晋城晶鑫煤矿3号煤层资源再回收可行性研究报告.docx
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晋城晶鑫煤矿3号煤层资源再回收可行性研究报告
晋城晶鑫煤矿3号煤层资源再回收可行性研究报告
第一章晶鑫公司3号煤层开采现状
1.1矿井概况
山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司是由原阳城县卧庄煤矿改组成立的股份制公司，属地方国有县营煤矿，始建于1944年，后经1984年改扩建，于1992年投产。
2007年5月25日山西省国土资源厅颁发第1400000722440号采矿许可证，批准晶鑫煤业股份有限公司开采3、9、15号煤层，井田面积5.1324km2；同年11月13日山西煤矿安全监察局核发证号为（晋）MK安许证字[2007]D0174Y181号安全生产许可证给该矿，许可开采3号煤层，许可生产能力450kt/a；2008年1月20日山西省煤炭工业局换发煤炭生产许可证，给该矿所颁煤炭生产许可证证号为201405220221，准采3号煤层，生产能力450kt/a，有效期至2018年1月31日。
晶鑫煤业股份有限公司位于阳城县城北约4km处、凤城镇卧庄村北部，行政区划隶属凤城镇管辖，距晋（城）～阳（城）高速公路约3.5km，向东约40km可达晋城。
阳城县城～町店乡级公路由井田内中部通过，八甲口～芹池的乡级公路由井田内东北部边界附近通过，两公路交汇于井田外北部，经该公路可与陵（川）～沁（水）公路相通；侯（马）～月（山）铁路由井田东界外约3km处通过，各乡村均有公路相连，交通运输条件方便。
井田地理坐标为北纬35°30＇05＂-35°31＇28＂,东经112°23＇49＂-112°25＇58＂。
井田地处太行山西麓沁水盆地南部边缘，为构造剥蚀低山丘陵区，区内沟谷发育，总的地势为中北部高、东南部低，最高点位于井田中东部山梁上，海拔为780.9m，最低点位于井田东南部沟谷中，海拔约620.0m，相对高差160.9m。
该区属黄河流域沁河水系获泽河支流，井田内河流不发育，大小沟谷平时均为干沟，只有雨季时才汇集洪水沿沟排泄，转向东南汇入获泽河。
获泽河位于区域南部，由西向东流经阳城县城于坪头庄东汇入沁河。
井田内西侧有一上李水库，库容量约28000m3，正常水位标高为655m，最高水位标高约为660m，旱季水位标高为645m。
井田内地层走向近于东西向，向北倾伏，地层倾角一般3°～7°，构造形迹主要为较宽缓的褶皱，未发现断层、陷落柱构造，未见岩浆岩侵入，井田构造属简单类型。
从建矿至今，矿井一直开采3号煤层。
3号煤层现准采范围由表1-1所示16个拐点（6°带）连线圈定，南北长2.54km、东西宽1.99km、面积3.404km2，开采标高从670m至570m。
表1-13号煤层井田范围拐点坐标
点号
X
Y
点号
X
Y
1
3933700.49
19626681.47
11
3931910.49
19628671.48
2
3933700.19
19628861.48
12
3931950.49
19628376.48
3
3933420.49
19628861.48
13
3932230.49
19628376.48
4
3933420.49
19628931.48
14
3932230.49
19628181.48
5
3932950.49
19628931.48
15
3932345.49
19628181.48
6
3932950.49
19629171.48
16
3932345.49
19627881.48
7
3932450.49
19629191.48
17
3931950.48
19627881.48
8
3931950.49
19629556.49
18
3931160.48
19627431.48
9
3931300.48
19629921.49
19
3931160.48
19627311.48
10
3931300.48
19626331.49
20
3931850.48
19626681.47
3号煤层位于二叠系下统山西组中下部，厚度5.90～6.55m，平均厚5.98m。
夹粉砂质泥岩或泥岩矸石，呈细条带状结构，玻璃光泽，亮煤为主，镜煤次之，光亮型，煤层稳定，全区可采，结构较简单，一般含O～2层矸石，矸石厚O.07～O.55m。
按中国煤炭分类标准（GB5751-1986），据井下原煤样及钻孔化验资料，井田内3号煤层为特低硫～低硫、低灰～中灰、特高热值之无烟煤，对二氧化碳反应差，浮煤回收率良，热稳定性高，块煤可用于化工企业、冶炼企业及烧砖、石灰用煤，末煤主要用于发电厂、冶炼高炉喷吹及水泥厂配煤和生活用煤。
据调查，本矿自建井以来，未发生过水害事故。
矿井涌水量不大，正常涌水量一般为192m3/d，最大为480m3/d，影响矿井涌水量的主要因素为大气降水及地表水，采空区积水、相邻矿井采空区积水对矿井涌水量影响相对较小。
本矿现采3号煤层，其直接顶板多为灰黑色粉砂岩或细砂岩，局部为砂质泥岩、泥岩，老顶一般为厚层状中、细粒砂岩，厚约8.02m，常有薄层炭质泥岩或泥岩伪顶，伪顶厚0～O.20m。
据位于本井田北部的大宁煤矿井筒工程勘探验证孔资料，砂岩比重一般为2.65～2.81g/cm3，单轴饱和抗压强度为18.0～78.80MPa，属较软岩～坚硬岩，抗拉强度为2.O～6.10MPa，砂岩力学强度较高，稳定性较好；泥岩类顶板强度相对较低，易产生变形或破坏。
底板为黑色泥岩，一般厚1.83m，泥岩比重为2.61～2.70g/cm3，单轴饱和抗压强度为8.40～47.20MPa，属软岩～较坚硬岩，抗拉强度为0.70～3.20MPa，稳定性较差。
据山西省煤炭工业局晋煤安发[2007]2030号文关于晋城市所属煤矿矿井2007年度30万吨/年及以上煤矿矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定结果的批复：
晶鑫实业卧庄坑口3号煤层三旬中最大一天的涌出量：
CH4总量为3.93m3/min，C02总量为3.55m3/min，CH4相对涌出量6.25m3/t，C02相对涌出量5.64m3/t，批复矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。
据山西省煤炭工业局综合测试中心2008年9月26日对本矿3号煤层井下原煤样煤尘爆炸定性分析，火焰长度为Omm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量（％）为O，煤尘云最低着火温度为960℃，煤尘层最低着火温度为>400℃，鉴定结论为煤尘无爆炸性。
据山西省煤炭工业局综合测试中心2008年9月26日对本矿3号煤层井下原煤样自燃倾向性测试，结果为：
煤的吸氧量（cm3/g）为1.20，自燃倾向性等级为Ⅲ，自燃倾向性为不易自燃。
现井田内无其它小煤矿开采。
井田东北部为山西阳城泰晟煤业有限公司，西北部为山西阳城汉上煤业有限责任公司，东部为山西晶鑫实业股份有限公司清林沟煤矿，西部与南部无其它煤矿与之相接，四邻关系较简单。
据调查和矿方介绍，相邻矿井目前未有勾通、越界开采情况。
1.2现生产系统
该矿采用斜立井综合开拓，现有井筒情况见表1-2。
表1-2井筒特征表
名称
项目
主井（斜）
副井1（斜）
副井2（立）
风井（立）
坐标
X
3931631.000
3931684.544
3931562.050
3932641.920
Y
19627650.000
19627729.517
19627405.120
19627832.489
井口标高（m）
706.640
704.660
720.560
721.784
断面积（m2）
14.2
8.1
7.07
7.07
倾角（°）
20
16
90
90
斜长/垂深（m）
320
300
83
113
断面形状
半圆拱
半圆拱
圆形
圆形
支护形式
砌碹
砌碹
砌碹
砌碹
主副斜井落底后沿走向中部近南北方向布置有胶带大巷、轨道大巷和回风大巷，大巷两侧布置工作面。
在矿井发展过程中，采煤方法经历了巷柱——刀柱——长壁的变革，回采工艺经历了炮采——机采——综采的发展，现资源再回收试采工作面采用综采放顶煤回采工艺。
3号煤层主要生产系统情况如下：
矿井通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式，现有FBCDZ-N019型轴流式风机两台，一台工作，一台备用，供风能力达6000m3/min。
矿井已安装了瓦斯安全监控系统，建立了完善的防尘、消防系统。
该矿井下建立有独立完善的排水系统。
井下实际正常涌水量192m3/d，最大涌水量480m3/d。
主斜井底设有主、副水仓，容量分别为600m3、400m3。
水泵房内安装有三台5DA-8×7型水泵，功率均为75KW，一台工作，一台备用，一台检修；工作面安装有一台BQW30—60-7.5KW型临时水泵；采区水仓安装有两台5DA-8×3型水泵，功率均为37KW；矿井涌水经临时水泵排至采区水仓再排至主水仓。
井巷中铺设有无缝钢管两趟，作为井下排水的工作、备用水管，矿井涌水经以上排水管排至地面污水处理厂。
该矿现采用双回路电源供电，其中一回来自卧庄35kV813线路，另一回来自町店北庄35kV532线路，一回路使用，一回路备用，可满足矿井安全生产要求，同时还配有柴油发电机组作为备用电源，有力的保证了矿井的正常生产。
该矿主斜井采用皮带提升，井筒内安装有皮带输送机和架空乘人装置，铺设有台阶扶手，担负矿井的主提升和上下人员任务；副斜井采用单钩串车提升，铺设有台阶，担负矿井的辅助提升，并作为进风井和安全出口；风井井筒内设有转梯，作为矿井的回风井和安全出口。
1.33号煤层资源状况及资源再回收的意义
1.3.13号煤层资源现状
本矿1944年建井后一直开采3号煤层，至今已经开采了66年，3号煤层的实体资源已经枯竭。
回顾矿井发展历程，在年以前主要采用巷柱式开采，开采面积约km2，回采率约为15%；在年以前主要采用刀柱式开采，开采面积约km2，回采率约为30%；在年以后开始采用长壁式开采，开采面积约km2。
在整个井田中，以前采用巷柱和刀柱开采的面积约1.05km2，占3号煤层全部面积的30.85%，大约仍然保有资源储量7.765Mt。
1.3.2资源再回收的经济效益
若对这部分资源进行再回收，以回收率70%计，可采出资源5.435Mt，按平均销售价格500元/t计，可获得销售收入27.175亿元；按纯利润300元/t计，企业可获得利润16.3亿元，经济效益巨大。
1.3.3资源再回收的社会意义
若对这部分资源进行再回收，按现在450kt/a生产规模计算，可以延长矿井服务年限9.3a，使企业再稳定发展10a，对促进本企业健康发展、保障本企业职工利益、保障当地社会稳定与和谐具有重要的意义。
本矿3号煤层为特低硫～低硫、低灰～中灰、特高热值之无烟煤，对二氧化碳反应差，浮煤回收率良，热稳定性高，属宝贵的国家稀缺资源。
其块煤可用于化工企业、冶炼企业及烧砖、石灰用煤，末煤主要用于发电厂、冶炼高炉喷吹及水泥厂配煤和生活用煤。
对本矿3号煤层旧采区进行资源再回收，既是对国家稀缺资源的有力保护，也可稳定向这些企业供应优质资源约10年，这对促进地方经济健康发展、保障地方经济和人民收益以及社会稳定、和谐具有重要的社会意义。
鉴于3号煤层煤质优良，经济价值远远高于15号煤层，若将这些储量弃之不采，不仅不利于企业现在的发展，而且开采15号煤层以后这些资源将被永久破坏，无法再开采出来，这将是对国家稀缺资源的极大浪费，是对人类发展的不负责任！
因此，再回收这些宝贵的资源，我们责无旁贷。
第二章3号煤层资源再回收技术方案及开采情况
2.1资源再回收试采工作面概况
根据晶鑫煤矿3号煤层储量动用情况，资源再回收试采工作面选在3105回采工作面。
2.1.1井下位置及对应地表情况
3105工作面位于井田北部，东以井田边界煤柱与清林沟矿区相接，南以区段隔离煤柱与3109采空区相隔，西与胶带运输大巷相连，北达矿井北部边界。
3105回采工作面长160m，顺槽长度470/440m，面积72800m2。
该工作面煤层底板标高595-610m，对应地表为农田、无地物，地面标高为727.9-780.9m，煤层埋深132.5-170m。
2.1.2煤层赋存情况
根据3105工作面运输巷、回风巷和开切眼掘进巷道探煤情况以及139钻孔情况推断，工作面内煤层平均厚度约为5.4m；该面煤层结构简单，赋存稳定，倾角4-5°；煤层走向近东西，倾向南，硬度为f=3-4。
2.1.3水文情况
3105工作面现采３号煤层，主要充水因素为煤层顶板淋水及老巷渗透积水。
据区域资料显示，富水性弱，涌水量为4-10m3/h。
奥灰水位标高+572.85m，在３号煤层之下，对3号煤层开采无影响。
大气降水通过３号煤上覆基岩裂隙及松散堆积物孔隙在裂隙沟通的情况下进入矿坑，成为矿坑充水的间接但重要的补充来源。
矿坑涌水量受降水的季节变化影响，具有明显的动态变化特征。
矿区位于沁水盆地南缘，地貌类型属侵蚀中低山区，区内地形南高北低，冲沟发育，属黄河流域沁河水系获泽河支流。
区内无大的地表水体，井田内河谷为季节性河流，大雨之后有短暂的洪流出现，平时干枯，对开采影响不大。
2.1.4其他开采技术条件
本矿为低瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量6.37m3/t，绝对涌出量5.87m3/min，本面参考值0.97m3/min；CO2相对涌出量4.36m3/t，绝对涌出量4.02m3/min,本面参考值0.66m3/min。
3号煤层煤尘无爆炸危险性,属不易自燃煤层，井田内及周围没有地温和地压异常现象,属地温和地压正常区。
2.1.5储量及服务年限
该工作面推进长度410m，面长160m，平均采高2.2m，放顶煤高度3.2m，采放比1:
1.45，工作面机头机尾共6架长7.5m（6×1.25）原则上不放顶煤，工作面初次来压（20m）前及停采线前5m范围内也不进行放顶煤工作;煤层视密度为1.45m3/t，工业储量为514kt，可采储量为450.3kt，工作面服务年限为13.7个月。
2.2资源再回收开采技术方案
2.2.1巷道布置方案
现有井筒、大巷及其装备基本能够满足资源再回收生产要求，为节省资金，直接加以利用。
工作面采用一面两巷布置，两顺槽巷道均从矿井皮带运输大巷开口，向东掘进至井田东部边界，沟通形成回采系统。
运输顺槽为梯形，上宽2.2m，下宽2.5m，高2.2m，断面积为5.17m2，采用木棚支护。
在巷道北帮上部悬挂两趟电缆、下部悬挂一趟DN50压风管路和一趟DN50防尘管路、两趟乳化液管路（进、回液），顶部悬挂若干通讯、信号、照明、监控等电缆。
用于工作面的进风、行人、运煤。
回风顺槽为梯形，上宽2.0m，下宽2.3m，高为2.3m，断面积4.95m2，采用工字钢棚支护。
在巷道的北帮悬挂一趟DN50压风管路、一趟DN50防尘管路、一趟乳化液进液管路和若干调度绞车电源、信号、通讯电缆。
用于工作面回风、行人、运送材料。
2.2.2工作面回采工艺及装备
鉴于资源再回收工作是在原旧采采空区内进行，煤层及顶板的完整性已经遭到破坏，为了确保回采工作面各项工作安全进行，选用综采放顶煤回采工艺。
采煤机采用端头斜切进刀方式，双向割煤，液压支架及时支护顶板。
回采工艺流程:
采煤机割煤→移架→推前部输送机→放顶煤→拉后部输送机。
经选型计算，3105工作面配备设备如表2-2-1。
工作面采用ZF2800/16/24型液压支架支护顶板，支架工作阻力2800kN，最小支撑高度1.6m，最大支撑高度2.4m。
工作面机头机尾各采用３架ZFG3200/18/26型端头支架支护，该支架工作阻力为3200kN，支架外侧至顺槽煤壁采用DZ25型单体液压支柱配合2.8m∏型钢梁对梁支护。
工作面顺槽超前支护采用DZ25型单体液压支柱配合2.8m∏型钢梁双排支护，支护距离自工作面煤壁起不少于20m。
工作面最大控顶距3.9m，最小控顶距3.3m，移架步距0.6m。
使用地点
设备名称
规格型号
数量
单位
工
作
面
采煤机
MG150/368-WD
1
台
液压支架
ZFG3200/18/26
6
架
ZF2800/16/24
123
架
刮板输送机
SGZ-630/220
2
部
∏型长钢梁
L=2.8
70
根
运输顺槽
转载煤溜
SGB-630/75
1
部
胶带输送机
SPJ-800
1
部
转载煤溜
SGB-620/40T
1
部
硐
室
乳化液泵
BRW200/31.5
2
台
乳化液箱
X10RX
1
个
喷雾泵
BPW250/5.5
2
台
移动变压器
KBSGZY-1000-6/1.14
1
台
回风顺槽
调度绞车
JD-11.4
2
台
表2-2-1 3105综放工作面机械设备配备表
2.3资源再回收工作面推进情况及发现的问题
截止目前，3105工作面已推进170余米，生产状况比预计的顺利，没有发生任何安全问题。
生产实际表明，利用先进的综采放顶煤装备，采取适宜的工艺方式和参数，并辅之以恰当的安全技术措施，对3号煤层旧采遗留资源进行再回收在技术上是完全可行的，在经济上是完全合理的，在安全上采取积极的措施后也是完全可靠的。
根据3105工作面的采掘实践，发现下列问题尚需进一步研究解决：
1、旧采区域煤层顶板状况及其活动规律尚不清楚。
2、旧采区域遗留煤柱的应力状况及其影响范围尚不清晰。
3、回采工作面工艺参数尚需优化。
4、尚无有效的防治回采工作面端面漏冒措施。
5、尚无可靠的回采工作面末采技术方案。
6、采空区瓦斯、积水的处理措施尚待进一步完善。
7、顺槽掘进时漏顶空帮现象难以处理。
第三章厚煤层条件下资源再回收应解决的主要技术问题
3.1复采前的顶板现状
3.1.1煤柱赋存现状
3号煤层平均厚度为6.0m左右，由于受开采工艺及装备水平的限制，过去一直采用房式、房柱式采煤方法进行回采。
回采时，巷道沿煤层中部掘进，采高约3m，留设顶煤约2m，留底煤约0.8m。
采该矿自建矿以来，采煤方式主要有掏帮、扩帮（包含2种）和采三角煤的四种开采形式，见图3-1-1、3-1-2、3-1-3、3-1-4。
因此，在3号煤层形成若干大小不一、形状各异的煤柱。
由于开采年代久远，加之顶板压力的作用，目前残留顶煤及直接顶、老顶大部分垮落。
图3-1-1掏帮开采示意图
3.1.2顶板类型
据前分析可知，复采长壁工作面中会遇到各种各样，走向不同、宽度不一的煤柱。
根据上述煤柱残留现状，复采时长壁工作面顶板情况会出现下述5种顶板类型：
1）正常情况下顶板状态。
所谓正常情况是指在3号煤层旧采时期，由于某种原因某一区域遗留下大面积的实体煤，复采长壁工作面在这部分实体煤内布置，此时，工作面顶板较完整，此种类型的顶板与正常回采情况一致，见图3-1-4，本次研究不作为重点。
2）旧采时期遗留顶煤在开采过程全部采出，这种情况下，复采工作面只有旧采时期遗留下的底煤，采空区被垮落的矸石充满，此种情况顶板状态见3-1-5。
3）旧采时期遗留顶煤在开采过程中未被采出，遗留顶煤随同顶板一起垮落充填采空区，此种情况顶板类型与第二种类型相似。
顶板状态见图3-1-6。
4）旧采时期遗留下的煤柱区，由于煤柱承受顶板压力在煤柱中出现应力集中，此种情况顶板状态与正常情况下基本相同，但围岩应力不同。
顶板状态见图3-1-7。
5）复采工作面位于旧采时期遗留下的两煤柱之间，煤柱走向与工作面垂直或斜交，遗留顶煤、直接顶已经垮落，但老顶并没有断裂在两煤柱之间形成悬空区，顶板与煤柱形成外伸梁或简支梁力学结构。
此种情况顶板状态见图3-1-8。
图3-1-2扩帮开采方式一示意图
图3-1-3扩帮开采方式二示意图
图3-1-4采三角煤开采示意图
图3-1-5正常情况下顶板状态
图3-1-6顶煤及时垮落情况下顶板状态
图3-1-7顶煤与矸石垮落情况下顶板状态
图3-1-8复采面过煤柱时顶板状态
图3-1-9顶板悬空时顶板状态
根据上述五种顶板类型结合3号煤层实际赋存情况分析，复采工作面位于第一种顶板类型下开采情况与正常开采时顶板围岩受力相似，不作为本次研究重点；工作面位于第二种顶板类型下开采时，工作面支架与煤壁、顶底板的关系会出现3种情况：
①遗留底煤厚度小于支架最小支撑高度，上覆岩层全部为垮落矸石，称为半煤碎顶状态，如图3-1-10a所示。
②遗留顶煤厚度与支架的支撑范围大致相同，顶板为垮落矸石，称实煤碎顶，如图3-1-910所示。
③遗留底煤厚度严重小于支架最低支撑高度，顶板全部为垮落矸石，称半煤卧底状态，如图3-1-10c所示。
工作面顶板为第三类型下开采时，工作面支架与煤壁、顶底板的关系为图3-1-10e所示，即与支架接顶的是旧采时遗留的顶煤。
工作面位于第四、五种顶板类型下开采时，工作面支架与煤壁、顶底板的关系为图3-1-10d所示的煤柱下开采情况。
工作面位于上述五种顶板类型下开采时，均可能出现如图3-1-10f滑帮碎顶的情况，即工作面煤壁出现偏帮滑落而形成的工作面状况。
图3-1-10支架与煤壁、顶底板关系图
3.1.3小结
该矿受旧采开采形式（掏帮、扩帮和采三角煤）的影响，在3号煤层中形成面积大小不同，形状各异的采空区；在煤层中遗留宽度不同、走向各异的煤柱。
据此，复采工作面顶板将会出现图3-1-5~3-1-9分析的5种顶板状态。
根据对复采工作面顶板类型及煤层厚度分析，工作面支架与煤壁、顶底板的相互关系出现（图3-1-10）6种情况。
通过对顶板现状及支架与煤壁、顶底板关系的分析，为下面研究提供依据。
3.2复采工作面围岩破坏及应力分析
3.2.1顶板围岩活动情况分析
1、岩性机理分析
岩石是兼有弹性和塑性的材料，岩石受力后弹性变形和塑性变形往往同时出现，在高压三向应力的作用下，岩石的塑性变形范围很大，且脆性岩石在高压三向应力的作用下也能表现出很大的塑性变形。
随着侧向应力的增大，岩石的极限强度和残余强度也随之增大。
该矿3层煤伪顶为炭质泥岩，直接顶为中粒砂岩，老顶为粉砂岩，碎胀系数在1.4～1.8左右，单轴抗压强度在32.212MPa左右，单轴抗拉强度在2.429MPa左右，在采空区上方冒落的矸石块度大都在0.8～150m3左右，且下部块度较小，上部块度较大，这些块度较大的矸石可以较快地充实采空区，并支撑其上部没有冒落的顶板，由于这些块度较大的矸石的抗压强度较大，被受压变形破坏后具有较高的残余强度，在顶板周期来压之前，仍可同煤壁一起对上部顶板产生支撑作用。
2、冒落机理分析
该矿3号煤层顶板为中粒砂岩、粉砂岩，较为完整，属于隔水性较好的中硬岩层，厚度在13~21m，平均厚度15m。
按冒落带最大高度（相当于冒落带岩层厚度）的经验计算公式：
式中 M—采高，m。
按最大采高3.5m计算冒落带最大高度Hi=12.0m。
按冒落矸石碎胀充填后计算冒落带高度
式中 M——采高，m；
K——碎胀系数。
顶岩碎胀系数K=1.40~1.80,M=3.5m，依此计算冒落带最大高度Hi=5.8m。
根据以上计算，可以推断：
晶鑫煤矿3号煤层采空区冒落带高度在Hi=5.8~12.0m之间。
3、裂隙机理分析
煤矿生产的实践表明：
在采空区上方的某个高度，该处岩层可形成一种“本身能够平衡，并且把自身及其上部岩层的重量加到周围岩体及冒落矸石上的”平衡结构。
根据上述论断分析：
按关于裂隙带岩层的预成裂隙假说，晶鑫煤矿3号煤层采空区内，在5.8~12.0m冒落
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