托克逊县雨田煤矿采空区火区回填治理实施方案Word下载.docx
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生产规模:
11.00万t/a,矿区面积:
1.2299km2,有效期限自2006年12月至2012年12月;
开采深度由1159.4m至950m标高。
雨田煤业有限责任公司煤矿(原伊拉湖乡联合煤矿三号井):
6500000422406;
9.00万t/a,矿区面积:
1.0498km2,有效期限自2004年9月至2014年5月;
开采深度由1200m至1060m标高。
本次采空区火区回填治理范围内一号井、三号井均为仓储式采煤方法,回采率在30%以下。
根据矿方提供相关资料,治理区范围内地表采空区塌陷坑、缝隙、着火点及火山岩随处可见,煤层露头煤长期自燃氧化,地面裂隙向井下采空区不断供氧,引起井下工作面着火,严重威胁矿井下阶段开发建设。
托克逊县雨田煤业有限责任公司重组以后,中泰集团成为控股股东,大力提倡安全环保的发展理念,为保障矿井下一步开发建设,避免采空区残煤自燃发火引发更大规模火灾,同时本着保护资源、治理环境的原则,将投入相应的整改治理资金,对该矿采空区塌陷、裂隙、自燃发火区等灾害隐患进行治理。
受托克逊县雨田煤业有限责任公司委托,新疆煤炭设计研究院有限责任公司根据相关规程规范编制《托克逊县雨田煤矿采空区火区回填治理实施方案》。
一、编制设计的依据
1.设计委托书。
2.煤矿提供的火区资料。
3.新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队2008年3月编制完成的《新疆托克逊县克尔碱煤矿区雨田井田勘探报告》;
4.新疆维吾尔自治区煤田地质局一五六煤田地质勘探队2003年4月编制完成的《新疆托克逊县布尔碱煤矿区四建煤矿生产地质报告》;
5.《煤田火区灭火规范》试行;
6.《煤炭工业露天矿设计规范》(GB50197-2015);
7.《煤矿安全规程》(2016年版)等与煤炭行业有关的其他规程规范。
二、设计指导思想
1.执行“安全第一,预防为主”的安全生产方针。
2.贯彻执行火区治理原则:
“统一规划,统筹安排,整体推进,综合治理,先易后难,科学有序,先控制,后灭火”。
3.执行“因地制宜,综合治理,技术可行,经济合理,施工安全”的灭火设计原则。
4.优先考虑采用露天开挖并回填方式进行灾害治理,对该区域火区进行开挖,彻底根治火源,回填覆土、适当进行绿化。
5.选择适合本矿地质灾害特点开挖工艺,节省治理费用,提高工效。
6.根据地形、地质等条件,合理选择剥离物堆放场地,缩短汽车运距,便于排弃和回填,缩短治理工期。
三、采空区火区治理工程的必要性及紧迫性
1.地质灾害的危害性
井田范围内北槽煤和中南小槽煤经长期开采,下部形成较大面积采空区,地面形成众多塌陷坑。
采空区残煤漏风不断氧化、冒烟、最终自燃,造成了宝贵煤炭资源的损失;
煤层火烧又产生了大量的CO、SO2,H2S等有毒有害气体,污染环境。
另外由于火区内温度高,岩石受烘烤后物理化学性质发生变化,导致岩石破碎,形成大量的裂缝,容易导致上部的岩石冒落形成更多的地表塌陷;
地表裂缝和塌陷坑又进一步沟通了燃烧的煤层与外界空气的接触,为煤层继续燃烧发展提供了更充分的通风供氧条件,导致火区条件进一步恶化,同时也向深部发展,进而燃烧更深部位的煤炭资源,形成不可控制的更大范围的火区,严重影响本矿的后续开发建设。
另外,井田范围内煤层直接出露地表,由于长时间与空气接触氧化,煤层露头也发生氧化自燃现象,露头自燃不仅损失国家宝贵的煤炭资源,而且在地表将产生的大量热气、烟雾及CO、H2S、SO2等有害气体、严重污染周边的环境。
2.治理工程的必要性及紧迫性
只有采取经济、合理、有效的采空区火区治理工程,才能控制灾害进一步蔓延,减少煤炭资源损失,使煤矿下阶段生产安全及周边农牧民的生命财产得到保障,经济上不再受损失,保护环境。
考虑到将来井工矿后续开采,如不彻底清除火区,则将影响到将来矿井的安全生产,给人员及设备等带来安全风险。
因此,本矿采空区火区治理工程的实施迫在眉睫。
四、地质灾害治理方案的确定
现阶段对煤田塌陷区和火烧区等地质灾害常采用地表黄土覆盖方案、钻孔灌浆方案、地面开挖回填方案以及上述几种方案的综合使用。
根据井田内地质灾害特征、范围以及地形、水源条件等,最终确定采用地面开挖回填治理方案,该治理方案不仅可以彻底根除火源,同时也能回收采空区部分残煤,以冲减部分投资,降低治理工程成本和费用。
五、开挖工程量
采空区火区治理范围开挖工程总量为4373万m3,其中剥离量3979.61万m3,可回收残煤503.54万t(约393.39万m³
),用于充减工程投资。
第一章煤矿概况
第一节交通位置
矿田位于托克逊县克尔碱矿区向斜南翼的中西部,行政区划属托克逊县管辖。
矿田距托克逊县城约70km,向南12km为南疆铁路的望布火车站,向东22km通往托克逊火车站、克尔碱镇。
由该站出发向东80km至吐鲁番车站与兰新铁路接轨,向西南经阿拉沟车站穿觉罗塔克山可达库尔勒,区内有多条简易公路与乌鲁木齐—喀什314国道相通,目前克尔碱镇到托克逊县有柏油公路相通,总之,本区交通方便。
矿田交通位置详见图1-1-1。
第二节地理经济
一、自然地理
地形地貌:
本区位于吐鲁番盆地西北边缘低山丘陵地带,区内海拔高程在+1070m~+1370m,高差为300m,邻近最高山峰海拔+1900m。
西北高,东南低,地面坡度25~40‰,全区南北边缘为剥蚀山地,中间为斜平地,部分为晚更新世倾斜冲洪积台地复盖,断续有中生代地层出露。
南部有零星小片沙丘和泉水,附近生长低矮的红柳和芦苇等。
有的泉水附近形成小片沼泽,此外均无植被,呈现岩漠,砾漠地貌景观。
气象:
属大陆性气候,冬季干燥少雪,夏季酷热少雨。
气温年度变化幅度59.9℃(-17.7℃~+42.2℃),年平均气温13.8℃,夏季地面温度可达+59.3℃。
多年平均降水量仅20.3mm,多年平均年蒸发量5826.2mm。
冰冻期为12月—翌年1月,年最大冻土深86cm。
该区属多风地区,风向多为北西,北北西,经常是狂风怒吼,飞沙走石,最大风速可达40m/s以上。
2006年4月9日21时30分,托克逊县至吐鲁番公路艾丁湖段、312国道小草湖段发生大风险情,风力超过12级以上,最大瞬间风速达32m/s以上。
且这次大风扬沙天气持续时间之长、风力之大,是当地1984年以来首次遇到。
该地区4~5月为风季,经常造成大风灾害。
水文:
区域内水系很不发育,常年水流仅有潘吉塔格苏河,流量0.068~0.2m3/s,源自西部高山区末日齐克山东端北坡,经黑山与喀坑艾代山之间流入本区,年迳流量445.54万m3,春季融雪期水量较大,最高洪峰出现在7~8月,推测最大洪水量88.73m3/s。
克尔碱村用潘河水灌溉,余量于红山口汇入白杨河。
本区以东的克尔碱(镇)泉群流量为45.89~73.41L/s。
沼和泉群流量3.62~7.43L/s,此外在东部本区外原12线、13线南端附近的泉群(泉2)流量为0.81~0.93L/s、单泉(泉1)0.35~0.42L/s。
四号井田吐红布拉克泉群,位于2号井东北边界地区,该泉群流量稳定,流量在5L/s左右。
吐鲁布拉克泉群,位于D线中部,该泉群流量稳定,流量在2~3L/s左右。
二、经济概况
托克逊县位于天山南麓,吐鲁番盆地西部,东邻吐鲁番市,南接尉犁县,西与和静县、和硕县相连,北隔天山与乌鲁木齐县相邻。
全县总面积17342km2,下辖四个乡、三个镇,45个行政村,总人口10.5万人,有维吾尔、汉、回等十二个民族。
托克逊县是历史上著名的“丝绸之路”上的重镇之一。
自然资源优势:
托克逊县光照时间长,光热资源丰富,年光照率达69%,无霜期276天,年平均气温13.8℃,现有耕地面积24.18万亩,盛产棉花、小麦、白高粱、花生、绿豆、葡萄、哈密瓜等农副产品。
托克逊县的棉花以色白、绒长、弹性好著称,生产的"
红心脆"
甜瓜(哈密瓜)远销香港,出口国外,由于独特的地理条件,所产孜然品质优良,色香味纯。
矿区一带为半农半牧经济模式,经济发展水平较低,除煤炭、膨润土资源开发外,没有其它的工业。
目前仍为自治区级贫困县。
矿区内新构造运动较发育,据新疆地震局资料,矿区地震动峰值加速度为0.10g,地震裂度值为Ⅶ度。
第三节煤层及煤质
区内含煤地层为侏罗系下统八道湾组(J1b),控制的地层平均厚约422.53m,共见煤层10层,其中可采、局部可采及零星可采、不可采煤层8层(由浅到深编号依次为5-2、5-0、4-3、4-2、4-1、3-5、3-4、(3-3)上、3-3、3-2煤层),稳定煤层2层(即4-2、3-3号煤层)。
煤层平均总厚度20.07m,含煤系数约4.75%(煤层平均总厚与地层平均厚度之比)。
可采煤层平均总厚16.29m。
本次采空区火区回填治理实施方案主要针对矿田内3-3号煤层浅部。
一、煤层
3-3煤层厚度、层位稳定,属全区可采(21线至E线)。
共有23个钻孔控制此煤层,煤层厚度、结构的变化情况是:
倾向上在煤层浅部、深部薄,中部厚,在走向上东西两头薄中部厚。
其中23个工程点控制的勘查面积为8.99km2,可采面积为8.99km2,分布连续,面积可采性指数100%;
总厚度变化系数为30.34%,二级差变化指数为41.65%;
可采厚度4.65~16.76m,平均厚10.97m,可采厚度总厚度变化系数为31.74%,二级差变化指数为35.30%;
资源量估算厚度4.65~16.76m,平均厚10.97m,厚度变化系数为31.74%;
含夹矸0-1,结构简单,为一全区可采的稳定煤层。
本煤层结构较简单,含夹矸0-1。
3-3煤层的顶板以浅灰-灰白色砂砾岩及粗砂岩为主,硅质胶结,致密坚硬,而底板则多为粉、炭泥岩类。
3号煤组总的变化规律是东部地层、煤层西部比厚,岩性也较粗,煤层发育较好。
而西部地层、煤层均薄,煤层发育较差。
3-3煤层特征见表1-3-1。
表1-3-13-3煤层特征表
煤层号
煤层总厚
有益厚度
可采煤层厚度
平均值
夹矸数
结构
稳定性及
控制程度
两极值
3-3
4.65-18.67
11.76(23)
4.65-16.76
10.97(23)
0-2
简单
23个孔见煤
全区可采
稳定
二、煤质
1.物理性质
3-3号煤层颜色呈黑-褐黑色,褐黑或深褐色条痕。
煤的坚硬程度为较硬,煤芯多呈块状及柱状。
具条带状均一结构,局部为叶片状结构。
煤层光泽为沥青光泽及弱玻璃光泽,参差状、平坦状断口,局部呈贝壳状断口,裂隙较发育,煤芯易风化染手,局部含黄铁矿薄膜及鲕粒状黄铁矿结核,3-3煤层视相对密度1.28t/m³
。
煤简易燃烧试验:
易燃、烟浓、焰长,有熔融或膨胀的现象。
根据野外肉眼鉴定资料,煤岩组成均以亮煤为主,丝炭及暗煤次之,亮煤多呈条带状分布,丝炭组份呈线理透镜状分布,宏观煤岩类型以半亮型煤及暗淡煤为主,半暗型煤少量。
根据试验室显微镜下观察,煤层显微煤岩类型以亮暗煤及暗煤为主,暗亮煤次之,其显微煤岩组成主要以镜质组分、惰质组分为主,壳质组分较少,半镜质组分为零,无机质中以粘土类矿物为主,碳酸盐类矿物及硫化物类矿物成分较少。
3-3煤层主要煤岩组分为镜质组分,其组分含量平均为61.3%,其次为惰质组分含量为37.8%,壳质组分含量很少,平均仅为0.9%,镜质组分主要以无结构镜质体中的基质镜质体和碎屑镜质体为主。
惰质组分以丝质体中的氧化丝质体为主要成分,可见少的碎屑惰质体。
壳质组分主要为小孢子体,多呈蠕虫状分布。
未见焦块含量。
煤的无机组分含量较低,主要成分为粘土类矿物,其含量平均为6.9%,呈浸染状呈薄层状分布,其次为结核状黄铁矿矿物质。
煤岩鉴定成果详见表1-3-2。
表1-3-2煤岩鉴定两极值及平均值表
煤
层
编
号
有机质各组
%
煤总成分
无机质各类
反射率
变
质
阶
段
镜质组
半镜
质组
惰质组
壳质组
有机质
无机质
粘土类
硫化物类
炭酸
盐类
17.6-75.30
61.3(14)
0(14)
23.6-81.5
37.8(14)
0.4-1.3
0.9(14)
89.2-96.1
93.1(14)
3.9-10.8
6.9(14)
0.2-0.8
0.5
(2)
0.30-0.55
0.41(13)
0-1
3-3煤层的镜质组最大反射率平均为0.41,变质阶段均为0-1阶段,属低变质的褐煤阶段。
由以上结果可知该煤层是在沼泽积水较深的还原环境中形成。
2.化学性质
(1)水分
3-3煤层原煤分析基水分Mad在2.00~3.96%之间,平均为3.00%,浮煤分析基水分Mad在1.59~4.11%之间,平均为3.07%,属低水分煤层。
(2)灰分产率
3-3煤层原煤干燥基灰分产率在4.77~11.58%之间,平均为7.28%,浮煤干燥基灰分产率在2.56~4.88%之间,平均为3.59%。
根据GB/T15224.1-94《煤炭灰分分级标准》,3-3煤层原煤灰分产率属特低灰为主的煤层。
(3)挥发分产率
3-3煤层原煤干燥无灰基挥发分产率Vdaf在40.00~46.44%之间,平均为43.80%,浮煤干燥无灰基挥发分产率在41.31~44.99%之间,平均为43.13%。
属高挥发分煤层。
(4)元素分析
3-3煤层干燥无灰基碳元素含量一般在78.75~84.29%之间,平均为80.29%,其次为氧加硫的含量,其成份在8.52~14.49%之间,平均为12.97%,氢元素含量在5.14~5.56%之间,平均为5.27%,氮元素含量在1.07~1.63%,平均为1.47%。
(5)有害元素
本区有害元素含量总体较低,尤其是煤层中硫的含量、砷含量均属于特低之列,完全可以满足工业及民用煤的需要,使用时无需对原煤进行脱砷硫、脱砷处理。
3.工艺性能
(1)发热量
3-3煤层的原煤干基弹筒发热量Qb.d一般在28.16~30.69MJ/Kg之间,平均为29.90MJ/Kg。
干燥无灰基弹筒发热量Qb,daf一般在31.69~34.02MJ/Kg之间,平均为30.98MJ/Kg,分析基高位发热量Qgr,ad一般在27.24~29.84MJ/Kg之间,平均为28.78MJ/Kg。
干基高位发热量Qgr,d一般在28.07~30.64MJ/Kg之间,平均为29.68MJ/Kg。
根据GB/T15224.3-2004《煤炭发热量分级标准》属高热值-特高热值为主的煤层。
(2)煤灰成分及灰熔融性
3-3煤层灰成份主要以酸性的SiO2、Al2O3和碱性的CaO、Fe2O3等成份为主,其中SiO2含量平均为29.97%,Fe2O3含量平均为19.20%,CaO含量平均为18.00%,Al2O3含量平均为14.78%,这四种成份占煤灰成份的80%以上,其次为MgO、SO3、TiO2等成份,其灰成份的含量均在10%以下,灰熔融性软化温度平均在1215℃,属于低熔灰分的煤。
4.低温干馏
(1)煤层焦油产率(Tar,ad)在10.7-15.1%之间,属富油-高油煤的煤层,半焦产率平均在65.9~70.8%之间,煤气及损失在9.4~10.0%之间。
(2)本区各煤层的热稳定性均较差,3-3煤层热稳定性(TS+6)值为68.0%。
(3)煤的可磨性:
本区对采取的煤样进行可磨性试验,由试验资料可知,煤层可磨性在46~51%之间,属较易粉碎的煤。
三、煤类及利用方向
本次工作,对所有可采煤层均做了粘结指数、挥发份产率,3-3煤层挥发份(Vdaf)平均为43.13%,由测试结果可知:
3-3煤层以42号长焰煤为主,有少部分为41号长焰煤。
3-3煤层煤质变化较小,其煤质特征为低水分为主,灰份产率为特低灰,高挥发份,特低硫,特低磷~低磷,低熔灰份,高-特高发热量,富油~高油,较易粉碎,不具粘结性的长焰煤。
3-3煤层厚度较大,结构简单-较简单,属稳定-较稳定,煤层煤质变化较小,发热量高,有害元素含量较低,是优质的火力发电和动力用煤,也可做工业锅炉用煤及民用煤。
煤层焦油产率较高,也可作为低温干馏用煤之原料。
四、风氧化带
区内煤矿多为顺煤层倾斜方向开采的斜井,煤层倾斜一般多为65°
~45°
左右,据调查,煤矿斜深27~30m,垂深19~21m以上的煤多为沫煤,质量很差,斜深大于30m,垂深大于20m的煤,采出块煤,且都做为高品质煤出售,斜深大于30m,垂深20m以下的煤都属正常煤。
因此确定本区风化带深度为煤层沿露头向下垂深20m。
第四节岩性特征
一、基岩岩石物理力学性质
依据勘探区钻孔揭露段岩石及岩体工程力学性质,含煤性、划分工程地质岩段,详见表1-4-1。
表1-4-1工程地质岩段划分及稳固性评价一览表
地层时代
岩段编号
岩段名称
稳固性评价
Q2pl+Q4apl
E1
第四系松散岩段
结构松散
稳固性差
J2t--J2x
E2
侏罗系中统头屯组至西山窑组底
粗粒相中夹细粒相岩段
J2x底界-J1b(4-1)煤层煤层下部粉砂岩
E3
三工河组顶界-八道湾(4-1)煤层下部
粉砂岩含主采4-2号煤层细粒相岩段
岩体分类为Ⅳ
岩体质量差
围岩稳固性差
J1b(4-1)煤层下部粉砂岩以下-(3-3)下部
E4
八道湾组(4-1)煤层下部粉砂岩以下
至(3-3)煤层下部以粗粒相为主中夹
细粒相含主采3-3煤层岩段
二、煤层顶板岩石的稳定性
勘探区侏罗系中统八道湾组赋存主采4-2、3-3号煤层,多发育直接顶板及直接底板,老顶、老底、伪顶及伪底只限于局部地段。
4-2煤层直接顶及直接底板多为粉砂岩,3-3顶板多为老顶板砂粒岩、砾岩;
3-3底板多直接底板粉砂岩及老底粗砂岩。
结合勘探区实际施工情况,并依据含煤岩系岩性特征,3-3号煤层顶、底板的稳定性评述如下:
3-3号煤层顶板(10组样品):
砂粒岩。
自然块体天然容重2.47~2.66g/cm3,平均值2.55g/cm3;
吸水率1.20~3.38%,平均值2.52%;
天然状态抗拉强度1.8~78.8Mpa,平均值33.8Mpa;
饱和状态下单轴抗压强度9~57.1Mpa,平均值24.05Mpa<
29.42Mpa,为不稳定型顶板;
软化系数0.27~0.74,平均值为0.50<0.75,岩石质量等级为易软化的较软岩。
3-3号煤层顶板导水裂隙带最大高度为314.09m。
3-3号煤层底板(10组样品):
粗、粉、细砂岩类。
自然块体天然容重2.41~2.68g/cm3,平均值2.57g/cm3;
吸水率0.92~6.11%,平均值2.34%;
天然状态抗拉强度2.1~86.6Mpa,平均值50.71Mpa;
饱和状态下单轴抗压强度3.7~29.17Mpa,平均值29.17Mpa<
软化系数0.06~0.75,平均值为0.44<0.75,岩石质量等级为易软化的较软岩。
综上所述,根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-91)本区工程地质条件属层状岩的工程地质条件中等型,即Ⅲ类二型。
第五节矿区开发历史及现状
区内小窑一般分布于井田南部3号煤组沿走向分部,现分别由西向东叙述如下:
一、伊拉湖乡联合煤矿二号井
该井位于雨田一号井(托克逊县雨田煤业有限责任公司1号井<
)以西,位于本次勘查南部相毗邻,该井距离雨田一号井生产斜井约0.3~1.4km,建于1978年,井型为斜井,开采面积0.70km2,年产量约9万t。
主巷道长325m,由浅入深坡度-34至-27°
共延深13个水平,第十三水平标高963m,涌水量约150m3/d,且基本稳定。
主斜井+963水平向东开采300m、向西243m已全部开采完。
主斜井+985水平向西开采695m已全部开采完,主、副斜井东西各留有20m的井筒保安煤拄。
由于主斜井2006年坍塌,目前该井已停止开采。
二、雨田一号井(托克逊县雨田煤业有限责任公司1号井<
)
(1)生产井
开采3-3号煤层,主井筒沿3-3号煤层底板开拓斜长309m,坡度-30°
~-32°
,断面高2.30m,宽2.60~2.80m,井口安置JT1200/1028型,主绞车、电机功率55KW,风机功率18.5KW,ZK50-NO-12.5机型,在井筒煤柱中另开拓有通风井及人行巷。
年生产规模2006年12月核定为11万t/a,2001年度煤炭产量约4万t,2002年度煤炭产量约7万t。
2003-2006年均为7万t,2006年12月-2007年产量为11万t。
煤矿共共延深七个水平,第七水平开采深度约155m,高程为+964~+981m,七水平向西开采至井田边界,该水平以上已全部开采完。
+1023(五水平)向东掘进到700m,+988.00(六水平)向东掘进到500m,由于目前矿井正在进行技术改造,故还未回采,生产工作中共了解到的煤层厚度点6个,+1023(五水平)主井筒以东600m处煤层厚10.00m,700m处煤层厚10.10m,+988.0(六水平)主井筒以东380m处煤层厚10.01m,500m处煤层厚9.89m,+964运输巷主井筒东110m煤层厚9.62m,245m煤层厚度9.85m。
生产矿井经自治区煤炭科研所鉴定为低瓦斯矿井。
本井采用后退式方式开采3-3煤层,采仓长40m,宽8m,留5m安全煤柱,煤巷大部为裸巷,部分木支护。
顶板为砂砾岩,坚硬,在垮落前封闭,现场调查发采空、塌陷及裂隙已发育到地表;
底板为细、粉砂岩较稳定,井下有水,地下水位为1134m,出水点为集中在主井筒东600m左右的底板中,该处煤层及岩层均较破碎,给地下水的排泄提供了涌水通道。
抽水设备在四、六水平安装,六水平安装QJ40-80/2水泵,四水平安装QJ32-104/8型水泵,每日排水约625m3/d,且基本稳定。
(2)废井
在井田西部为一号废井,开采4-2号煤层,主井筒沿4-2号煤层底板开拓,斜长354m,共开采16水平,坡度-2