四采区3上煤设计.docx

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四采区3上煤设计

前言

济宁三号煤矿是一座年设计能力为500万吨的特大型矿井，2000年12月28日正式投产。

投产时移交一采区、四采区、六采区共三个采区，其中四采区3下煤共布置5个工作面，最后一个面43下04工作面于2004年5月29日回采结束。

按照矿井初步设计,该采区3上煤暂缓开采。

考虑到该采区3下煤已回采结束二年左右的时间，根据山东科技大学采矿研究所关于《兖矿集团济三煤矿3上、3下煤上行开采可行性研究论证报告》，结合该采区3上煤43上03工作面试采情况，经矿研究确定，尽快进行该采区3上煤的开采工作。

一、设计依据

1.兖州煤业股份有限公司审批的该采区3上煤扩大范围后地质说明书。

2.《济宁三号矿井初步设计》（优化版1997.2）、《济宁三号矿井精查地质报告》。

3.《煤矿安全规程》国家安全生产监督管理局（国家煤矿安全监察局）2004年10月18日公布。

4.《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215—94）。

5.《兖州矿业（集团）有限责任公司采区设计方案、采区设计、综合机械化采煤（含综合机械化放顶煤）工作面设计和采掘作业规程管理办法》（兖矿集团生发[1998]928号）。

6.《兖州煤业股份有限公司采区设计方案和采区设计编制、审查补充管理规定》（兖煤股生技发[2005]129号）。

7.《兖矿集团济三煤矿3上、3下煤上行开采可行性研究论证报告》（山东科技大学采矿研究所）。

二、设计的指导思想

坚持安全第一的方针，以资源条件为基础，以经济效益为中心，选择合理的采掘工艺及先进的采掘装备，确保矿井取得最大的经济效益。

三、设计的技术特点

1.扩大了采区范围。

将十二采区F8断层以西C4—13钻孔附近小范围3上煤层划为该采区一同进行开采。

2.采用上行开采顺序。

该采区3下煤已大部份回采结束，根据山东科技大学采矿研究所关于《兖矿集团济三煤矿3上、3下煤上行开采可行性研究论证报告》，结合该采区3上煤43上03试验工作面的采掘情况，确定可以进行该采区3上煤的开采工作。

3.不再留设断层煤柱，提高了煤炭资源回收率。

原《济宁三号井初步设计》规定留设断层煤柱原则为：

断层两侧按落差和煤柱宽度1:

1各留一定煤柱,落差≥100m的断层两侧各留100m煤柱，落差50∽100m的断层两侧最大各留50m煤柱，落差20∽50m的断层两侧最大各留30m煤柱，落差10∽20m的断层两侧最大各留20m煤柱。

根据矿井生产及掘进期间揭露的断层情况，确定本采区所有断层均不留断层煤柱。

第一章采区概况及地质特征

第一节采区概况

四采区位于矿井东区的中部，地表位于工业广场以北，井下东起F8断层与二采区（未准备）相邻，西至八里铺东断层与六采区（生产采区）相接，北部为十二采区（正在准备），南靠井底车场。

采区东西宽1～1.2km，南北长1.6～1.8km，面积约2.05km2。

3下煤层全区发育，3上煤层在采区西北部冲刷无煤，无煤区东西宽约0～0.9km,南北长约0～1.1km,近似三角形，面积约0.66km2。

由于十二采区F8断层以西C4—13钻孔附近覆存小范围3上煤层，故将该范围3上煤层划为该采区一同进行开采。

四采区3上煤层扩大后的面积为1.63km2。

四采区地面标高+33～+36m，目前地面大部分为3下煤层采后塌陷区，塌陷区目前最大下沉约3.84m,部分为农田，幸福河自东北向西南贯穿整个采区地表与南阳湖相连。

矿区公路位于采区地表中部，矿区两路高压线于采区地表东部南北向经过本区，采区北部有村庄受采动影响。

区内共有钻孔11个（C5—3、C5—15、C6—4、C6—5、C6—14、C7—4、C7—5、C7—14、C8—4、C8—5、C8—6），其中揭露3上煤层的10个，封闭质量合格。

附近有钻孔C8—7、C7—18、C7—6、C6—6、C6—3、C5—4、159、161，其中161、159、C7—4三孔精查报告确定为封闭不良，分别于1998、1999、2000年由兖矿地质公司重新启封。

C8—5孔位于工业广场保护煤柱内，J3底界面未封闭，C8—7孔位于采区西南角八里铺东断层保护煤柱内，Q底界与J3顶部未封闭两孔精查报告确定为封闭质量基本合格，但两孔均位于3上煤层冲刷无煤区，对3上煤层开采无影响。

1983年底在普、详查的基础上于提出了《山东省济宁煤田三井田精查地质报告》1993年底对一、四、六三个达产采区进行了二维地震补充勘探，查明了区内落差大于10m的断层，目前四采区已回采5个3下煤层工作面，3下煤层富存条件及构造发育状况控制程度较高，3上煤层富存条件及构造发育状况相应得到进一步控制。

四采区3下煤层全区发育，43下00、43下01、43下02、43下03、43下04五个工作面已回采结束，采区内工作面动用储量1042.63万t,采出量851.05万t。

煤厚4.98～7.26m平均6.67m,底板标高-500～560m，倾角0～11°，五个工作面总面积1.13km2揭露断层49条，采区3下煤层断层平均43.36条／km2，其中落差大于5m的8条。

四采区3下煤层回采过程中43下01工作面最大涌水量126.36m3／h，其它工作面均未出现较大涌水，正常涌水量在3～30m3/h之间；采区最大涌水量130.53m3／h，正常涌水量在20m3/h左右。

第一节采区地质及煤层特征

一、采区地层

采区地层自上而下分为：

第四系、侏罗系上统蒙阴组、二迭系上统上石盒子组、二迭系下统下石盒子组、山西组、石炭系上统太原组、石炭系中统本溪组及奥陶系中、下统，现分述如下；

1.第四系（Q）

厚162.8～195.2m，平均181.6m。

由粘土、砂质粘土、砂及砂砾层组成，按岩性及物性特征可分为Q上、Q中+Q下二段。

（1）Q上段：

以黄、灰黄色夹少量灰黑色粘土、砂质粘土及细、中砂为主，局部夹薄层粘土质粉砂，有时为灰及灰绿色，厚度约为70m。

（2）Q中+Q下段：

由灰绿、灰白色及黄色砂砾、粘土质砂砾、粘土、砂质粘土等组成，上部偶夹少量黄、灰黄色粘土、砂质粘土，厚度约为123m。

第四系属河湖相沉积，与下伏地层呈不整合接触关系。

2.侏罗系上统蒙阴组（J3m）

残厚155.0～231.9m，平均195m，主要为紫色、暗紫色中、细粒砂岩，顶部含较多的粉、细砂岩，且常夹有灰及灰绿色岩层。

本段中、上部侵入有灰绿色辉长岩层状侵入体，厚39.3～93.1m，平均59m。

主要为角闪辉长岩及橄榄辉长岩等，主要矿物为基性斜长石（拉长石）和暗色矿物辉石、橄榄石及黑云母等；副矿物有少量磷灰石及磁铁矿。

岩浆岩顶、底部及其邻近的砂岩内生裂隙较发育，砂岩受岩浆烘烤变硬变脆，颜色变浅或呈烟灰色，形成含水段。

下部常发育一层砾岩，杂色，成分主要为石英、长石、石灰岩等；铁泥质胶结，质坚硬，裂隙发育，透水性较好，构成侏罗系主要含水段。

3.二迭系石盒子组（P21）

厚45.4～128m，平均59m，主要由浅灰、灰黄、灰绿及紫红色等的铝质泥岩、粉砂岩及灰绿色砂岩组成，上部厚层状灰白色石英砂岩作为区域对比的标志。

下部为灰至浅灰色砂岩夹深灰色泥岩、粉砂岩，底部以不稳定的厚层状砂岩与山西组分界，含较多植物化石。

4.二迭系下统山西组（P11）厚95.35～182.3m，平均113.6m，为主要含煤地层，主要由灰白色至灰绿色砂岩、杂色、深灰色、灰黑色泥岩、粉砂岩及煤层组成。

上部以杂色、深灰色粉砂岩为主，夹灰及绿灰色中、细砂岩薄层，中下部以灰～灰白色中、细砂岩为主，底部多为砂泥岩互层，偶见泥质包体；发育波状层理、斜层理等。

含煤2层（3上、3下），以3下煤层为主采煤层，厚度4.98～7.25m，平均6.67m；3上煤层厚度0～2.43m，平均1.29m，局部受河流冲刷缺失。

本组粗碎屑颗粒含量比例较高，以三角洲沉积为主。

3上煤层顶板砂岩及3下煤层的顶底板砂岩含水裂隙发育，构成本组主要含水层段，与下伏太原组地层连续沉积，太原组顶部的海相泥岩是其分界面。

5.石炭系上统太原组（C3）

厚163.95～179.75m，平均173.6m，主要由深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、灰色砂岩、灰至灰褐色铝质泥岩、薄层石灰岩及煤层组成。

含石灰岩十层（二、三、五、六、七、十上、十下、十一），八、九、以三、十下灰最为稳定，是煤岩层对比的良好标志层。

含煤17层（6、8上、8下、10上、10下、11、12上、12下、14、15上、15下、16上、16下、17、18上、18下、19），可采与零星可采5层，其中16上煤层全区可采，17煤层大部可采，6、10下、15上煤层零星可采，厚度大部在0.60m以上；其它煤层区内均无可采点。

本组地层主要为过渡相及浅海相沉积，相环境稳定，旋回结构与粒度韵律清晰，易于对比，与下伏本溪组地层连续沉积，富含海相动物化石和植物化石。

6.石炭系中统本溪组（C2）

厚约50m，主要由杂色粘土岩、铝质泥岩及薄层石灰岩组成。

含石灰岩二层（十三、十四灰），厚度较大，分布较稳定，为良好标志层。

本组底部常为一层浅灰色为主、夹紫红色的铁铝质泥岩，相当于G层铝土岩或山西式铁矿层，与下伏奥陶系地层呈假整合接触关系。

7.奥陶系中、下统（O1~2）

主要为灰及棕灰色厚层状石灰岩、豹皮状灰岩夹泥灰岩及钙质泥岩等，岩溶较发育，为开采下组煤的主要充水含水层，据兖西水源勘查资料，总厚可达742m。

二、煤层及煤质

1.煤层

3上煤层位于山西组中部，上距B层铝土岩约65.08m，在采区西北部冲刷无煤，面积约０.66Km2。

标高-510～-540m，煤层厚度0～2.43m，平均1.29m。

可采范围内煤厚0.70～2.43m，平均1.48m，3上与3下煤层间距32.49～51.12m，平均38.62m（C6-5剔除），见表1－1。

含夹矸0～2层，岩性为泥岩。

采区内11个钻孔中1个钻孔3上煤层冲刷，使3上煤层部分冲刷缺失，主要是在成煤物质聚集后顶板岩石形成过程中，受到河流冲刷所致，冲刷区域与正常煤厚之间变化急剧，可采性指数0.89，全区煤厚变异系数0.47，可采范围煤厚变异系数0.27，为较稳定煤层。

煤层结构简单，煤层顶板为泥岩或粉砂岩，煤层底板为泥岩。

3下煤层位于山西组下部，下距6煤层平均35.23m，四采区3下煤层全区发育为较稳定煤层。

煤层结构较简单，局部含夹矸一层。

目前，43下00、43下01、43下02、43下03、43下4五个工作面已结束回采，煤厚4.98～7.26m，平均6.67m,底板标高-500～560m，倾角0～11°。

表1－1煤层间距

C5-3

C5-15

C6-4

C6-5

C6-14

C7-4

C7-5

C7-14

C8-4

C8-5

C8-6

3上煤厚

1.43

1.02

2.43

1.51

1.55

1.35

2.07

1.55

1.17

0.76

1.45

3下煤厚

6.88

7.20

6.62

7.17

7.26

5.45

7.02

6.28

5.64

6.82

6.87

间距

38.57

40.57

35.00

断薄9.87

32.49

51.12

32.86

33.84

44.99

34.65

42.12

2.煤质

3上煤层按中国煤炭分类标准为QM45。

黑色以亮煤为主，暗煤次制之，沥青-玻璃光泽，裂隙发育。

硬度1.35，视密度1.38。

灰、硫、磷等有害成分含量低，结焦性能好。

发热量23.87-30.56MJ/Kg,是良好的动力用煤和炼焦用煤。

主要煤质指标如表1-2：

表1-2主要煤质指标

M（%）

A（%）

V（%）

Q（MJ/kg

S（%）

Y（mm）

2.53

15.58

38.07

27.75

0.66

11.8

三、采区构造

四采区采3上煤层埋深在495m～540m之间，南部浅，北部深。

整体为八里铺东和F8两边界断层形成的地垒构造，煤系地层总体为一向北西倾斜的单斜构造，地层倾角一般2°～5°，因受断层牵引影响，局部倾角较陡，可达8°，采区北部形成以C5-3为中心的宽缓向斜。

依据3下煤层采掘过程中实际揭露资料分析，3上煤层中落差大于等于3m断层16条，全为正断层，其中落差大于50m的2条，10～20m的2条，5～10m的7条，3～5m的5条。

因受区域构造影响，采区东西两侧断裂构造以近南北向为主，区内断层多为北西向，构成采区构造的主体，并控制了煤层的主体形态。

本采区地质构造条件属中等类型。

主要断层主要特征简述如下：

1.F8断层

采区东部边界断层，贯穿采区南北，正断层，落差0～110m，倾角70°，走向近南北，倾向东，错断层位为J3～O2，断层向北进入十二采区，向南逐渐尖灭。

采区的北部落差较大，大于100m。

该断层在3下煤层回采过程中进行了井下钻探，程度控制较高。

2.八里铺东断层

为采区西部边界断层，贯穿全区，正断层，总体走向近南北，沿走向多曲折，倾向西，倾角68°，落差45～56m。

错断层位J3～O2，断层向北进入十六采区，向南延入五采区。

3.断层发育规律

八里铺东、F8断层是采区构造重要控制性断层，其余断层均小于20m，且多为小于10m的小断层。

总体上落差与长度呈正相关关系，即落差越大，延展长度越长，但个体间也有差异，差长比24～127。

采区内断层的发育具有明显的方向性，在两边界大断层的控制下，小断层的展布方向也具有很好的规律性，以NNW向断层最多，其次是NW向，近东西向极少。

断层统计见表1-3。

表1-3采区3上煤层H≥3m以上断层统计表

断层名称

性质

落差（m）

产状

区内延

展长度

（m）

走向（°）

倾向（°）

倾角（°）

≥50m

正

0～110

近SN

八里铺东

正

45～56

近SN

≥20m

F8支

正

0～20

120

KF7

正

0～20

N～NNW

1090

5～10m

KF8

正

0～8

740

SF66

正

0～8

近SN

850

SF79

正

0～7.5

NNW～NW

SSW～SW

1300

SF24

正

6.5

NNW

200

SF30

正

6.0

JF65

正

0～5

370

SF190

正

5.0

NNW

3～5m

SF198

正

4.5

NNE

SF29

正

4.0

SF36

正

4.0

NW～NNW

SF186

正

3.0

NNW

SSW

SF196

正

3.0

SSW～W

第三节采区水文地质条件

一、相邻采区及本采区实见水文地质情况

四采区东西分别与二、六采区相邻，南北与三、十六采区相邻。

目前、六采区正在开采3下煤，二、三、十二采区为未生产采区。

1.一采区：

位于三采区以东，目前已回采结束5个3下煤工作面，1个工作面正在生产。

主要的涌水水源为红层及3煤顶部砂岩。

红层含水丰富，含孔隙裂隙型水，所含水以静储量水为主；3煤顶部砂岩含裂隙水，含水不均一，富水性一般。

二者在工作面回采过程中最大涌水量533.84m3/h（13下01工作面），对工作面安全回采影响较大。

2.六采区：

已回采4个工作面，1个工作面正在准备。

主要的涌水水源为3煤顶部砂岩。

3煤顶部砂岩含裂隙水，含水不均一，富水性较好，在工作面生产过程中表现为突发性和多发性，最大涌水量527.13m3/h（63下01工作面），对工作面安全回采影响较大。

3.四采区：

目前四采区3下煤已回采5个工作面，总面积1.13km2。

涌水水源为3煤顶部砂岩，富水性一般，所含水以静储量为主，最大涌水量126.36m3/h（43下01工作面），对生产的影响程度一般。

综合本采区及相邻采区3下煤开采时的涌水资料，分析认为，红层向工作面涌水时涌水量大，且稳定，区域性强；3煤顶部砂岩富水性一般，但不均一，具突发性和多发性特点，在各区域均有涌水。

二、煤3上水文地质条件

1.主要含（隔）水层

第四系砂砾含水层：

第四系平均厚181.6m，按颜色、富水性等特征分上下两组。

据Q下-1号孔资料，第四系下组单位涌水量0.045L/s.m，水位标高17.91m（。

在第四系底部大部沉积一层平均存度6.44m的粘土层，对第四系砂层水下渗补给基岩含水层具有一定的阻隔作用。

侏罗系红层：

主要由砖红、紫红色砂岩、粉砂岩间夹砾岩组成，平均厚195m，距3上煤151.79m，按富水性差异分上下两段。

含孔隙裂隙型水，层间水力联系较强，为统一的含水体。

据J3-1号孔资料，单位涌水量0.005L/s.m，水位标高-243.12m（。

受3下煤采动影响，采场范围内水位已大幅下降。

3上煤顶底板砂岩：

3上煤层顶板以粉砂岩为主，次为泥岩、细、中粒砂岩，平均厚20.8m，含裂隙水，含水极不均一。

在3下煤开采过程中表现为突发性和多发性涌水，对生产的影响较大。

2.边界水文地质条件

四采区东西两边界分别为F8断层、八里铺东断层。

两断层均为落差大于50m的正断层，最大落差110m.F8断层巷道工程揭露，但在井下施工探测钻孔时均未出现涌水现象。

八里铺东断层有3条巷道揭露，均未出现涌水现象。

说明本区段断层在天然条件下含导水性较差，但受采矿工程的影响存在断层的导水性变强的可能。

因此，本采区边界水文地质条件简单至中等。

3.导水裂隙高度计算

导高计算公式采用兴隆庄煤矿《巨厚含水砂层下综放开采及合理回采上限试验研究报告》中全煤厚综放开采条件下导高计算公式：

H=100M/（0.84M+4.57）+6.30；计算结果见表1-4:

表1-4四采区3上煤导水裂隙高度计算表

孔号

项目

C5-3

C5-15

C6-4

C6-5

C6-14

C7-4

C7-5

C7-14

C8-4

C8-5

C8-6

3下煤厚

6.88

7.2

6.62

7.17

7.26

5.45

7.02

6.28

5.64

6.82

6.87

3下导高

72.78

74.11

71.65

73.99

74.45

65.88

73.37

70.09

66.9

72.52

66.44

3上煤厚

1.43

1.02

2.43

1.51

1.55

1.42

2.07

1.55

1.17

1.02

1.45

3上导高

30.94

25.10

43.06

32.16

32.70

30.94

39.11

32.7

27.37

29.48

31.35

3上导高＋3上与3下间距

69.51

65.67

78.06

断薄42.03

65.19

82.06

71.97

66.54

72.36

64.13

73.47

3上与红

层间距

184.96

155.98

165.53

148.17

124.20

147.66

148.22

144.41

132.09

166.26

116.9

4.突水危险性分析

从四采区3上煤导水裂隙高度计算表可以看出，3上开采时所产生的导水裂隙波及不至红层，其主要的充水含水层为其顶板砂岩水，且该含水层富水性一般、补给和迳流条件差，所含水以静储量水为主，且从3上、3下导高分析知在3下煤开采时已部分疏放（3下导高平均71.1m，3上导高＋3上与3下间距平均70.89m）。

因此，本采区开采3上煤时突水的危险性较小。

三、涌水量预计

由于四采区3下煤已回采完毕，3上煤位于3下煤之上，两者在回采过程中的充水条件相似。

就本采区而言，覆岩导水裂隙的发育高度对涌水量的大小起主导作用。

因此，采用比拟法预测四采区开采3上煤时的涌水量。

1.最大涌水量预计

计算公式：

Q=Q0H/H0，计算结果：

Q=156.87m3/h

式中：

Q为预测开采3上时最大涌水量

Q0为四采区开采3下煤时最大涌水量，取130.53m3/h

H为开采3上煤时导水裂隙发育高度（取C6-4孔：

43.06m）

H0为开采3下煤时导水裂隙距3上煤顶板的高度（按同一公式计算，3上与3下煤平均间距取38.62m；3下煤取C6-14最大厚7.26m）35.83m。

2.正常涌水量预计

采用经验公式Q正常=Qmax/k计算正常涌水量，计算结果是：

24.02m3/h

式中：

Q正常为预测四采区开采3下煤时正常涌水量

Qmax为四采区开采3下煤时采区最大涌水量，取130.53m3/h

k为最大涌水量与正常涌水量比值，即偏离系数，130.53/20=6.53

3.预测结果评价

综合分析四采区资料，上述预测结果可能偏大，原因有三：

一是3上煤导高范围内含水层中的水一部分在开采3下煤时疏放，在计算过程中未将其排除。

二是在计算3上煤导高时只考虑其上覆岩层未受破坏的情况。

三是3煤顶砂水位较3下煤开采前已下降43.78m（现P1-3孔标高：

-124.87m），综合考虑，四采区开采3上煤时最大涌水量取156.87m3/h，正常涌水量24.02m3/h。

4.目前四采区排水系统及能力

四采区泵房按采区正常涌水量100m3/h,最大涌水量240m3/h设计，3台MD155×2型耐磨离心泵，2路Ф159×4.5排水管，将水转排到-518水平排水沟内。

第四节开采技术条件

一、煤层顶底板条件

3上煤层顶板以粉砂岩为主，次为泥岩、细、中粒砂岩，偶具炭质泥岩伪顶，底板以粉、细砂岩为主，次为泥岩，偶为中粒砂岩。

3上顶板抗压强度95.6～144.3Mpa，划为不稳定～中等稳定顶板，但该区3上煤层为上行开采，下部3下煤大部分已回采，3上、3下煤层间距32.49～51.12m，平均38.62m，造成3上煤层及其顶底板松软裂隙发育，故应将3上煤顶板划为不稳定顶板。

底板以泥岩、粉砂岩为主，抗压强度21.5～45.1Mpa，多为不坚固岩石。

底板为不稳定底板。

二、瓦斯、煤尘爆炸和煤的自燃倾向

1.瓦斯

本矿井定为低瓦斯矿井。

椐精查报告：

3上煤层瓦斯（甲烷）最高含量1.27cm3/g燃、平均1.56cm3/g燃，最大瓦斯成分45.32%、平均19.28%。

3上煤层位于煤系上部，最大含量与平均含量均较其他煤层小。

据四采区C7-14孔瓦斯（甲烷）含量0.14cm3/g燃，瓦斯成分6.84%。

2.煤尘爆炸性和煤的自燃

四采3上煤层煤尘爆炸性试验结果表明，火焰长度变化于580～660mm之间，扑灭火焰的岩粉量变化在60～85%之间，有煤尘爆炸危险性。

在生产中必须采取通风、洒水等有效措施，预防煤尘爆炸。

四采3上煤层原样着火温度变化在329～339℃之间，还原样与氧化样着火点之差（△T）为8～10℃，为确保生产安全，在开采过程中应采取防火措施。

据2001年3下煤鉴定：

矿井瓦斯相对涌出量0.38m3/t，绝对涌出量4.07m3/min，二氧化碳相对涌出量0.54m3/t，绝对涌出量为5.66m3/min；采区瓦斯最大相对涌出0.60m3/t，二氧化碳最大相对涌出量0.68m3/t，鉴定等级为低沼气矿井。

3下煤尘爆炸指数为

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