泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1.docx
《泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1
矿井防隔水煤(岩)柱专项设计
二0一三年三月
矿井防隔水煤(岩)柱专项设计
设计编制单位:
枣庄市薛城区泰山煤矿技术科
设计主编:
许敦山总工程师工程师
设计编制人员:
徐恩深副总工程师高工
胡乐刚副总工程师工程师
张延亮技术科长助工
前言
一、概述
(一)企业位置及隶属关系
矿井东距枣庄10Km、西距薛城约15Km,南邻有泰山火车站,枣薛公路在井田南部1km处,交通十分方便。
隶属于枣庄市薛城区政府直属企业,原属薛城区泰山镇集体企业,根据省政府要求淘汰乡镇办矿产业政策及省煤炭局[2009]112号,按薛城区薛政[2009]69号文件精神于2009年12月16日改制后隶属于区政府管理。
(二)矿井生产建设情况
泰山煤矿于1994年10月开工建设,1998年3月投产。
1998年由山东省煤炭工业局煤碳设计院进行开采设计,设计开采煤层14、16、17层,矿井设计生产能力为9万t/a,2003年核定为12万t/a。
矿井“五证一照”齐全、有效、合法。
目前,14层煤开采已经结束,现开拓开采16、17层煤,6、18层煤未开采。
2008年10月委托山东科技大学资源与环境工程学院编制了资源整合后的《南翼采区建筑物下开采设计方案》。
该矿采用一对立井开拓,暗斜井下山开采。
主井进风,风井回风,中央并列抽出式通风方式。
主井担负提升煤炭、矸石、物料、人员提升。
采用走向长壁采煤法,全部垮落法管理顶板。
第一章采区概况及地质特征
第一节采区概况
一、井田位置及范围
泰山煤矿位于枣庄市薛城区泰山镇庄头村西,陶枣煤田的中部,北与陶庄煤矿为邻,东与甘霖煤矿接壤,南面和西面分别是天然焦煤矿和山家林煤矿。
二、地形地貌
区内地形较平坦,地面标高一般在+62~+66m,最大高差约4m,属第四系山前地势北低南高,冲积平原地形。
与地面对应的村庄有龚庄、第五中学、镇政府及西泰山村,采区回采时将对其产生不同程度的影响,按设计方案加强对地表移动观测,严格控制下沉量。
三、主要河流及水体
井田北部山区为天然分水岭,有一条季节性南北向冲沟,成为雨后向南泄洪的自然渠道。
蟠龙河支流从采区内穿过,属季节性河流,洪水期一般发生在每年的七月份。
积水流入井田西部约18Km有南四湖中的昭阳湖和微山湖,湖面辽阔,常年积水。
四、区内煤矿开采情况
采区东、西与甘霖矿、山家林矿相接,两矿均未开采16煤;南侧与关闭的市中区利民矿相邻,已开采16层煤,距本采区500m;北侧为本矿北翼161采空区。
第二节 地质构造
一、相邻采区地质及水文地质情况
与南翼163采区相邻的采区为北翼161采区,北翼161采区现在正在开采,从实际揭露的地质及水文地质情况看,16层煤厚度稳定在0.55m左右。
与下层的17层煤(厚0.5-0.8m)之间距12-16m,平均13m,上距14层煤45-58m,平均55m。
地质构造条件简单,无褶皱构造,断层多以小断层出现,落差最大均在0.5m以下。
构造发育相对简单,仅在洪支二断层附近区域,遇见断层0.6m,煤层顶板以十层灰岩为其顶板,厚约5.7m,较完整,仅在采区中下部见二处断裂,但断裂带不连0.3m破碎带。
煤层瓦斯含量较低,瓦斯涌出量少,相对瓦斯涌出量0.31m3/t,煤层倾角较小,近水平5-8°左右,地质条件简单,在采掘过程中,有煤层顶板二合顶时有少量涌水,再者是断裂带裂隙水,但一般在二月内疏干,最大涌水8m3/h,采区最大涌水量8m3/h,正常5m3/h。
二、地质构造
1、地层
泰山井田地层属华北平原型沉积,矿井范围内均被第四系冲积层覆盖,地层自老到新依次有:
奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。
石炭、二叠系是本区的含煤地层。
按岩石地层划分,依次为:
奥陶纪马家沟组、石炭——二叠纪月门沟群(包括本溪组、太原组、山西组)、二叠纪石盒子组和第四纪监沂组,现将岩石地层由下到上简述如下:
(1)奥陶纪马家沟组(OM)
马家沟组(OM)为含煤地层基底,岩性为厚层状灰岩和中厚层白云岩组成,岩溶裂隙发育,厚约800m。
(马家沟组以下地层不再叙述)。
(2)石炭纪本溪组(CYB)
本溪组(CYB)厚24.9米,由杂色铁铝质泥岩组成,顶部为青灰色铝质岩,厚0.8米左右,致密状,鲕粒状结构,相当于G层铝土矿层位,为滨海相古风壳残余沉积。
本组与下伏马家沟组地层假整合接触。
(3)石炭—二叠纪月门沟群太原组(C-PYT)
太原组(C-PYT)厚约188米。
由灰~灰黑色泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰夹煤层组成,含灰岩15层(一~十五灰),其中三、五、八、十下、十四灰(即徐家庄灰岩)较稳定,是煤岩层对比的标志层;含煤15层,(4~18层煤)经勘探和采矿生产验证,6、14、16、17、18层煤为可采或局部可采煤层。
本组属海陆交互含煤沉积,与下伏本溪组整合接触,属连续沉积。
(4)二叠纪月门沟群山西组(PYS)
山西组(PYS)厚约110米,主要岩性为浅灰~深灰色砂岩,粉砂岩夹煤层组成。
含煤3层,其中2层煤是陶枣煤田范围内主要可采煤层,但在本井田范围内,大部已被冲刷缺失,只有井田西部少量2层煤,已被山家林矿开采。
与下伏太原组整合接触,过渡沉积。
(5)二叠纪石盒子组(PS)
石盒子组(PS)厚150~180米,平均170米左右。
岩性以灰白色砂岩、灰绿、杂色砂质泥岩、泥岩等为主。
中部夹一层绿灰色铝质岩(A层铝土矿),厚3.9米左右。
中上部偶见一厚0.1~0.5米的薄煤层。
本组为陆相沉积。
(6)第四纪临沂组(QL)
临沂组(QL)为含煤地层的盖层。
厚2~14米,由黄土、砂质粘土、粘土及砂、砾层组成。
含铁、锰质结核。
属第四纪冲洪积。
2)井田构造
1、井田内主要褶曲
矿区大地构造位置属于鲁西地块(II)鲁中隆起区(III)枣庄—韩庄凹陷(Ⅵ)之枣庄凹陷(Ⅴ)内。
褶皱构造:
地层走向在矿井北侧为北西~南东向,倾向南西。
在矿井南侧,地层走向渐变为北东~南西向。
倾向北西。
因而,在本矿井范围,属倾伏向斜构造,向斜轴走向近东西,且倾向西,倾角4—8°。
两翼倾角均为4—10°。
断裂构造:
该井田断裂构造不发育,在井田东北部有一洪村断层,走向52°,倾向南东,倾角70°,落差10~20米,到本井田已基本尖灭。
主副井东北有Z1号小断层,走向55°,倾向南东,倾角80°,落差3米。
井田东南部有“洪村支二断层”,走向63°,倾向南东,倾角70°落差20~50米。
井田西侧,原邹F2断层在本矿开采中未发现。
在16、17、18层煤的南侧开采边界处,有Z2号小断层,走向80°,倾向南东,倾角75°,落差2.5米。
见表3-1
表3-1断裂构造统计一览表
名称
构造产状
性质
位置
备注
走向、倾向,倾角,落差
洪村断层
NE52°∠75°H=10~20m
正断层
矿界东侧
Z1号断层
NE55°∠80°H=3m
正断层
主副井东北200m处
14层煤落差大
16层煤未发现
洪村支2断层
NE63°∠70°H=20~50m
逆断层
主副井南300m
Z2号断层
NE80°∠75°H=2.5m
正断层
16、16、18层煤的南边界处
在开采过程中,未发现断距大于3米的其他断层,地层产状单一,很少有波状起伏的褶皱。
本井田含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组,本井田开采可采煤层6、14、16、17、18层煤,可采平均厚度3.2m,可采含煤系数1.8%。
矿井井田属于隐伏煤田,煤田地层全部被第四系覆盖。
近几年来开采资料表明,本井田构造是一个以井田中央为向斜轴部,向西倾伏向斜构造。
就地质构造复杂程度而言,本井田属于简单类型。
2、采区163采区,为单斜构造,走向北东70度,倾角西北倾角6-8度。
本矿开采实际揭露,本采区主要断层为采区北侧洪支二断层。
走向北东85°,倾向北西,倾向80°,落差30-50m。
北翼161采区已有1618运巷、1618下材料巷已揭露伴生断层,断层东侧原青年三矿-270米水平石门已揭露此断层,落差50m。
第三节 煤层
一、含煤岩系及煤层
据以往地质勘探和甘霖、陶庄矿开采资料,区域含煤地层为石炭纪—二叠纪月门沟群山西组和太原组,厚度280~330m,共含煤18层,含煤系数5.5%。
山西组含煤3层,即1~3煤,其中2煤是陶枣煤田的主要可采煤层,俗称大槽煤,但在本区范围内尘灭为不可采煤层;太原组含煤15层,编号4~18煤。
其中,厚度≥0.5m的可采或局部可采煤层有5层,即6、14煤、16煤、17煤和18煤,其中6、18层煤为不稳定,局布可采。
二、可采煤层
本区域厚度≥0.5m的可采和局部可采煤层为6煤、14煤、16煤、17煤和18煤。
各可采和局部煤层厚度变化情况详见表1-3-1。
表1-3-1区域可采、局部可采煤层特征一览表
煤层名称
煤 层
夹 石
见煤点厚度
可采范围平均厚度
稳定
程度
结构
间距
层数
两极厚
及岩性
最小-最大
见煤点个数
最小-最大
平均(m)
6
0.4-0.80
(0.5)
0.5
不稳定
简单
39-48
(45)
14
0.7-1.20
(0.98)
0.98
较稳定
较简单
0.05-0.1黄铁矿
泥岩
45-58
55
16
0.4-0.77
(0.55)
0.55
稳定
简单
同上
炭质砂岩
9.6-15
13
17
0.5-0.90
(0.66)
0.66
稳定
简单
分布
0.02-0.06
8-13
9
18
0.32-0.84
(0.5)
0.50
不稳定
复杂
分层夹矸为延平巷
(1)6煤层
位于含煤层上部,三层灰岩之上7.6m,下距14层煤39-48m。
顶板为泥岩,夹薄层石灰岩厚6.9-13.8m,底板为灰色中细砂岩,厚4-8m,平均7.6m。
本层为主可采煤层之一,井田内有17点穿过该层,正常见煤10点,其他因钻探技术上没要求,未计算其该层厚度。
按点计数,可采系数为54%,按面积计算可采系数81%,全层煤厚度变异系数为30%。
煤层厚度0.4-0.8m,平均0.5m,据周边陶庄矿、肖桥煤矿、泰山东矿揭露该层煤,厚度都在0.5-0.8m之间。
本煤层结构简单,属稳定-较稳定可采煤层。
(2)14煤层
俗称小槽煤,位于太原组八灰之下约1.5-3.4m,平均2.7m,上距2煤层(本区尘灭,有层位)82.98-141.86m,平均125.00m;下距九灰12m左右,距十上灰约55m左右。
区域为主要可采煤层,煤层厚度0.72-1.20m,平均0.98m;该煤层多为上下两个分层,偶见三个分层,结构复杂;下分层为主要可采煤层,夹有一层厚0.05-0.10m串珠状的黄铁矿结核,层位相当稳定,可作为14层煤的对比标志层。
顶板为黑灰色页岩及砂质泥岩,含大量植物化石和硫铁矿。
底板为黑灰色页岩及砂质泥岩,含较多的植物根部化石、少量硫化铁结核及透镜体。
局部见天然焦,岩浆岩对煤层影响不大。
(3)16煤层
位于太原组十灰之下,上距14煤45-58m,平均55m,下距17煤层9.6-15m,平均13m。
是区域主要可采煤层,厚度0.40~0.77m,平均0.52m,一般稳定在0.50~0.60m;结构简单,含一层炭质粉砂岩夹矸。
底板大多为中粒砂岩,局部直接底板为黑灰色页岩,砂岩为老底。
在163采区内全区可见,采用见煤点3个,煤层厚度0.47~0.68m,稳定在0.50-0.55m左右;属薄层稳定煤层。
矿采区断层北为本矿161采空区,采空区内该层煤厚度稳定在0.55m左右。
(4)17煤层
位于太原组十一灰之下,上距16煤层13m,下距18煤层9m左右。
区域内主要可采煤层,煤层厚度0.5~0.9m,平均0.66m。
煤层稳定,结构简单。
直接顶板为十一灰(局部相变为砂岩或砂质泥岩,偶有黑灰色页岩为顶板)。
底板为灰黑色页岩及砂质泥岩。
新采区内全区可见,采用见煤点3个,煤层厚度稳定在0.5-0.72m之间,平均厚度0.66m。
在新采区的北部略厚,厚度在0.66-0.82m,结构简单无夹石。
属薄层稳定煤层。
(5)18煤层
位于太原组底部,上距17煤层平均9m,下距十四灰(徐家庄灰岩)一般18m左右,距奥陶纪马家沟组灰岩约50m左右。
区域上为局部可采煤层,厚度0.32~0.84m,平均0.50m,有分层现象,结构复杂。
顶板为砂岩、砂质泥岩或泥岩,易冒落。
底板为粘土岩和页岩,厚2m,遇水膨胀。
第四节 水文地质
一、区域水文地质概况
陶枣煤田北部边界为北山断层,断层走向65°,倾向155°,倾角75°,断距1500-2000m,为正断层。
破碎带主要由泥岩、砂泥岩、石灰岩、断层泥等组成,遇水膨胀,具良好的隔水性;南部边界为含煤岩系露头,地下水为接受地表水及大气降水补给,矿井涌水量受降雨量的影响明显。
各主要含水层的富水性随埋藏深度的增加而逐渐减弱,含水性受岩溶裂隙发育程度影响明显。
陶枣煤田有一百多年的开采历史,区域内古井、老窑密布,矿井开采受老窿积水威胁。
区域含水层大部分为厚度不大的第四系松散层所覆盖,降雨及地表水渗透补给各基岩含水层,通过风化裂隙或构造裂隙各含水层间水力联系。
奥陶系灰岩从南山至煤田边缘面积约230km2,接受大气降水、地表水的补给量最大,在煤田边缘以乘压水形式通过第四纪地层补给其他含水层的风化带,但第四系除局部砂层透水性好、补给条件佳外,一般为粘土及砂质粘土,透水性弱,补给速度慢,故区内含水层一般静储量大而动储量小,从几个矿井对第三、八层石灰岩防水可看出,初期水量很大,但随时间延长水量减弱的趋势明显,以静储量为主。
二、井田水文地质条件
1、概况
各含水层在浅部裂隙岩溶较发育,与地表水、大气降水联系密切,富水性较强,但随埋深增加,其富水性减弱。
本井田矿井充水水源主要为大气降水、地表水、地下潜水、老窿水等,通过含水岩层露头、风化裂隙带、灰岩溶隙及未封闭、封闭不良钻孔、采空冒落裂隙等不同通道进入矿井,造成矿井充水。
北部边界断层北山断层为阻水断层,井田及其附近区域断层由于NNE向新华夏系扭动影响和多次构造活动,多具扭性和张扭性,总的来说断层导水性较差。
2、主要含水层
泰山井田主要含水层有:
第四系冲积层、二叠纪石盒子组奎山砂岩、太原组灰岩、奥陶系灰岩,对矿井有影响的:
第四系松散层、第三层灰岩、第五层灰岩、第八层灰岩、第十层灰岩、第十四层灰岩、中奥陶世灰岩。
(1)第四系砂质含水层
井田内第四系为河湖相沉积,厚度1-16m。
平均9m,假整合于基岩之上,该层以黄褐粘土、砂质粘土及下部砂层组成,组织松散,透水性强,直接受大气降水补给,富水性不均一。
抽水试验最大单位涌水量1.732L/S.m,水质类型多为重碳酸盐型。
(2)第三层石灰岩
厚6.2-16m,平均约9m,致密坚硬、质纯,含隧石,裂隙溶洞发育,裂隙率9.6%,富水性在浅部较强,随埋深增加而减弱,含水性取决于埋藏深度及裂隙岩溶的发育程度。
在裂隙带、破碎带、断层交叉部位及断层影响带,地下水溶蚀作用强烈,利于地下水活动,含水丰富。
抽水试验资料,单位涌水量0.005-1.79L/s·m,渗透系数0.095-24.74m/d。
水质类型为HCO3-Ca·Mg,PH值7.1-7.3,含水类型为孔隙裂隙水。
(3)第五层石灰岩
厚2-3m,平均约2.3m,质纯致密,密易赋存隙岩溶水,但含水量较三灰弱,充水含水层为裂隙岩乘压水类型,单位涌水量0.61L/s.m,渗透系数0.026m/d。
该层不是矿井的直接充水含水层,对矿井充水影响微弱。
(4)第八层石灰岩
厚2.6-5m,平均约3m,是14煤层的老顶,为矿井的直接充水含水层。
在浅部含水较丰富,东黄贝风井浅部揭露此层灰岩见溶洞最大直径达0.8m,-70m见溶洞直径不超过0.4m,-110m以下溶洞渐少,裂隙增多。
表明主要以静储量为主。
据邻区抽水资料,单位涌水量0.12L/s·m,浅层部位裂隙岩溶发育,并与地表水有密切水力联系,其蓄水性随埋深的增加而减弱。
本层含水类型为裂隙岩溶乘压水,浅部水质属HCO3-Ca.Mg型。
(5)第十八层石灰岩
厚4-7m,平均一般约5.6m,是16煤层的顶板,致密质纯,为矿井直接充水含水层。
据浅部水文资料和矿井揭露资料分析,含水较丰富。
黄贝井实测涌水量表明其富水性随埋深增加而减弱,48开孔61m处9=0.68L/s·m,涌水量0.337m3/min,-200m涌以下,第16、20孔9=0.002L/s·m。
本层含水类型为裂隙岩溶乘压水。
(6)第十四层石灰岩
厚9-26m,平均10m,灰白色,致密,此层含水较其它含水层弱,含水类型属裂隙岩溶乘压水。
本含水层距煤系最下18煤层仅18m左右,为本矿重要含水层。
(7)中奥陶世马家沟组石灰岩
厚约800m,是井田基底含水层。
一般赋存较浅时富水性强,深部裂隙不发育富水性较差。
含水类型为裂隙岩溶乘压水。
上距煤系最下部的18煤层约50m。
虽然在矿区内埋藏较深,径流和富水性差,但当受构造因素影响,使奥灰与煤系地层间距变小或对口接触时,会使矿井的水文地质条件复杂化。
太原组含水层厚度与本组厚度比为0.1,组内各含水层因岩性、厚度、埋深及裂隙岩溶发育程度不同而富水性各异。
其共同规律:
浅部岩溶裂隙发育,含水丰富,达到一定深度时(补给水平)随着埋藏深度的增加其富水性逐渐减弱。
在井田及附近区域,断层交叉部位、破碎带、构造裂隙带、强含水层间一般均有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、粘土岩等隔水层和弱隔水层相隔,在正常情况下不会发生水力联系。
各含水层与主要可采煤层的距离见表1-4-1。
含水层与主要可采煤层间距表
含水层
名称
奎山砂岩
6煤
三灰
14煤
16煤
18下煤
14灰
奥灰
间距(m)
140~280
7.6
37
55
22
18
50
3、断层导水性
(1)洪支二断层
从邻区和井巷揭露洪支二断层属压扭性断层,走向,倾向有少量变化,但不透水。
4、水文地质类型
根据以上井田水文地质条件,按矿井水文地质规定分类标准,综合确定本井田的水文地质类型为中等类型。
第五节防水煤柱的 计算
根据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》及《做好------矿井防隔水煤柱专项设计----通知要求》,我矿在认真总结建矿以来矿井水实际状况的基础上,结合周边矿井的开采、水文资料、及我矿断层、构造类型,认为:
最深部矿井边界保护煤柱、断层保护煤柱、14层采空区开采16层煤的安全高度煤柱应认真做好专项设计。
具体如下。
一、设计依据
1、泰山煤矿采掘工程平面图,1:
2000
2、煤矿安全规程
3、煤矿防治水规定
4、泰山煤矿底层、水文地质综合柱状图
二、矿井煤柱设计实际参数
1、矿井最低开采深度H=430m;
2、16层煤厚度m=0.67m;
3、14层煤距16层煤的层间距h=55m;
4、洪村支2断层:
5、矿井西邻的山家林煤矿最高水位线为-150m;
三、矿井边界隔水煤柱、设计计算
分析周边矿煤层、地质及开采情况,唯有矿井西部边界与山家林矿的隔水煤柱是矿井隔水煤柱的重点,(理由:
山家林矿积水水位线高在-150m),为此选定16层煤矿井边界防隔水煤柱。
采用公式:
L=0.5KM=0.5×5×0.67=3.159m
式中:
L-煤柱留设的宽度m
K-安全系数,取5
M-煤层厚度(取采高0.67m)
P-水头压力,根据出界(临矿)实际
16层煤最高点标高为-287m最低点标高-430m
最大水头标高为-157m
最大水头压力=最大水头标高-煤层最低点标高
=-157-(-440)=283m=2.81MP按采矿手册中:
公式
L=0.5km(3P/KP)=0.5×5×0.67×3×2.81/2.37=5.96m
矿井实际留设安全隔离煤柱为20m,满足安全规程要求。
四、洪村支2隔水煤柱计算
采用公式:
L=0.5KM=0.5×5×0.67=3.159m
式中:
L-煤柱留设的宽度m
K-安全系数,取5
M-煤层厚度(取采高0.67m)
Kg-煤的抗拉强度,取2.37Mpa
矿井实际留设安全隔离煤柱为20m,满足安全规程要求。
五、14层采空积水区下开采
16层煤的安全高度计算
根据《建筑物、水体、铁路三下开采地面保护规程》、《煤矿防治水规定》及枣陶地区14、16层煤开采、岩(煤)层变形规定,用“三带”设计计算,16层煤开采的安全高度,14层煤田采后,底板松动为12m/实。
1、垮落带高度计
采用公式:
或
2、裂隙带计算:
hL:
采用公式:
或
取最大值hL=19.9m
3、14层煤底板变形带hR=12m
上述三带之和:
即为16层煤的安全开采高度han
即:
han=hk+hL+hB
=5.22m+19.9+12=37.12m
实际14层煤与16层煤的层间距为55m
即55m>37.12m
设计演算证明开采14层煤积水压下的16层煤是安全的。
综合上述专题设计计算。
泰山煤矿现留的矿井保护煤柱均为20m,断层煤柱是20m,是安全的。
14层煤距16层煤的层间距为55m,层间距大于安全深度,是安全的。