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第36卷第2期 煤 炭 科 学 技 术 Vol136 No12 2008年2月COAL SCIENCE AND TECHNOLOGYFeb. 2008 杨村煤矿薄基岩区提高综放面开采上限试验 秦忠诚,赵枝业,路光秋 山东科技大学 资源与环境工程学院,山东 青岛 266510 摘 要通过采用钻孔注放水法探测了杨村煤矿综放面采后覆岩采动破坏高度;同时,探明 了305工作面浅部顶板基岩柱厚度;采用无线电波坑道透视方法,查明了工作面内的隐伏小断层及 其延展情况。在此基础上,设计了305综放面安全防砂煤柱为30 m,并制定了相应安全试采方案。 通过试验取得了在该矿3煤层综放面提高开采上限试采的成功。 关键词开采上限;垮落带高度;防砂煤柱;基岩柱厚度 中图分类号TD823183 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2008 02 - 0019 - 04 Experiment on m in ing upper lim it improvement for fully mechan ized longwall top coal caving m in ing face with thin overburden bedrock in Yangcun M ine Q IN Zhong2cheng, ZHAO Zhi2ye, LU Guang2qiu School of Resources and Environment Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China Abstract A borehole water injection was applied to probe the mining failure heightof the strata after the coalmining operation of the fullymechanized longwall cavingmining face in YangcunMine and also to probe the bedrock pillar thickness in the direct roofNo1305 coalmining face. A radio wave gateway perspective was applied to predict the hidden small faults and the extension condition in the coalmining face. Based on those circumstances, the safety sand prevention coal pillar ofNo1305 coalmining face was designed as 30 m in wide and the related safetymining plan wasmade. W ith the experiment obtained, the fully mechanized coal caving mining face in No. 3 seam was successfully increased the uppermining limit in the mine. Key words mining upper limit; height of caving zone; sand prevention pillar; bedrock pillar thickness 杨村煤矿在新增加3煤层的4 87916万t地质 储量中,永久煤柱占2 98917万t,其中80 m防水 煤柱内储量为2 52018万t,占新增地质储量的 5117。如何安全高效地开采出这有限的厚煤层资 源,对于实现杨村煤矿可持续发展具有重要意义。 其中305工作面浅部约50的储量处于80 m防水 煤柱内,终采线处基岩柱厚度为30 m左右,为薄 基岩区下开采。为进一步积累3煤 “ 三下采煤 ” 经验,采出大量呆滞煤量,延长矿井服务年限,需 对305工作面薄基岩区提高开采上限进行试验研 究,合理确定防砂煤柱高度,提高安全开采上限。 上覆岩层垮落带高度、覆岩结构与防砂煤柱尺 寸有着密切的关系,为此对305工作面终采线处基 岩厚度及相邻307综放工作面采后覆岩破坏高度等 关键参数进行了现场实测。 1 综放开采覆岩破坏高度探测研究 采场覆岩破坏高度的观测研究是合理确定防水 煤柱尺寸的关键,搞清覆岩破坏规律是解放水体下 压煤和保证矿井安全生产所不可缺少的重要步骤。 杨村煤矿307工作面为本研究区305综放工作面的 邻面,其地质采矿技术条件与305工作面基本类 似,具有很强的类比性,为此在305工作面采前需 对307工作面采后终采线处覆岩垮落带高度进行观 测研究。 111 观测区概况 307工作面位于3煤采区,北邻305工作面, 南为实体煤,东至309工作面采空区,西到西总回 风巷。地层走向NE - S W,倾向SE,为单斜构造; 煤层厚度7120～8160 m,平均为7182 m,煤层倾 角2～17,平均7 。结构简单,煤层中有少量的 夹矸,其岩性以薄层状炭质细砂岩夹矸为主,呈薄 层、结核状分布,煤层普氏系数2107。工作面采 用全厚综采放顶煤采煤法开采。 112 观测方法 为减少工程费用和提高观测的精确度,选择采 91 2008年第2期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 用井下仰孔分段注水观测法。 其方法是在采煤工作面周围选择合适的的观测 场所,向采空区上方打仰斜钻孔,达到预计的破裂 带顶界以上一定高度,使用 “ 钻孔双端封堵测漏 装置 ”沿钻孔进行分段封堵注水,测定钻孔各段 的漏失流量,以此了解岩石的破裂松动情况,确定 破裂带的上界高度。 113 观测资料分析 根据实测资料,将307工作面3个钻孔的观测 数据列入表1。 表1 307工作面垮落带最大发育高度 孔号倾角 / 垮落带发育高度/m 1号45无顶界 2号501912 3号551917 综合1917 1 1号孔。根据测试结果, 1号孔从测试段开 始漏水,逐步增大,直至推不动为止,实际测试深 度在17 m位置。从测试数据看,孔深13 m以上一 直到17 m推不动为止,漏失量都非常大,同时根 据钻进过程中的施工记录,可以断定该位置在垮落 带顶界以下,设备停止前进的地方就是侧向垮落带 的边缘,此处距观测地点的水平距离大约12 m。 2 2号孔。仅从观测数据来看, 2号孔的钻孔 注水漏失段明显分为2段,在孔深20156 m以下明 显漏水,漏失量最大处达24 L /min,说明该段岩 层已遭到破坏,而在孔深22～25 m之间也是明显 漏水,漏失量最大处达2415 L /min,单纯从测试数 据看,只有一个明显的不漏水点,在孔深21 m处。 根据以往的测试数据和资料分析情况,漏失量 大的孔段应该是裂隙比较发育的位置,从观测的进 程来看整个孔段观测顺利,没有异常情况,而终孔 位置又正好位于泥质砂岩岩层,相对岩层较软,因 此可以断定孔深25 m处为垮落带上界。 以孔深25 m为垮落带最大发育高度,按钻孔 仰角50计算,其至煤层顶界的垂高为1912 m,亦 即垮落带最发育最大高度为1912 m。 3 3号孔。根据3号孔的钻进施工记录,在 钻进过程中没有出现 “ 卡钻 ” 、“ 夹钻 ”以及钻孔 不回水等现象,说明钻孔没有直接进入采空区垮落 带,可以断定该孔已经避开了垮落带,从而进入垮 落带顶部,终孔位置应该位于垮落带顶界以上。从 岩层运动学角度分析,工作面采后垮落带的空间为 近似圆角矩形,在圆角矩形的角点处冒落岩石既杂 乱无章又大体上保持一定的层状结构,裂隙发育更 为充分;从测试数据来看,在孔深2015～2310 m 处漏失量最大,但是随着深度的增加又呈减小趋 势,由此推断垮落带发育最大高度应该就在该漏水 位置,此处应为垮落带的顶部角点,垮落带顶界最 高发育至此。 以孔深24 m为垮落带最大发育高度,按钻孔 仰角55计算,其至煤层顶界的垂高为1917 m,亦 即垮落带最发育最大高度为1917 m。 综合采后3个钻孔的观测资料来看, 307工作 面开采后3煤层顶板覆岩采后形成的垮落带,呈现 连续大范围漏水的特征,特别是在垮落带顶界附 近,注水漏失量非常明显,其顶界在煤层顶板以上 垂高1917 m处。实测资料表明, 3煤层307工作 面采后覆岩垮落带呈现整体连续性特征,顶界高度 为1917 m,冒采比3128。 2 305工作面基岩柱厚度探测 为进一步摸清305工作面浅部顶板基岩柱厚 度,在305工作面联络巷施工了2个基岩柱厚度探 测钻孔,钻孔参数见表2。 表2 钻孔参数 孔号方位角 / 倾角 / 开孔位置终孔位置钻孔长度/m出水情况 305 - 111928巷道顶板下115 m第四系底界68无水 305 - 211930巷道顶板第四系底界65略有滴水 根据钻孔探测资料分析, 305 - 1孔基岩柱厚 度为31165 m,第四系底部黏土层厚度为2140 m。 305 - 2孔基岩柱厚度为34121 m,第四系底部黏土 层厚度为1153 m。两孔岩性结构见表3、表4。 02 秦忠诚等杨村煤矿薄基岩区提高综放面开采上限试验2008年第2期 表3 305 - 1钻孔岩层结构 编号岩石名称厚度/m累厚/m 8白色细砂岩110640142 7黄色黏土214039136 6灰白色泥质砂岩1317636196 5白色细砂岩219623120 4灰白色泥岩1118020124 3灰黑色泥质砂岩01898144 2灰色泥质砂岩21247155 13煤51315131 表4 305 - 2钻孔岩层结构 编号岩石名称厚度/m累厚/m 10白色细砂岩111238121 9黄色黏土115337109 8灰白色细砂岩815835156 7煤111226198 6白色砂岩014725186 5灰色砂岩314725139 4灰色泥质砂岩1114621192 3浅白色泥质砂岩318810146 2灰色泥质砂岩51236158 13煤11351135 3 305工作面坑透CT探测 为查明工作面内的隐伏小断层及其延展情况, 对305工作面进行了无线电波坑道透视工作。根据 地质任务要求,该次电磁波透视采用定点交会法, 按10 m接收点距, 50 m发射点距分别布设了发射 点及接收点。采用WKT -Ⅲ 型坑透仪,天线频率 选择015 MHz。 杨村煤矿305工作面平面呈梯形,其中轨道斜 巷长约840 m,运输斜巷长约720 m倾向长约158 m,总计有效探测面积138 800 m 2。共布置发射点 34个,采集有效数据607个,测点射线在测区内 分布较均匀,叠加次数较高,较有利于鉴别和排除 干扰、去伪存真,突出地质异常,满足探测要求。 依据吸收系数的异常特征,在探测工作面内存 在吸收系数较大的串珠状条带,根据资料处理结 果,并结合地质资料,对工作面内的异常综合分析 解释,共确定断层17条,其中巷道揭露断层10 条,工作面内隐伏断层7条。为工作面采煤工艺选 择和采场顶板支护设计奠定了基础。 4 305工作面试采方案设计 411 防砂煤岩柱设计 垮落带高度与覆岩结构有着密切的关系,不同 的覆岩结构和开采方式,其垮落带高度不尽相同。 此区3煤上覆岩层基本上为各类砂岩、砂质黏土及 黏土质砂层,特别是第四系底含下部岩层含黏量较 高,其风化带厚度大,基岩强度明显降低,隔水性 增强,所以, 3煤覆岩结构按中硬偏软类型覆岩考 虑。可采用经验公式法和类比法分别进行预计,保 护层厚度取2倍采高即可,按 “ 三下 ”开采规程 中硬岩层的计算公式预计时,取其下限。 根据305工作面斜巷实际布置揭露, 305工作 面浅部3煤平均厚718 m,顶煤厚0～418 m。 根据307及301工作面的成功开采经验, 305 工作面按现有斜巷层位布置进行综放开采,按上述 4种预计方式,覆岩采动破坏高度见表5。 表5 垮落带及防砂煤岩柱高度预计m 预计 项目 杨村矿 301工作面 瞬变电磁法 307工作面 钻孔注水法 兴隆庄 煤矿 三下规程 预计公式 垮落带高2316201321121410 裂隙带高3610321733162916 由上述预计可知, 305工作面综放开采时垮落 带高度取4种预计方式中最大者,则防砂煤岩柱高 度应不小于36 m。 412 试采段综放开采方案 根据上述分析研究及防砂煤柱预计, 305工作 面综放全高开采的防砂煤柱尺寸为36 m。因此, 305工作面提高开采上限研究区域的开采方案确定 如下 1 对于岩柱厚度大于36 m的区域 36 ～80 m的深部区域 , 采用全高放顶煤采煤法开采,按 前述对三含富水性的评价,该区留设防砂煤柱开采 是安全可行的。 2 对于终采线运输斜巷侧基岩柱32 m,轨 道斜巷侧基岩柱30 m至36 m岩柱段间区域,需 进行工作面放顶煤采煤工艺的调整,适当控制放煤 高度,以保证达到留设防砂煤柱开采的要求。 3 根据上述分析预计,在基岩柱34～36 m 段,采高控制在5186 m。在基岩柱32～34 m段, 12 2008年第2期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 采高控制在515 m以下。 对于基岩柱小于36 m以浅部分,运输斜巷实 际是沿顶掘进的,而轨道斜巷为穿层掘进,顶煤实 际为一楔形状态图1、表6 ,自斜巷底板至煤 层顶板间煤层厚度大部分未达到上述控制高度,仅 在靠近轨道斜巷侧的局部三角区域需进行适当放煤 高度的控制。 图1 305工作面浅部顶煤形态示意 表6 305工作面斜巷顶煤厚度m 斜巷名称 各岩柱段顶煤厚度/m 36343230 运输斜巷000 轨道斜巷4183162160 具体沿工作面煤壁线方向,自工作面中部至轨 道斜巷80 m内,由全放逐步过渡为隔一架放三架、 隔一架放两架、隔一架放一架;沿工作面推进方 向,在基岩柱36 m至32 m段,由隔一架放一架、 隔一架放两架,逐步恢复至全放至终采线位置。 5 结 论 1 305工作面的覆岩结构为下硬上软型结构, 且普遍存在一层具有良好隔水性及再生隔水性的基 岩风化带,有利于抑制裂高的发展,属水体下采煤 覆岩条件最好的结构。307工作面开采后3煤层顶 板覆岩采后形成的垮落带,呈现连续大范围漏水的 特征,特别是在垮落带顶界附近,注水漏失量非常 明显,其顶界在煤层顶板以上垂高1917 m处。3 煤层307工作面采后覆岩垮落带呈现整体连续性特 征,顶界高度为1917 m,冒采比3128。 2 305工作面通过采用全高放顶煤、限厚开 采等采煤工艺,成功地将防砂煤柱提高到3215 m, 实现了复杂地质与水文地质条件下厚煤层薄基岩区 提高开采上限的安全开采,证明设计方案是安全可 靠的。 3 305工作面现场实测资料及取得的关键参 数不仅对该矿井3层煤其他工作面提高开采上限开 采具有重要的指导意义,而目对相邻的兴隆庄、鲍 店煤矿松散含水层下采煤具有广泛的参考价值。 参考文献 [1] 刘学增.新生代松散层下缩小防水岩柱留设防砂煤柱开采 实践[J ].煤炭技术, 2002 9. [2] 孙希奎,徐新启,马光军 1基岩与第四系底界粘土共同作为 防水煤柱提高开采上限的研究与实践[J ].山东煤炭科技, 2003 1. 作者简介秦忠诚1965 - ,男,山东昌乐人,教授,博 士,现在山东科技大学从事采矿工程的教学与科研工作。Tel 0532 - 86057045,E - mailqzcsdust1edu1cn 收稿日期 2007 - 11 - 18;责任编辑曾康生 上接第18页 布置方式时,首先要满足安全生产的要求,保证每 个采区、回采工作面均至少有2个安全出口,实现 工作面全负压通风。其次,巷道布置方式要与采煤 方法一致,同回采工艺结合,充分考虑水平巷道、 倾斜巷道各自的优缺点,尽量不采用垂直巷道,提 出系统简单、布置合理的准备、回采巷道。 参考文献 [1] 张先尘,钱鸣高 1中国采煤学[M ].北京煤炭工业出版 社, 2003. [2] 张荣立,何国纬,李 铎 1采矿工程设计手册[M ].北 京煤炭工业出版社, 2003. 作者简介段红民1977 - ,男,山西新绛人,硕士,现工 作于北京天地华泰采矿工程技术有限公司。Tel13466764340, E - mail duanhongmin1261com 收稿日期 2007 - 11 - 18;责任编辑曾康生 22