团柏矿下组煤带压开采技术研究分析方案

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项目名称:团柏矿下组煤带压开采技术研究 申报单位: 霍州煤电团柏煤矿

主要完成人：李慎举 卫广生 王玉海 陈福明 张建设 王海平 杨亚杰

苏俊辉韩 伟

主要完成单位：霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿 专业（学科）分类名称代码：440 3510 所属国民经济行业：B类型 任务来源：自选

项目起止时间：1996年1月——2009年1月

主要科技内容：通过在井下施工一定数量钻孔,进行放水试验和水力、水化及其它各项测试工作,取得一定技术数据,进行实验室样品测试和模型模拟试验计算,得出各种水文地质参数,计算水量,查明K2、O2水力联系,测试底板下“三带”深度,对下组煤开采水文地质条件进行分析评价,确定临界突水系数,进行突水机理研究和突水危险程度分区,确定带压安全开采范围和开采下限,进行排水经济评价,确定工作面开采宽度,给出下组煤安全开采技术方法,提出针对性地防治水措施,给出安全开采规划布局.b5E2RGbCAP 特点：查明了团柏煤矿K2与O2间存在水力联系,但联系程度有限；提出了保护层浸水和起始水力梯度地概念；完善了突水系数法地应用；根据压水试验和数值模拟分析得出10＃煤和11＃煤地矿压破坏深度；应用类比地突水系数值对研究区10＃煤、11＃煤进行了下组煤开采奥灰突水危险性分区,并在此基础上提出了安全开采规划布局和防治水措施.p1EanqFDPw 技术经济指标：下组煤水文地质研究成果地取得,解放了团柏煤矿下组煤约3000万吨煤炭储量,为下组煤安全带压开采提供了理论依据,并提出了防治水相关措施,延长了矿井地服务年限,并为进一步研究矿井水文地质条件提供了宝贵地基础资料.DXDiTa9E3d 应用推广情况：研究成果满足矿井安全生产需要,查明了下组煤开采水文地质条件和水文地质参数,进行安全开采性评价,划分安全分区,确定安全开采技术方法和防治水措施,给出安全开采规划布局,对条件相似条件矿井具有重要地指导意义、参考价值和良好地推广应用前景.RTCrpUDGiT 1 / 16

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立项背景：团柏井田西部上组煤根据资料不可采,但下组煤开采除受顶板充水含水层K2灰岩地涌水之害外,还面临下伏区域巨厚强含水层奥灰地突水威胁,这种威胁是严重地,因为下组煤距奥灰很近（底板全国最薄地区,见图1-1）,10号煤平均36m,11号煤平均仅为25m,这种威胁是严重地.因此解放西部受奥灰水威胁地下组煤炭资源是当务之急.开采所面临问题如下：下组煤,特别是11号煤能否开采,开采地安全性和下限,若能开采如何实现安全开采？如何进行开采地安全布局和合理规划？显然,下组煤中11号煤地安全开采问题是个重大难点.为解决团柏矿井西部下组煤开采问题,霍州煤电集团公司立项“团柏煤矿下组煤带压开采水文地质条件研究”,于2005年7月委托山西国信招标代理有限公司招标,由中标地西北有色勘测工程公司为合作单位.于2006年4月共同并编制了施工组织设计.5PCzVD7HxA 科技内容：1、钻探工程：钻探工程主要内容是逐深水文观测,钻探人员设备于06年6月1日进场,6月22日开钻施工第一个钻孔7-O孔,于07年2月4日,末孔11-O终孔,工期6个月又13天,共12个钻孔,其中11个奥灰孔,1个K2灰岩孔（K2已大面积疏干）,呈两排分布.以首采暗斜井为中界,东部6个孔沿四四三大巷东西横向排列,5个奥灰孔,1个K2孔,其中东边远控奥灰孔（11-O）布置在近团柏河,距暗斜井约2600m.西部6个奥灰孔沿首采区上山轨道巷呈南北向排列,纵长约1200m.jLBHrnAILg 开孔层位四四三大巷一般为1号煤顶板,下组煤轨道巷一般为9号煤底板.孔口管入岩深10～12m,终孔孔径89mm,设计奥灰裸孔段长35m±,实际施工总工程量1544m.套管固结止水,水文观测按规范实施,关闭阀门无泄水.岩芯采取率平均达到75%.钻孔涌水量较大（采取了打斜孔地措施）,单孔涌水量最小3.1m3/h,最大150m3/h,奥灰钻孔涌水量之和为957m3/h,K2灰岩孔单孔涌水量28.2m3/h.xHAQX74J0X 2、10号煤矿压破坏深度测试：测定不同埋深底板钻孔起始水压和同压进水量,确定直接破坏深度和扰动损伤程度,施工工程量：底板试验钻孔5个,工程量199m.最后得出结论是：矿压直接破坏深度为9.5m,此下面地扰动带岩层抗水压强度明显减弱,因此综合两方面因素,矿压破坏深度定为12m.LDAYtRyKfE 经现场测试,10#煤底板地矿压破坏深度为12m.

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3、岩石力学测试：根据数值模型计算地需要,对10号煤层底板（奥灰以上）地岩石组成进行了岩样采取和力学参数测试工作.Zzz6ZB2Ltk 1）岩石取样与制备

取2个系列（二套）岩样,每套有9个岩性组成：泥岩、铝质泥岩、黄铁矿结核鲕粒铝质泥岩、粉沙质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、石英砂岩、灰岩、煤.对每个岩性组成dvzfvkwMI1 进行8项测试,每组岩样取岩芯30块,共取岩样：30×9×2=540块.岩样按照TSRM（国际岩力力学协会）规范采取,保管和加工,其中样径＞50mm,高径比2.0～3.0,端面磨平度0.02mm,侧面不平度≤0.1mm,轴线垂直度每50mm≤0.005mm,加载速度0.49～0.98MPa/S（剪切＞200N/S）,加载时间5～10min（剪切＞15～30S）.rqyn14ZNXI 2）力学参数测试 （1）容重测试

获得岩石天然容重γ（gf/cm3）. （2）单轴压缩试验

岩石强度用应力地极限值表示.此项试验测定岩石地单轴抗压强度σc（MPa）.

（3）抗拉试验

测出岩石地天然抗拉强度σγ（MPa）,反映岩石抗拉伸破坏地能力. （4）剪切试验

对天然抗剪强度στ（MPa）地测试,应用库仑定律求出岩石地粘聚力c（MPa）和内摩擦角值Φ（度）.

（5）天然变形指标测定

获得弹性模量E（MPa）和泊松比ν.

4、11号煤矿压破坏深度数值模型分析、采宽对破坏深度影响地数值模型分析：建立考虑10号煤开采影响地数值模型,应用岩石破裂过程分析程序F—RFPA模型底板破坏演化过程,获得不同埋深地应力（压力）分布和应变（垂直位移）分布,模型概化为15个岩层结构,划分单元250×200=50000个,累计开挖长度120m.6个采宽模拟：60、80、100、120、140、160（m）.最后得出结论：煤层

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顶、底板破坏以及工作面宽度变化与煤层底板岩层破坏深度之间地关系是一个复杂地问题,本项所做地是一种概化模型试验.EmxvxOtOco 试验应用F-RFPA2D分析系统软件研究底板矿压破坏问题得到了有意义地结论.数值模拟结果表明,在工作面推进过程中,煤层顶、底板地破坏特征及不同采宽与底板岩层破坏深度关系具有如下特征：SixE2yXPq5 （1）工作面上方直接顶地初次垮落步距在6～12m之间.

（2）老顶地初次垮落步距在30m～36m之间,老顶周期来压步距大小不均,其周期来压步距在18～24m之间.6ewMyirQFL （3）在长壁开采老顶地初次来压和周期来压过程中,矿压对11号煤层底板地明显破坏深度约为13m,加上其下岩层地扰动损伤,破坏深度可确定为15m.kavU42VRUs （4）当工作面宽度小于140m时,煤层底板地破坏深度随着采宽增加而变大；当工作面宽度达到140m时,煤层底板岩层地破坏深度不再随着采矿地增加而改变,其最大破坏深度基本不变.y6v3ALoS89 5、下三带测定：奥灰古风化壳充填带、潜越导水带和侵水带测定 奥灰古风化壳充填带

奥灰古风化壳是古生代中期（中奥陶纪末期至中石炭纪早期）华北广大地区奥灰被水平升出海面,长期接受大气剥蚀和溶蚀作用地结果：形成平原地貌,地表为溶丘和溶洼等高差不大地正负地形,负地形还有溶洞、溶斗、溶缝等.至中石炭纪晚期（本溪世）因地壳沉降,奥灰古风化壳被充填和覆盖,充填物和覆盖底层常含有剥蚀残积物：铝土或氧化铁.经钻探揭示,本区充填物为铝质粘土,含黄铁矿和泥质鲕状结核.铝质泥岩质软,有挤压揉皱现象,挤压面光滑,有润泽感,易风化,但阻水能力强,而泥质鲕粒综合体强度低,较松散.钻探岩芯有地半边是奥灰,半边是充填物.有地在两块灰岩芯之间出现非灰岩夹层,这并非是奥灰存在分层现象,而是打到了古风化壳中地溶洞,非灰岩夹层是溶洞中地充填物,通常是含黄铁矿结核地铝质粘土.本区古风化壳中地溶洞M2ub6vSTnP 溶裂大多数被充填,大地洞穴因垮塌而形成陷落柱,少部分裂隙未被充填.充填带具有一定阻水能力,但厚度不稳定,本项目钻探揭露地厚度.如统计表所示,充填带厚度在0～26.5m,厚度不大,但变化大,有缺失,且基本上钻孔一进奥灰便

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出水.0YujCfmUCw 侵水带地存在及其高度决定于承压含水层地水压,上覆保护层地 地应力,岩性和构造破坏程度.处于地堑构造地井阱煤田构造破坏特别强烈,潜越导水带及附于其上地侵水带十分发育,奥灰水常侵入到接近开采煤层五煤地底面,甚至穿越五煤到达四煤,使煤层含水.潜越加侵水地最大高度为80m,地下水位之下120m处岩层地消压强度为0.35MPa/m（起始水力梯度35）,并随埋深而递增.本区构造较简单,保护层地完整性较好,本溪组底部地厚层状铝土泥岩塑性好,遇水膨胀,有良好地阻水性.奥灰古风化壳充填带有一定阻水性,因此归属于保护层.经钻探,构造断裂不甚发育,承压不大地本区侵水带基本发育于古充填带而止于本溪组底部铝质泥岩,充填带厚度基本就是侵水带地高度（厚度）.侵水带（充填带）地起始水力梯度I0,也即消压强度E（每米保护层所能消减地水压,MPa）.两者换算关系为：起始水力梯度1≈0.01MPa/m（E）.eUts8ZQVRd 潜越导水带

潜越导水带可视为承压含水层在上覆保护层中地上延部分,其水压等于或近于承压含水层水压.它通常以导水陷落柱和垂向导水断裂带地形式出现（称之为潜越导水构造）.前者如开滦范各庄矿、霍州白龙矿和圣佛矿地突水陷落柱,后者如峰峰四矿地垂向导水断裂带（已注浆处理）.sQsAEJkW5T 潜越导水构造地高度各不相等,有地可达到很大高度,如范各庄矿2171陷落柱垂直导水高度为260m.白龙矿2-1101陷落柱导水高度为110m,峰峰四矿奥灰至大青灰岩构造导水通道高度为35m.范各庄矿突水陷落柱地过水能力为123000m3/h,其原始水压应为奥灰水压,白龙矿突水陷落柱实测静水压力为奥灰水压本次勘探地12个钻孔都未直接揭露到潜越导水构造体.划定研究区内地钻探也未发现在钻孔附近存在垂向导水构造地迹象.仅研究区外地11-O孔存在这种迹象.在11个钻孔中上下含水层地水压是一种递增关系,唯独11-0孔从K2开始地含水层,包括奥灰上、下段地水压都是0.635MPa,且K2地单孔涌水量达105m3/h.此表明,该孔外围奥灰与上覆K2灰岩及两者间所有含水层之间存在直接连通关系.GMsIasNXkA 6、水质分析：

含水层：K2灰岩、下组煤底板薄灰和砂岩含水夹层、奥灰（O2f2）. 地点：施工水文钻孔、底板试验钻孔、下组煤涌水点、主井底K2供水旧孔

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