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“第三十七届科技论文交流会”三等奖论文3

大平矿S1S4工作面水库下试采采放高度研究与应用    

   

大平矿  崔 昊    

  大平煤矿S1S4试采工作面整体位于三台子水库下方且赋存较浅,根据三维地震显示在工作面切眼及运顺附近存在两条落差较大断层,为防止地表水下渗,确保水库下开采的安全,大平煤矿与沈阳煤炭科学研究所合作对S1S4试采工作面覆岩情况进行了观测、研究并制定了相应的控制采高措施。目前,工作面已安全推进260m    

关键词    水库下开采   断层   控制采高   覆岩观测    

引言    

   大平煤矿井田中部为三台子水库,水库面积17.0km2,库容56.0×106m3。矿井七个采区有五个处于水库下,水库下压煤1.32亿吨,占矿井矿井工业储量2.68亿吨的49.4%。 矿井井筒位置受水库影响偏离中心,井田两翼储量不均衡,生产初期即需要在水库下开采。目前回采的S1S4试采工作面的特点是煤层厚,赋存浅,受断层影响较大。因此,对上覆岩层移动规律的研究及如何控制回采高度是本文研究的核心内容。    

一、工作面概况    

大平煤矿采用立井单一水平集中大巷分区石门上下山开拓方式,水平标高-535m。全矿井共划分为7个采区,分别为北一、北二、北三、南一、南二、南三和南四采区。    

S1S4 试采工作面为南一采区首采面 , 埋深-290m-380m;工作面南以SDF128号断层为界;西侧为20158月回采完毕的N1S3段综放工作面,北接S1采区胶带上山和轨道上山;东邻未开采的S1S3段工作面。    

S1S4 试采工作面地表为三台子水库,水库底地表高程在+75m+80m之间。S1S4试采工作面运、回顺走向长度分别为1056m1006m,平均走向长1031m,倾斜宽3 0 0m ,面积为309300m2S1S4试采工作面井上下对照图如图1所示。    

                                                                              图 1  S1S4试采工作面井上下对照图    

二、工作面地质构造    

            三维地震资料显示,工作面内主要发育有1个轴向为东西向的向斜构造。地层倾角7°~9°,向斜轴北侧倾角稍缓,南侧略急,工作面内整体构造受向斜控制。工作面影响范围内由三维地震解释断层6,实见断层4条,如图2所示。    

2  S1S4 试采工作面构造分布图    

根据三维地震资料及N1S2N1S3工作面实见断层分析,预计S1S4回顺材料道上平盘距回顺抬棚8m左右可能遇N1F13断层,该断层落差3m,倾向80°,倾角4050°;S1S4试采工作面回顺掘进至抬棚前29m左右可能遇N1S3FH7断层,该断层落差3m,倾向94°,倾角5560°;S1S4试采工作面回顺掘进至抬棚前191m左右可能遇N1S3FH9断层,该断层落差3m,倾向101°,倾角5565°;S1S4试采工作面回顺掘进至S1S4切眼附近可能遇SDF130断层,该断层落差10m,倾向74°,倾角3545°。S1S4试采工作面运顺掘进至抬棚前702m左右可能遇S1S4F2断层,该断层落差 0 m 3m,倾角5060°。S1S4试采工作面运顺掘进至抬棚前770m左右可能遇煤层异常带,影响范围218mS1S4试采工作面运顺掘进至抬棚前818m左右可能遇SDF139断层,该断层落差 0 12m,倾角5060°。三维地震预测断层SDF129,该断层落差 0 18m,倾角4555°,与运顺近乎平行,距离较近,可能对运顺、切眼及工作面有所影响。S1S4试采工作面切眼距SDF128断层较近,该断层落差2832m,倾角3035°,可能对切眼有所影响。

工作面内运顺侧有三维地震勘探断层S1S4F1断层,该断层落差 0 5m,倾角5060°;工作面回采至设计采止线左右有可能遇N1F12断层,该断层落差5.5m,倾向208°,倾角3245°。

工作面内运顺侧有一个煤层缺失带,该煤层缺失带长度约为233m,宽度约为90m,面积约18712m⊃;,将对工作面回采产生一定影响。

三、工作面最大采高计算    

根据国家《“三下”开采规程》规定,对Ⅰ类水体,不允许导水裂缝带波及水体底界面,应留设防水安全煤岩柱。防水安全煤岩柱高度(垂高Hsh)应大于或等于导水裂缝带高度(Hli)与保护层的厚度(Hb)之和,即:HshHliHb    

根据覆岩破坏观测成果,导水裂缝带高度按最大19.97(20)采高计算。    

《“三下”开采规程》关于防水安全煤岩柱保护层厚度选取的相关内容中没有明确综放条件下的保护层厚度最小值。考虑到综放开采的特殊性 , 参考普通综采条件下保护层厚度应为采高4倍的规定,结合大平煤矿水库下已经开采的N1S1S2S2S2N1N1S2四个工作面覆岩破坏实际观测数据,在大平煤矿水库下综放试采时,保护层厚度最小应为采高的6倍。    

计算S1S4面综放最大采高时,采高MHzx/26    

Hzx - 最小安全煤岩柱厚度。    

S1S4 水库下试采工作面水库区域库底最低标高为+75.0m1煤底板等高线在-290m-380m1煤最大厚度10.78m。据此确定S1S4试采工作面自然分层时最小安全煤岩柱厚度为290+75-10.78=354.22m,人工分层11.6m时最小安全煤岩柱厚度为290+75-11.6=353.40m    

S1S4 试采面综放最大采高计算结果如下:M354.22/26=13.62m

四、工作面采放高度分析    

鉴于开切眼处存有众多断裂,必须充分重视断裂对采动覆岩导水裂缝带发育高度的影响作用。在四条断裂中有三条断层的落差大于10m,发育高度高,工作面采动对导水裂缝带发育高度要产生较大的影响。S1S4HF8断层断层的落差4.0m,但倾角大,倾角8090°几乎直立,尽管发育高度可能在煤层内,引起采动覆岩冒落带发育高度也将增大,进而致使采动覆岩导水裂缝带发育高度大(见图3)。开切眼100m范围正处于SDF129断层的尖灭处,断层尖灭处是岩层应力集中处,该处岩石破碎,采后易于抽冒,容易造成覆岩导水裂缝带发育增高。         

            考虑断裂构造影响和工作面初采阶段覆岩移动破坏剧烈等不利因素。切眼至回采100m范围采放高度控制在9.11m左右;回采超过100m后,如果揭露了SDF129断层,100m400m范围采放高度控制在10.78m左右,如该断层不存在则根据届时的回采煤层顶部标高重新确定采放高度。    

3  S1S4 试采工作面切眼附近构造分布图

五、工作面采放高度控制    

1. 工作面采放高度计算(030m    

由于构造影响范围为切眼至回采推进100m,在此范围内工作面两顺需要做车场及组装硐室,无法沿层掘进,回顺从距切眼32m位置起位于1煤顶部,巷道顶板全部为岩石,从回顺向工作面延伸38m无煤可放。运顺从距切眼34m起巷道位于2煤层底部,运顺向工作面延伸76m长度在回采时需割岩石。因此,回顺至工作面38m段为不放煤区(无煤可放),38m116mS1S4HF8断层处)为顶煤厚度不足区段( 0 4.6m,平均2.3m),116m至运顺为顶煤厚度超高区段。折算成采放高度分别为2.9m5.2m9.11m。全工作面的实际允许的加权平均采放高度为;    

Hyx=(2.9m ×38m+5.2m×78m+9.11m×184m)/300m=7.31m    

2. 工作面采放高度计算(30100m    

截至20171120S1S4试采工作面运顺推进28.5m,回顺推进25.0m。运顺侧工作面底板已全部进入煤层,回顺侧工作面顶板已全部接触煤层。工作面有三条断层分别位于工作面的125#架、110#架和68#架,断层要素见表1    

1   断层要素    

断 层 名 称    

落 差(m    

  向( °    

倾 角( °    

备注    

S1S4F3  

2.0  

95  

60 70  

位于125#    

S1S4F4  

1.0  

96  

60 70  

位于110#    

S1S4F5  

2.0  

90  

60 70  

位于68#    

   涿州恒源地球物理技术服务金沙澳门官网提供的浅层地震探测报告给出的靠近运顺的SDF129断层在预计位置没有实见。工作面推进11.0m时距运顺最近的F3断层落差1.5m,工作面推进28.5m时实见2.0m,工作面实见位置在68#70#架之间,证明该断层的走向是随工作面推进向运顺靠近。所以从该断层落差增大趋势和断层走向随工作面推进向运顺靠近的趋势看,该断层可能是SDF129断层的尖灭处。但根据实见断层的倾角同SDF129断层倾角相差大,实见位置和预计位置相差大,从运顺掘进靠近断层是煤层抬起状况等情况分析实见断层与SDF129断层倾向不一致,对于距运顺最近的F3断层是否为SDF129断层的尖灭端处还有待进一步观察。    

    鉴于SDF129断层是否存在及实见工作面煤层的赋存条件,可适度提高30100m回采推进区段的采放高度。采动覆岩移动和破坏动态发展规律是:煤炭采出空间是由其上部煤炭及岩石冒落的碎涨体积增大和上部岩层弯曲沉降充填的,在上方岩层的最大弯曲点与冒落最高点接触,冒落才终止。冒落和弯曲都需要时间过程,在覆岩为中硬岩层的条件下,工作面推进到80100m以后覆岩破坏的导水裂缝带才发育到最高,所以在回采推进100m的区段内控制采放高度,以免引起导水裂缝带发育增高。考虑采动覆岩移动和破坏动态规律与SDF129断层可能存在的两个条件,30100m推进段内,采放限制高度可提高到10.78m    

3. 工作面采放高度计算(100200m    

  截至20171210S1S4试采工作面运顺推进94.0m,回顺推进94.0m。整个工作面全在2煤层中,工作面实见有三条断层分别位于工作面的58#架、35#架和5#架,断层的落差、倾角等要素列在表2    

2  断层要素    

 

断 层 名 称    

落 差(m    

倾 向( °    

倾 角( °    

备注    

S1S4F5  

1.4  

90  

60 70  

位于58    

S1S4F6  

2.3  

90  

60 70  

位于35    

S1S4F7  

2.3  

89  

60 70  

位于5    

    SDF129 断层在预计位置仍然没有实见。距运顺最近的S1S4F7断层落差实见2.3m,该断层与SDF129断层倾向不一致分析,断层的倾角6070°与SDF129断层也相差较大。可以初步判断,S1S4F7断层不是SDF129断层的尖灭端。    

    工作面推进采放高度控制在10.78m的结论是依据SDF129断层存在预计位置分析论证得出的,但鉴于SDF129断层没有实见,依据工作面煤层的赋存条件及所见三条断层落差小等原因考虑可适度提高100200m回采推进区段的采放高度。根据煤层赋存(最高回采上限)及断层落差较小回采条件,全工作面采放高度均定为11.6m    

六、结论    

S1S4 试采工作面是大平煤矿第8个水库下开采的工作面。经查实井田区域地层、含隔水层等有关水文地质资料,通过对覆岩导水裂缝带发育高度的预计和保护层厚度、断层和钻孔导水通道等安全可靠性的分析,最终得出结论:S1S4试采工作面可以采用自然分层和人工分层相结合的综合机械化放顶煤方法开采。    

位于回采工作面内的SDF129断层延展长度为380m且延展方向与工作面推进方向相近,该断层落差 0 18m,倾角4555°,是对工作面安全回采影响最大的断层。为确保开采安全,在开切眼起至推进400m范围(SDF129断层延展长度区域)开采时,应适当提高保护层厚度及安全系数,选用自然分层(最大采高10.78m)方案并采取限制放煤高度措施(切眼至煤层底板-310m等高线处的100m范围采放高度控制在1煤平均厚度9.11m),该方案最小保护层厚度为68.07m,为采高的6.31倍。    

S1S4 试采工作面已推进200m,期间SDF129断层并未在预计位置出现,因此根据实际情况对采放高度进行了重新核算,确定为11.6m(人工分层)。如在之后的回采过程中发现该断层,则需要对采放高度再重新核定。    

试采工作面范围内的所有断层均不含水或含水量小且断层导水性差;试采工作面附近的勘探钻孔都进行了启封检查,封孔质量良好,并重新封闭;在S1S4试采工作面回风顺槽采掘时,对临近的N1S3工作面采空区进行了探查,未发现该采空区存在积水。    

因此,S1S4试采工作面采用自然分层和人工分层相结合的综放开采方案并根据实际情况随时调整采放高度,技术上可行,经济上合理,安全上可靠,可以确保大平煤矿水库下开采安全。    

     

作者简介: 崔昊 1985.12.24 - ),男,工程师,2008年毕业于中国矿业大学能源学院采矿工程专业,现在大平煤矿地测防治水科任主任工程师,联系电话:18704100282