顶板至冲积层底板距离，9号 煤顶板至风化壳含水层底板距离（风化壳含水层 按钻孔实际揭露厚度判断计算，即9煤顶板至冲积 层底板距离减去风化壳厚度）,可以得出导水裂缝 带影响范围，见表2。 30 程明青龙矿9号煤保水采煤方案分析2020年第6期 表2 9号煤保护带及导水裂隙带高度m Ta bl e 2 Heig h t o f pr o t ect io n zo n e a n d wa t er d iver sio n fr a ct ur e zo n e o f No . 9 co a l sea m 序号风化壳厚保护层厚裂隙带高到风化壳到新近系 128.0741.8480.25 是是 235.78105.490.75 否否 334.1254.0894.5 是是 445.8137.286.25 否否 531.59182.930.75否否 631.0584.994.95 是否 728121.287.0否否 835.7397.8797.5否否 942.6897.9286.25 否否 1040.09106.497.5 否否 1143.377.5510.95 否否 1246.5871.0289.25 是否 1352.23108.880.25否否 1438.5284.224否否 1527.92319.187.75否否 1632.14196.973.5 否否 由表2可以看出，在导水裂缝带发育高度为 15倍采厚情况下，波及到基岩风化壳含水层的钻 孔有 7 个，分别为 E102、F101、G102、1104、主 副井检查孔、风井检查孔、补充检查孔；波及到新 近系含水层的钻孔有5个，分别为E102、F101、 主副井检査孔、风井检査孔、补充检査孔。 在先期开采地段的中部偏南区域（G102、 H102、1104钻孔一线以南至边界）以及东部边缘 区域（E102、F101钻孔一线至F29断层之间）， 导水裂缝带可以直接到达基岩风化壳含水层，对煤 层回采构成威胁，在东部边缘区域（E102、F101 钻孔一线至F29断层之间），导水裂缝带发育至新 近系含水层。据此绘制了保护层厚度等值线图，将 9号煤开采划分为危险区、较安全区和安全区。即 保护层厚度大于90 m为安全区，5090m为较安 全区，小于50 m为危险区。 综上分析，先期开采地段的主要危险地区为东 部的E102、F 101钻孔以东区域和井筒检查钻孔附 近及东黄水向斜轴部区域。 3开采方式的确定 3.1保水开采的必要性 作为我国的能源大省，近年来山西为国家贡献 了大量的煤炭资源。自建国以来，山西累计开采煤 炭资源近200亿t ,占全国煤炭产量的250多年 的煤矿开采带来的大量的环境问题，对原生的水文 地质条件造成了严重的破坏。煤矿生产过程中大量 排水破坏了地下水平衡，同时产生了大量的竖向裂 隙，地表含水系水体流失，造成多条河流水量减少 甚至断流。为此，山西省各级政府要求新建煤矿在 建矿之初就要规划保护地表生态环境，不能砰石山 不能地面堆积，不能破坏地表水系。同时为打造绿 色智能矿山，实现煤炭资源安全绿色开采，针对青 龙煤业井田地质特点，在多方衡量的基础上，确定 采用保水开采技术。 3.2保水开采方法 综合比较多种开采方式的优缺点，决定采用充 填保水开采方式。经过多年的研究实践，目前已经 形成了超高水材料、肝石固体和膏体三种不同材料 的充填采煤方式。初步设计在一次采全高无影响区 域布置首采工作面，实测导水裂缝带发育高度，研 究覆岩破坏规律，为后续工作面的采煤方案提供技 术支持。 4结论 （1） 9号煤顶板至冲积层底板，即9号煤顶 板基岩段岩层中泥岩与砂岩的厚度比例约为6 4, 泥岩厚度大于砂岩厚度，砂岩层单层厚度最大不超 过20 m,泥岩层单层厚度最大不超过50 m。砂岩 和泥岩互层，这种岩层及岩性组合关系属于较软弱 顶板，不利于导水裂隙带的发育。 （2） 通过公式法及实测资料的分析，结合9 号煤顶板岩层岩性设计，确定导水裂缝带发育高度 为煤层采厚的9.67 15倍，为保证安全，按15 倍计算裂隙带高度是合理的。 （3） 按保护层厚度分析划分出了安全开采区、 较安全区及危险区。即保护层厚度大于90 m为安全 区，50 90 m为较安全区，小于50 m为危险区。 （4） 充填开采是保水开采的一种重要采煤方 式，可以在最小水资源扰动下最大限度的提高煤炭 资源的回收率，具有广阔的推广应用前景。 参考文献 [1 ] “十HE” WEB/0L1 h t t p/wwwn d r cg o vcn /zcfb/zcfbt z/201612/t 20161230_833687h t ml , 2016-12-22/2017-09-19. 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[3] 简埴祥，李云飞，杨永均煤矿保水开采技术现状及其发展 [J]・煤田地质与勘探，2012, 40 1 47 - 50. 下转第37页 31 李金泉等测井分析技术在煤矿井下钻孔的应用2020年第6期 JX1开孔 4结论 I终孔 i（82.36m） JX2开孔,JX3开孔 图5钻孔实测轨迹剖面 Fig . 5 Bo r eh o l e mea sur ed t r a ck pr o fil e 3测井分析成果 本次探测目的为査明本溪组铝土矿赋存情况, 所以，测井分析结果只侧重于铝土矿层位情况，其 他层位的岩性、构造等略去。 采用YCJ90/360型“矿用钻孔测井分析仪”进 行测井分析，划分岩性，确定矿层厚度、位置。和 钻探时采取的岩芯进行对比，基本吻合。测井程序 简单，钻孔测井用时不到l h。能在不取芯钻进的 情况下准确划分层位，可以大幅度降低取芯钻探工 程的工程量。目前已经在全国上百家煤矿得到应用 和验证，这次在荣泰煤矿井下钻孔的测井，是首次 在山西冀中所属煤矿的试验应用。在2017年，该 技术已被列入国家科技部、安全监察总局的安全生 产先进性实用性技术名录。 1 由于井下地质条件的复杂性，探测目的 的多样性，但常规地面测井技术不能应用于井下 钻探。如果没有测井技术，一是会造成钻孔没有 达到设计位置，增加了成本，影响安全生产；二 是钻探成果难以解释，无法准确判断岩性、层 位、水文情况及偏斜轨迹，从而会导致技术判断 失误，不能实现钻探的目的。有时多孔也达不到 设计目的，造成浪费。利用钻孔测井分析仪对施 工的井下钻孔测井，可以准确获取孔内地质、水 文、偏斜等信息，一孔就能够达到设计初衷，甚 至可以实现一孔多用，减少了钻孔个数和钻孔工 程量。 （2）受钻探技术、成本的影响，目前阶段普 通钻机无法实现定向钻探，解决不了指哪打哪的问 题，通过井下钻孔综合测井技术的实施，可以首先 知道打到哪了，一旦没有打到指定位置，可以及时 补充钻孔，并逐渐摸索偏斜规律，提高钻孔的准确 性，减少无效钻孔。 （3 ）尽管地层的测井参数具有普遍规律性， 但是由于不同地区岩层物性差异，所表现出来的测 井参数不尽相同。在初期阶段，通过一定数量的测 井分析结果和钻孔采取的岩芯比对、修正，再比 对、再修正，建立各矿的岩性一自然7曲线模型 及标准数据库，逐步实现更加精准的井下钻孔岩性 分析。通过井下钻孔综合测井分析取代钻孔取芯， 实现无芯钻探，提高钻探效率，降低钻探成本，更 精准、更可靠的服务安全生产。 参考文献 [1 ] 王永文.煤矿井下钻孔综合测井技术及应用[J ]-煤炭与化 工，2017 , 40（5） 95 - 99. 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