影响龙泉矿井采煤方法的地质因素分析.pdf

第1 9 卷6 期 2 0 0 7 年 1 2 月 文章编号 1 0 0 4 - 9 1 7 7 2 0 0 7 0 6 - 0 0 3 3 - 0 3 中 国 煤田 地 质 COAL GEOL OGY OF C HIN A V o l . u ec. 1 9 N o . 6 2 0 0 7 影响龙泉矿井采煤方法的地质因素分析 王大勇 太原煤气化龙泉能源发展有限 公司， 山西太原 0 3 0 0 0 0 摘要 太原煤炭气化集团有限责任公司龙泉矿井是新建的大型现代化矿井， 依据该矿井大部分钻孔揭露的煤层厚 度大于6 . 0 m ， 在综合分析该矿井开采深度， 煤层厚度、 煤层结构、 夹歼层数及其硬度和厚度、 煤层顶板岩性及其厚度、 煤岩体裂隙发育程度等地质因素基础上， 考虑瓦斯聚积程度及煤尘量等影响因素， 对长壁综采分层开采法、 综采一 次采全高采煤法和长壁综采放顶煤采煤法三个采煤方案进行优选， 最终选定该矿采用长壁综采放顶煤采煤方法， 依 靠地压破煤及自 重放煤， 提高厚煤层的回收率。 关键词 长壁综采放顶煤采煤方法; 煤层厚度; 煤层结构; 龙泉矿井 中图分类号P 6 1 8 . 1 1 0 . 2文献标识码A 龙泉井田位于山西省中部太原市娄烦县境内。 龙泉矿井工业场地选定在井田北部龙泉镇西南、 龙 泉川南岸阶地， 距娄烦县城约1 O k m 。由太原煤炭气 化龙泉发展有限公司负责开发建设。矿井设计生产 能力5 . O M t / a 。 在先期开采的二采区布置一个走向长 壁回采工作面， 装备两个连续采煤机工作面， 以实现 矿井5 .O M t/ a 生产能力。 1 煤层赋存条件 1 . 1煤层厚度 4 号煤层 俗称丈八煤 位于太原组顶部， 厚 3 .9 2 - 8 .2 0 m ， 平均6 .4 7 m ， 是本井田主要可采煤层之 一。 4 号煤层结构复杂， 一般含3 层夹歼， 最多达8 层， 夹研一般为泥岩或炭质泥岩， 厚度变化无规律可 循， 但总的趋势是， 井田的东南部薄， 厚度在6 m以 下， 其他地段均在6 m以上， 仅在西南部的6 1 , 2 5 2 , 2 5 4 号钻孔小于6 m， 厚度在4 . 9 4 - 5 . 8 8 m o 1 . 2 4 号煤层顶、 底板岩性 4 号煤层顶板为砂质泥岩、 粉砂岩， 局部为中细 粒砂岩， 岩性较硬， 属中一 难冒落顶板; 底板为砂质 泥岩及中细粒砂岩， 稳定程度属稳定， 遇水不易膨 胀。 1 . 3瓦斯、 煤尘、 煤的自燃性 根据山西煤田地质勘探 1 4 8 队2 0 0 5 年 1 1 月提 供的 山西省宁武煤田龙泉矿井补充勘探地质报 告 , 4 号煤层最大瓦斯含量4 . 8 8 m l J g 可燃质;; 9 号 煤层最大瓦斯含量8 . 5 6 m U g 可燃质;; 7 号煤层最大 瓦斯含量9 .7 9 m U g 可燃质， 由于7 号煤层平均厚度 仅1 . 1 m ， 矿井的主采煤层为4 号煤层和9 号煤层。 为确保安全， 设计利用龙泉井田9 号煤层瓦斯含量 8 .5 6 m I J g 可燃质， 采用分源预测法， 对矿井瓦斯涌出 量进行预测， 经计算矿井相对瓦斯涌出量为9 . 8 6 m 3/ t ， 绝对瓦斯涌出量为1 1 4 . l m 3/ t ， 矿井为高瓦斯矿井。 矿井初期开采4 号煤层， 采用分源预测法， 对矿 井瓦斯涌出 量进行预测， 经计算矿井相对瓦斯涌出 量为6 .2 1 m 3/ t ， 绝对瓦斯涌出量为6 5 .3 4 m 3/ t ， 矿井为 高瓦斯矿井。 根据 山西省宁武煤田 龙泉矿井补充勘探地质 报告 各煤层煤尘均有爆炸性， 矿井有煤尘爆炸危 险性。 根据 山西省宁武煤田 龙泉矿井补充勘探地质 报告 L B 2 , L B 3 , L B 4 号钻孔采取了4 , 7 , 9 号煤层 的自 燃样进行了燃点试验， 测试结果表明， 井田4 , 7 , 9号煤层属不易自 燃一不自 然煤层。 采煤方法介绍 作者简介 王大勇 1 9 6 6 - ， 山西平遥人， 高级工程师， 1 9 9 0 年山西 矿院采矿工程专业毕业。现任太原煤气化龙泉能源发展 有限公司技术部部长。 收稿日 期 2 0 0 7 - 1 1 - 1 3 责任编辑 孙常长 该矿井为高瓦斯矿井， 煤尘有爆炸危险性， 煤层 不易自 燃一不自 然煤层， 地质构造简单， 水文地质条 件中等。 根据煤层赋存条件及井田开拓布置及井型， 结合国内 外目 前技术装备水平， 1 适合本井田4 号煤 层的采煤方法有 长壁综采分层开采、 综采一次采全 高采煤法和长壁综采放顶煤采煤法三个方案， 现仅 就其地质因素进行分析。 2 . 1综采分层采煤法 该法适用于不易采用一次采全厚及放顶煤等采 煤方法的缓倾斜厚煤层， 其开采过程中， 回采工作面 及采空区产生煤尘量小， 对防治煤尘爆炸有利， 但在 万方数据 中 国 煤 田 地 质 第 1 9卷 煤层厚度发生变化时容易丢煤。为保证下部分层的 回采， 通常需在分层处铺设人工假顶， 或对直接顶冒 落岩块注水、 灌浆， 使其形成再生顶板， 工序复杂， 影 响生产效率， 且在厚煤层分层开采中， 控制工作面的 开采高度、保持分层开采厚度是工作面正常开采的 关键， 难度较大。 2 . 2长壁综采放顶煤采煤法 长壁综采放顶煤采煤法适用条件如下。 ①顶煤的冒放性好和较好。顶板冒放性与煤层 赋存条件、 煤层顶板的力学性质、 其层理发育状况及 夹研层等多种因素有关。 ②煤层厚度。缓倾斜煤层5 - 1 0 m为宜， 煤层厚 度变化较大， 但最小厚度在2 .5 m以上， 当条件适宜 时可考虑采用综采放顶煤开采。 ③煤层倾角。综采放顶煤开采适宜的煤层倾角 一般为0 0 - 1 5 0 ， 采取相应措施后可达到2 5 0 o ④煤的硬度和节理。当 煤的硬度即普氏系数f 3 时， 但节理裂隙发育时， 采取一定措施后， 也可以考 虑采用综采放顶煤开采。 ⑤煤层顶底板岩性。 顶板能随采随冒， 冒落高度 不小于采放高度; 每层底板岩性较硬， 适宜及时移 架。 ⑥煤层结构。顶煤夹研单层厚度一般不小于 3 0 0 m m ， 其强度不影响顶煤冒落。 在该采煤方法中，占 放顶煤工作面煤量一半以 上的顶煤基本是利用地压破煤， 依靠自 重放煤， 是动 力消耗最小的一种综合机械化采煤方法。但因回采 工作面有效通风断面较小， 对通风管理不利， 回 采工 作面上隅角及采空区顶部易存在瓦斯局部聚积， 且 回采工作面煤尘大， 对安全生产构成威胁。 另外该采 煤方法还存在提高煤炭回采率、减小含歼率和保证 煤质三者之间突出矛盾。 2 . 3大采高一次采全高长壁综采采煤法 近年来，大采高一次采全高长壁综采法在我国 神华集团的大柳塔矿和补连塔矿及山西晋城煤业集 团公司寺和矿井已成功实践，其最大采高可达到 6 .O m ， 一般采高在4 .5 - 5 .5 m ， 最大单产可达8 .O M tl a o 与长壁综采放顶煤采煤方法相比 较， 其克服了后者 影响安全生产的重要因素如回采工作面有效通风 断面大， 利于工作面瓦斯稀释， 便于通风和瓦斯管 理; 回 采工作面及采空区产生煤尘量小， 对防治煤尘 爆炸有利等。 3 影响采煤方法的 地质因素分析 影响顶煤冒放性的地质因素主要有开采深度， 煤层厚度、煤层结构、夹研层数多少及其硬度和厚 度、煤层顶板岩性及其厚度、老顶岩性及其厚度和 岩、 煤体裂隙发育程度等。 3 . 1开采深度 当开采深度 H 4 0 0 m时， 开采深度对顶煤的冒放性影 响程度减弱。总的趋势是顶煤冒放性随开采深度的 增加而加强， 当开采深度 H 4 0 0 m时， 顶煤是易冒 落的。龙泉井田4 号煤层平均埋深4 1 1 m， 采用综采 放顶煤开采时， 顶煤属于易冒 落的。 3 . 2煤的层厚度和煤的硬度 一般来说， 过厚的顶煤其上部是难以充分松动 的，国内 外综采放顶煤的实测和有关科研院所试验 结果证明 顶煤冒放性随煤层厚度的增大而减弱， 同 时证明综采放顶煤开采的最大临界煤层厚度 或分 层厚度 为1 2 .5 - 1 5 m 。 龙泉井田4 号煤层厚度3 .9 2 - 7 . 8 4 m ， 适合采用综采放顶煤开采。 根据国内对以综采放顶煤工作面的实测统计研 究结果表明， 每层强度是影响顶煤冒放性的关键因 素。山西矿业学院等单位对同一开采条件下不同强 度煤层进行的试验证明 软煤层为柱状冒落， 椭球体 放出， 顶煤跨落角8 8 0 ， 放出率8 3 .9 ; 中硬煤层为半 圆拱式冒落，椭柱体放出，跨落角6 7 0 ，放出率 7 3 . 1 ;硬煤为拱桥式冒落， 抛物体放出， 跨落角 5 5 0 ， 放出率1 3 .4 。按顶煤的强度与破坏关系理论 计算， 一般情况下， 当煤的强度值R c 2 0 M P a 时， 顶 煤的破坏程度降低， 其冒落性渐差。 由于暂无4 号煤 层强度有关数值， 暂不作评价。 3 . 3顶煤节理裂隙对冒放性的影响 顶煤节理裂隙发育程度直接影响到顶煤的冒放 性， 节理裂隙发育的煤层， 顶每在支撑压力的作用下 易于破碎， 节理裂隙越发育， 就越易于放出。 4 号煤 层的煤岩类型 亮暗煤、 暗煤、 矿化煤常见， 亮煤少 见。 根据煤的物理性质和宏观煤岩特征 亮煤内裂隙 发育。由此可以推断， 4 号煤层节理裂隙不发育， 顶 煤冒放性不理想。可以采取顶煤注水软化等辅助措 施， 改善顶煤的冒放性。 3 . 4煤层夹歼 夹研在顶煤中形成“ 骨架” ， 使顶煤不宜跨落; 另 一方面， 即使顶煤跨落， 夹研形成大块， 影响顶煤冒 放过程中的流动性， 易堵放煤口， 对顶煤的放煤不 利。 4 号煤层结构复杂， 一半含3 层夹研， 最多达8 层， 夹研一般为泥岩或炭质泥岩， 厚度变化无规律可 循。 其中2 7 9 号钻孔最上一层厚夹研0 . 8 3 m 。 对顶煤 的冒 放有一定影响。 万方数据 6期王大勇 影响龙泉矿井采煤方法的地质因素分析 3 . 5煤层顶板 影响煤层冒放性的煤层顶板包括直接顶和老顶 两部分。 直接顶对顶煤压裂无直接影响， 但直接顶要 求能够随采随冒， 充满采空区，以防止老顶冲击来 压， 并促使顶煤放出， 因此具有一定厚度是放顶煤开 采顶煤破碎冒落后顺利放出的基本条件。从综合柱 状来看， 4 号煤层直接顶K 4 砂岩， 厚3 .9 2 - 1 3 . 1 5 m , 平均厚度8 . 6 m o 凡砂岩为深灰色粉砂岩、 砂质泥岩， 中下部为一层灰白色， 细粒长石石英砂岩， 其中 部有 一层钙质泥岩或炭质泥岩。应结合临近矿井实际情 况， 进一步分析K 4 砂岩的跨落的可能性， 能否随采 随冒。 4 采煤方法的确定 根据 山西省宁武煤田龙泉矿井补充勘探地质 报告 提供的4 号煤层底板等高线及储量计算图， 共 计5 7 个钻孔， 其中8 2 号钻孔4 号煤层厚度3 .9 2 m , 2 8 4 号钻孔4 号煤层厚度7 . 8 4 m , 4 号煤层厚度大于 6 m的钻孔4 0 个， 占7 0 . 1 8 ; 煤层厚度大于7 m的钻 孔1 0 个， 占1 7 . 5 4 。 如果采用大采高一次采全高长 壁综采， 采高按6 .0 m考虑， 煤层厚度大于6 .0 m的部 分， 将无法回收。 采用综采放顶煤采煤方法， 顶煤利用地压破煤， 依靠自 重放煤， 恰恰可以弥补大采高一次采全高无 法回收大于6.0m的部分煤炭的缺陷。 5 结论 综上所述， 通过对综采放顶煤和大采高一次采 全高采煤方法进行详细的分析论证， 我们不难看出 龙泉矿井采用综采放顶煤采煤法从技术经济， 资源 回收和顶板冒放性等方面都优于大采高一次采全高 采煤方法， 因此从设计开始， 我们就应该确定综采放 顶煤采煤法。 A n a l y s i s o f G e o l o g i c a l F a c t o r s A ff e c t i n g t h e C o a l Mi n i n g Me t h o d i n L o n g q u a n C o a h n i n e Wa n g D a y o n g L o n g q u a n E n e r g y D e v e l o p m e n t C o . L t d , T a iy u a n C o a l G a s if i c a t io n G r o u p C o . L t d ， T a i y u a n , S h a n x i 0 3 0 0 0 0 A b s t r a c t T h e L o n g q u a n c o a l m in e o f T a i y u a n C o a l G a s i f i c a t i o n G ro u p C o . L t d i s a n e w l y b u i l t l a r g e s c a l e m o d e r n c o a l m i n e . A c c o r d i n g t o g r e a t m a s s o f b o re h o l e re v e a l e d c o a l s e a m t h i c k n e s s i s l a r g e r t h a n 6 .0 m , b a s e d o n g e o l o g i c a l f a c t o r s o f m i n i n g d e p t h , t e x t u r e o f c o a l s e a m , p a rt i n g n u m b e r , h a r d n e s s a n d t h i c k n e s s , s e a m r o o f l i t h o l o g y a n d t h i c k n e s s , c o a l a n d r o c k m a s s f i s s u r e d e v e l o p m e n t , c o n s i d e r i n g g a s a n d c o a l d u s t c o n c e n t r a t i o n s , o p t i m i z i n g t h r e e c o a l m i n i n g m e t h o d s c h e m e s o f l o n g w a l l f u l l y m e c h a n i z e d s l i c i n g , f u l l y m e c h a n i z e d f u ll - s e a m c u t t i n g a n d l o n g w a ll f u ll y m e c h a n iz e d o v e r h e a d c a v i n g a n d f i n a l l y t h e l a t e r i s s e l e c t e d , a n d a s s i s t e d w i t h g ro u n d p r e s s u r e c o a l c r u s h i n g a n d g r a v i ty d r a w i n g t o i m p ro v e c o a l s e a m re c o v e ry . K e y w o r d s l o n g w a l l f u l ly m e c h a n i z e d o v e r h e a d c a v i n g c o a l m i n i n g ; c o a l s e a m t h i c k n e s s ; t e x t u r e o f c o a l s e a m ; L o n g q u a n c o a l m i n e 上接第2 0 页 C o n f i n i n g B e d L i t h o l o g i c a l S t u d y a n d F o u n d o f P y r o p h y l li t e i n C o a l Me a s u r e s S t r a t a i n Z h a n g c u n N o . 3 C o a h n i n e Z h a o P i n g N o .2 E x p l o r a t i o n T e a m , H e b e i B u r e a u o f C o a l G e o l o g i c a l E x p l o r a t io n , X i n g t a i , H e b e i 0 5 4 0 0 0 A b s t r a c t T h r o u g h c o n v e n t i o n a l ro c k t h i n s e c t i o n m i c ro s c o p i c e x a m i n a t i o n a n d m o d e rn s c a n n i n g e l e c t ro n m i c ro s c o p i c e x a m i n a t i o n , X - r a y d i f f r a c t i o n a n d d i ff e r e n t i a l t h e r m a l a n a ly s e s c a r r i e d o u t in te g r a t io n t e s t i n g o f r o c k s t r u c t u r e , t e x t u r e a n d m i n e r a l c o m p o s i t io n o f c o n f in i n g b e d s b e t w e e n N o .9 c o a l s e a m a n d O r d o v i c i a n l i m e s t o n e . T h e m i c ro c o s m i c s t u d y i n d ic a t e d t h a t a l u m i n u m c o n t e n t i s r a t h e r h i g h i n s t r a t a b e t w e e n N o . 9 c o a l s e a m a n d O r d o v i c i a n l i m e s t o n e , c l a y m i n e r a l s i n c o n f i n i n g b e d a r g i ll a c e o u s r o c k s a r e m a i n l y p y r o p h y l l i t e , i l l i t e a n d k a o l i n i t e , m o s t r o c k s a re s t a b l e i n w a t e r , n o d i s i n t e g r a t i o n h a p p e n e d . I n w h i c h l a r g e a m o u n t o f p y ro p h y l l i t e h a v e f o u n d i n c o a l m e a s u r e s s t r a t a , p r e l i m i n a r i l y c o n s i d e r e d t h a t i t i s a r e s u l t o f p a u l o p o s t h y d r o t h e r m a l a l t e r a t i o n c a u s e d b y s t ro n g m a g m a t i c a c t i v i t i e s . T h e m e r c u ry i n j e c t i o n p o r o s i m e t ry t e s t e d p o r e t e x t u r e o f 1 0 c o n f i n i n g b e d r o c k s a m p l e s , f o u n d t h a t u n d e r o r i g i n a l s t a t e , c o n f i n i n g b e d s b e t w e e n N o . 9 c o a l s e a m a n d O r d o v i c i a n l i m e s t o n e h a v e l o w p o r o s i t y , c o m p a c t a n d g o o d i m p e r m e a b l e p ro p e rt y . K e y w o r d s c o n f i n i n g b e d ; m i c r o c o s m i c s t u d y ; p y ro p h y l l i t e ; Z h a n g c u n N o . 3 c o a l m i n e ; X i n g t a i m i n i n g a r e a 万方数据