综放面快速高效通过富含水高承压陷落柱新技术现场应用报告.docx

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综放面快速高效通过富含水高承压陷落柱新技术现场应用报告

《综放面快速高效通过富含水高承压陷落柱新技术》

课题鉴定资料之三

综放面快速高效通过富含水高承压陷落柱新技术

现场应用研究报告

山西潞安环保能源开发股份有限公司（漳村煤矿）

二00六年三月

综放面快速高效通过富含水高承压陷落柱新技术

现场应用研究报告

1概述

岩溶陷落柱是埋藏在煤系地层下部的巨厚可溶岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的岩溶空洞。

空洞顶部岩层，当其失去对上覆岩体支撑能力时，上覆岩体在重力作用下向下垮落，充填于溶洞空间中，因其剖面形态似一柱体，故称岩溶陷落柱。

我国岩溶陷落柱多发育于北方石炭二叠系煤田，在山西、河北、河南、陕西、山东、江苏、安徽等20多个煤田中，已发现陷落柱45处，总数已接近3000个，特别是山西、河北较多，尤以汾西两岸、太行山两侧煤田为多，如西山矿区已发现陷落柱1300多个，密度可达70个／km⒉。

岩溶陷落柱的这种特殊地质构造的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，影响巷道的掘进和煤层的开采，而且是特殊的导水通道，是很难防治的充水因素。

我国开滦、焦作、皖北、徐州、刑台等矿区都发生过特大陷落柱突水淹井事故，造成了重大的经济损失和社会影响，其中开滦范各庄矿突水淹井事故是世界采矿史上最大的一次淹井事故。

煤矿井下地质条件复杂，随着煤矿井下开采深度的增加，一些特殊地质构造如陷落柱等越来越多地被揭露。

陷落柱比较发育的地区，含煤地层遭受严重的破坏，使可采煤层在一定范围内失去可采价值，减少了矿井煤炭储量。

由于陷落柱破坏了煤层的连续性，给井巷工程布置和施工、采煤方法和采掘机械的选择增加了许多困难。

同时陷落柱穿含水层时，可将地下水导入采掘工作面，极易成为沟通地下岩溶水和采掘工作面的通道，对矿井安全生产威胁很大。

所以遇陷落柱开采技术成为煤炭行业急需解决的一项技术课题。

2矿井及工作面基本情况

漳村煤矿于1958年建井，20世纪70年代进行第一次改扩建，核定生产能力为60万t/a，1982年开始第二次改扩建，1985年12月31日完成，核定生产能力150万t/a，1992年建成煤炭行业第一个“四一型”矿井（即一个综采队、一个掘进队、一个开拓队、一个机运队），1997年核定生产能力为240万t/a，2005年核定生产能力为350万t/a。

漳村矿井田走向长3.8km，倾斜长7.5km，面积约27.66km⒉。

井田内有3号、9号、11号、15-1号、15-2号煤层可采，目前主要开采3号煤层。

3号煤层厚5.33-7.29m，平均厚6.45m，赋存稳定。

煤层倾角3°-11°，平均倾角5°。

煤质中硬（f＝1－2），顶底板为砂质泥岩、砂岩。

矿井为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为20.41%，火焰长度15cm。

煤层无自然发火性。

煤种为SM、PSM、PM，含硫小于0.4%，煤质优良，是理想的工业用煤。

矿井采用斜井开拓，用两个水平开拓全井田，一水平（＋810m）划分为四个采区，二水平（＋640m）划分为四个采区，目前一水平已采完，正在二水平开采。

2201工作面位于二水平22采区，为22采区首采面，工作面东部为22采区大巷、西部为漳村矿与常村矿井田边界，南部为西下山大巷，北部为未采区。

工件面地面标高900－944m，底板标高514－600m。

煤层顶底板岩性如表1。

表12201工作面顶底板岩性

煤层顶底板情况

顶板名称

岩石名称

厚度/m

岩性特征

老顶

砂岩

5.8

细到中粒，灰白色厚层状，以石英为主，分选性差

直接顶

泥岩

2.9

灰黑色，块状性脆，含云母，断口不平坦

伪顶

碳质泥岩

0－0.5

黑色不稳定

底板

细粒砂岩

6.4

灰黑色，以石英为主，夹泥岩条带，硬度中等

2201工作面东西倾斜布置，自西向东推进，风运巷沿底板分别布置在南侧和北侧，风巷距西下山材料巷130m，瓦斯巷距风巷15m（中－中）沿顶板掘进。

工作面走向长度（中－中）230m，倾斜长度2318m（主切眼中至22皮带巷中）。

采用倾斜长壁低位放顶煤一次采全高综合机械化采煤方法，顶板管理为全部垮落法，工作面煤层平均厚度6.18m，其中采煤机割煤3.0±.01m，放煤厚度3.18m。

采煤机滚筒截深0.8m，采用一采一放工艺，循环进度0.8m。

工作面使用ZFS6000-17/33型液压支架145组、ZT6500－19.5／34型排头（尾）架共6组，其主要性能参数如表2、3。

表2ZT6500－19.5／34型排头（尾）架技术性能表

额定工作阻力

6500KN

额定供液压力

31.5MPa

额定初撑力

6184KN

支架最高／最低高度

3400／1950mm

支架中心距

1.6m

支架支护宽度

1520－1690mm

支护面积

13.6m2

对底板比压

1.88MPa

推溜力、拉架力

519/802KN

操纵方式

本架

推溜步距

800

支架平均支护强度

0.72MPa

适应煤层倾角

≤15°

表3ZFS6000－17／33型液压支架技术性能表

额定工作阻力

6000KN

额定供液压力

31.5MPa

额定初撑力

3958KN

支架最高／最低高度

3300／1750mm

支架中心距

1.5m

支架支护宽度

1420－1580mm

支护面积

7.02m2

对底板比压

1.98MPa

推溜力、拉架力

306/485KN

操纵方式

本架

推溜步距

800

支架平均支护强度

0.65MPa

尾梁与掩护梁间摆角

5°／58°

前梁摆角

15°／26.5°

根据22采区三维地震勘探报告提供资料，在2201工作面东部发育一陷落柱，为准确圈定陷落柱的具体位置，确定陷落柱的形状和面积，必须对陷落柱进行探测工作。

3陷落柱的探测

通常，陷落柱的探测有钻探、物探和巷探三种方法，其中钻探的使用范围较广，在地表，可用钻孔验证异常区是否有陷落柱存在；在井下，可用钻孔探测掘进巷道的前方或由巷道圈定的回采工作面内有无陷落柱存在。

为进一步确定该陷落柱发育程度、大小形态、具体位置边界及导水性能，对陷落柱进行了打钻探测。

探测工作采用TXU－150型液压钻机施工，共施工钻孔12个，钻进总进尺1078.3米，施工分两个阶段进行。

第一阶段在西下山材料巷施工，共打钻孔10个，钻进总进尺922.3米。

钻孔施工具体情况如下（按施工顺序编号）：

1号孔开口位置在C13测点东4.5米处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进孔深97米终孔为煤，无异常情况。

2号孔开口位置在C13测点东64.5米处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进44米遇岩（陷落柱）停钻，返水浑浊，停钻后孔内没水。

3号孔开口位置在C13测点东84.5米处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进38米遇岩（陷落柱）停钻，返水浑浊，停钻后孔内没水。

4号孔开口位置在C13测点东99.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进42米遇岩（陷落柱）停钻，停钻后孔内没水。

5号孔开口位置在C13测点东114.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－2.5°,钻进137.6米（134米为煤，3.6米为岩石），终孔岩石（底板），停钻后孔内没水。

6号孔开口位置在C13测点东109.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－2°,钻进孔深101米（99米为煤，2米为岩石），终孔为岩石（底板），停钻后孔内没水。

7号孔开口位置在C13测点东44.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进孔深147米（31.5米为煤，115.5米为岩石），钻进113.1米时孔内出水增大，停钻观测出水量约30m³/h，终孔为岩石。

8号孔开口位置在C13测点东24.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进孔深130米终孔为煤，无异常情况。

9号孔开口位置在C13测点东34.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进孔深127.7米终孔为煤，无异常情况。

10号孔开口位置在C13测点东39.5处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－1°,钻进孔深58米终孔为煤，无异常情况。

第二阶段在2201工作面中部小切眼施工，共施工钻孔2个，钻进总进尺156米，钻孔施工具体情况如下：

11号孔开口位置在切4测点南4米处，孔口高1米，钻进方位为270°,倾角－4.5°,钻进孔深36米（30米为煤，6米为岩石）终孔为岩石（底板），无异常情况。

12号孔开口位置在切4测点南5米处，孔口高1米，钻进方位为0°,倾角－0.5°,钻进孔深120米，90米－100米为岩石，终孔为煤，无异常情况。

根据钻孔探测情况分析总结，该陷落柱东、南、西边界基本探明，北边界考虑到探孔出水影响生产，只是控制了范围，没有确定边界。

陷落柱发育基本形态为一椭圆，长轴为南北向，长约135m，短轴为东西向，长约80m，陷落柱东距原切眼561.2m，南距西下山材料巷40m，根据7号钻孔出水情况判定该陷落柱属富含水陷落柱。

陷落柱钻孔施工情况如图1，陷落柱具体位置如图2。

图1陷落柱钻孔施工情况

图2陷落柱具体位置图

42201工作面地质概况及巷道布置

2201工作面开采煤层属于下二叠统山西组下部的3号煤层，煤层赋存稳定，煤层结构简单，顶部及底部两层夹矸全区稳定发育，中间夹矸发育不很稳定，有时尖灭。

煤层平均厚度6.18m，煤层倾角3°－16°,可采指数为1,变异系数3.6%，普氏硬度系数f=0.7－1。

2201工作面东高西低，东西高差86m，工作面东部煤层呈一向斜盆地，向斜盆地中心东距22材料巷600m，向斜盆地西面发育一背斜构造，背斜轴部距22皮带巷925m，倾伏方向为正南，工作面东部煤层呈一单斜展布，产状为250°－280°,∠3°－∠16°,工作面西北角发育一向斜构造，向斜向西倾伏，运巷正处于向斜轴部，北部发育一向斜构造，向西倾伏，运巷正好位于向斜轴部。

根据三维地震勘探结果及井下钻探情况分析，工作面西部发育一陷落柱，东距原切眼561.2m，南距西下山材料巷约40m，陷落柱长轴为南北向，长约135m，短轴为东西向，长约80m。

工作面东南部距切眼约460m处发育一正断层，断层产状为298°,∠70°,落差H＝0.6－1.8m。

2201工作面为22采区首采面，顶部含水层未受到破坏和疏放，含水层富水性强，回采期间会形成冒落裂隙带，导通顶部含水层水，预计工作面最大涌水量150m3/h，正常涌水量80m3/h。

另外，工作面初采250m范围内，由于运巷位于向斜轴部，底板有起伏现象，工作面涌水不能经常规设计的放水巷自行排放。

针对2201工作面陷落柱现场地质条件，为提高资源回收率，缩短搬家倒面停产时间，漳村矿工程技术人员通过方案设计比较，对工作面巷道布置进行了优化。

4.1防水煤柱尺寸的确定

首先，针对工作面陷落柱富含水、高承压的特性，需确定防水煤柱留设尺寸。

防水煤柱尺寸的确定是非常复杂的问题，应考虑含水层的水压、顶板塌陷情况、煤层的强度、围岩性质等因素，以取得既安全又经济合理的数据。

根据留设防（隔）水煤柱的有关规定：

煤层与充水断层或充水陷落柱相接触，防水煤柱一般为30－40m。

参照《矿井水文地质规程》关于含水或导水断层防隔水煤柱的留设经验计算公式进行计算陷落柱周围留设煤柱的最小尺寸：

L=0.5KM20m

式中：

L为煤柱留设宽度（m）

K为安全系数（一般取2～5）

M为煤层厚度或采高（m）

P为水头压力（kgf/cm2）

KP为煤的抗张强度（kgf/cm2）

参数确定：

煤层厚度为6.45m，奥灰水平均水位为＋650m，陷落柱发育附近底板标高为＋540m，计算奥灰水水头高度为110m，计算水头压力为（11010.3）1.0336＝11.04