蒋家河煤矿4号煤层地质控制因素及开采评价研究
刘会彬1,2
（1、中国矿业大学，江苏 徐州221116;
2、陕西彬县煤炭有限责任公司，陕西 咸阳 712046）
摘要：本文在地质资料和可研分析等基础上，利用生产过程中采集的实际数据，系统分析了蒋家河煤矿首采工作面煤岩构造、煤层赋存、矿压显现、瓦斯赋存、地下水活动等地质特征，结合实际生产过程中出现的各种隐患制订了合理的防治措施，保证了矿井首采工作面的安全高效的生产，认为蒋家河煤矿4号煤层资源储量丰富，开采条件好，采煤工艺先进，在掘进和回采的过程中虽然遇到多种不安全因素的影响，但是采取安全技术措施后可以实现安全开采。同时针对彬长矿区其他矿井的安全生产提出了可行的建议和意见。 关键字：蒋家河煤矿；地质条件；开采评价
The 4th coal seam’s geological conditions analysis and mining
evaluation of Jiangjiahe coal mine
Liu Huibin1,2
(1. China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;
2.Bin County Coal Co., Ltd, Xianyang 712000, China)
Abstract: Based on the geological data and research analysis, using actual data acquisition in the production process, systematically analysis the jiangjiahe coal mine first mining working face coal rocks, coal seam, rock pressure, gas occurrence, groundwater activities such as geological features, combined with a variety of problems appeared in actual production process to formulate a reasonable prevention and control measures, to ensure the mine's first coal working face safety and efficient production, confirmed jiangjiahe coal mine coal resource reserves is very rich of No. 4 coal seam, mining conditions are good, mining process is advance, in the process of tunneling and mining in although encountered many unsafe factors, but the safety technical measures taken can be achieved after the safety mining. At the same time, put forwarding the feasible suggestions and comments for the safety production of Binchang mining area of the other mine. Keywords: JiangJiahe coal mine; geological conditions; mining evaluation 0 概况
蒋家河井田属新建矿井，位于彬长矿区南缘，北邻大佛寺煤矿，西、东、南以煤层零线为界，构造上位于彬县背斜以南，太峪背斜以北。煤层赋存稳定，储量丰富。主采4号煤层为优质长焰煤（BN31），煤层厚度为0.8～10.85 m，平均厚度5.29 m，属厚煤层，可采储量50.23 Mt。含煤性好，分布稳定，结构简单，井田范围内未见断距较大断层发育，煤体及围岩完整性好，裂隙发育差，地下水流动滞缓。
该矿采用立井开拓，“一井一面”布置采掘工作面走向长壁式放顶煤开采，全矿井共划分为三个采区，各个采区接替掘进开采。首采工作面巷道断面均为矩形，采用锚网支护，锚索补强。巷道掘进期约6个月，准备期约4个月，回采期约12个月。本文收集实际生产中的各项数据，对比分析了首采工作面各个阶段的构造地质、煤层赋存、地下水、工程地质、瓦斯涌出等特征，成功解决了生产中遇到的各种问题，总结出了各项安全技术措施，确保了工作面安全掘进和回采，为后续工作面安全生产提供客观真实的依据，也为彬长矿区其他矿井提供了借鉴经验。 1 区域地质特征
彬长矿区依据钻孔揭露地层由老至新依次有：三叠系、侏罗系、白垩系、第三系及第四系。从南到北发育彬县背斜，路家—小灵台背斜及矿区北部的七里铺—西坡背斜。区内褶皱
收稿日期： 作者简介：刘会彬（1979—），男，汉族，陕西彬县人，工程师，博士研究生，从事煤田地质研究及技术管理工作. 构造两翼多不对称，南缓北陡，南翼1～3o，北翼4～8o，它对矿区煤层分布起着一定的控制作用，轴部常缺失含煤地层及煤层。断层地表未发现，在矿区东南部的水帘矿、火石嘴矿，下沟矿生产的矿井中见少量断距在1.2～6m的小断层，矿区地质特征为简单型。 2 地质条件分析 2.1 水文地质特征
蒋家河煤矿的水文地质勘探类型属以裂隙充水为主、水文地质条件简单类型，即“二类一型”。全井田矿井正常涌水量145.99m3/h，井田南北两个透水“天窗”的总充水量为529.89 m3/h。可研分析认为矿井正常涌水量为150m3/h，矿井最大涌水量为230m3/h。一采区首采工作面两顺槽及切眼巷道在掘进期间，顶板均有淋水现象，淋水量约为4～5 m3/h。工作面回采时支架的顶部及后部出现较大淋水，淋水量约10～60 m3/h不等。二采区首采工作面回风顺槽淋水量
约30m3/h，均为顶板淋水，运顺情况与回顺基本相似，采取了抽排、预先探测等措施保障了安全生产[1]。整个矿井回采工作面和掘进巷道涌水总量约100～120m3/h，与地质勘探和可研分析成果具有一致性。说明一二采区首采工作面在掘进和回采过程中的涌水均为裂隙水，裂隙带没有导通井田内的洛河组透水“天窗”含水层。
2.2 工程地质特征 2.2.1 围岩力学特征
4号煤层底板主要为泥岩、页岩，特别是遇水泥化的铝土质泥岩，岩石物理力学性质试验结果（表1），单轴干燥抗压强度27.1～48.44MPa，属于稳定性较差岩体，坚固系数集中在0.9-1.2之间，属于Ⅶ软岩体，RQD值35.67～47.70，属于质量差的岩石，软化系数0-0.35，为易软化岩石，泥岩的泥化比为1.51-3.35，属于遇水易泥化岩石，整体而言，4号煤层底板岩层属于稳定性很差，易膨胀软化，坚固性差，强度低的岩层[1]。4号煤伪顶为炭质泥岩、泥岩，厚度薄，稳定性差，随煤层开采而冒落，属不稳定岩体。工作面掘进和回采期间淋涌水导致铝土质泥岩膨胀软化，底板强度大大降低，支护强度弱化严重，巷道底板和帮部均出现较大的变形。
表1 4号煤层底板铝土质泥岩物理力学性质试验成果表
样 品 孔号 编 号 5-2 D20 16 12 采样深度 (m) 308.07~309.47 431.22~434.38 434.38~436.22 316.60~317.65 289.21~292.18 336.88~338.81 338.81~340.36 岩石名称 泥岩 铝土质泥岩 含鲕粒铝土泥岩 铝土质泥岩 铝土质泥岩 铝土质泥岩 铝土质泥岩 干燥抗 饱和抗弹性 压强度 压强度 模量 104 Mpa Mpa Mpa 27.1 32.96 48.44 32.01 44.29 41.80 33.04 9.76 0 0 0.95 1.16 1.57 3.96 1.18 0.64 泊 松 比 0.16 0.09 0.11 0.10 0.08 0.07 孔隙率 含水率 软化 系数 3g/cm % 2.60 2.68 2.64 2.71 2.68 2.67 2.68 8.5 5.7 2.6 7.20 2.96 6.99 9.62 1.66 1.54 0.82 1.12 0.96 1.33 2.23 0.35 0 0 比重 坚固 系数 8.41 12.4 1.19 1.13 1.07 0.90 13 D9 4 D52 10 11 D30 12 在首采工作面掘进、安装准备和回采期间，运输、回风顺槽和工作面切眼中部大部分区段，均出现了较大的变形，特别是巷道顶板淋水较大、护底煤较薄、底板岩层铝土质含量较高的区段变形尤为严重，回采工作面出现了支架压架，两巷端头超前支护段单体支柱插底，巷中底鼓帮鼓等现象（表3）。
表3 ZF1404工作面巷道变形特征及治理措施
阶 段 掘进 回采 准备 回采 时间 间隔 6个月 4 个月 12 个月 巷道区段和变形量 460～1450m区段最大帮鼓量300mm；最大底鼓量350mm 回顺（720～1410m）底鼓量为900mm；运顺（820～1340m）底鼓量为400mm，切眼底鼓量350mm 回顺450～730m区段，底鼓最大900mm，帮鼓最大1400mm 变形特征 巷道片帮、底鼓、顶板下沉严重，轨道倾斜，巷道宽度不够 底鼓、顶板下沉，巷道中部低洼地段尤为明显，帮部变形趋于稳定，局部巷道高度不够 底鼓、帮部煤体松动，片帮，帮部支护失效等，通风断面严重不足，安全出口受阻 措施 起底、扩帮，补强支护 起底、补强支护，加强排水 起底，扩帮，增加超前支护长度，加密支护，单体支柱“穿鞋带帽” 运顺740～1010m区段，超前支护段帮鼓最大1200mm，底鼓最大量600mm 切眼中部变形严重 巷道大断面处顶板下沉，中部底鼓严重 底鼓，顶板下沉，片帮，涌水增大，巷道断面严重缩小，行人间隙小，转载机推移困难 周期来压步距30～50m，来压期间煤壁片帮严重，支架阻力明显增加，油缸卸载和压架 顶板破碎，下沉，单体液压支柱泄压，设备布置空间不足 起底，挑顶，扩帮，增加锚索支护密度，加布钢台棚，加强排水 加快推进速度，加强工作面设备检修，加快工作面排水，加强巡查 布设木垛，补支锚索，增加单体液压支柱密度 根据不同区段变形程度和变形特点进行了起底、扩帮、补强支护、底板锚固注浆和加强排水等治理措施，保证了首采工作面安全回采[1,2]。 2.3 煤层赋存条件 2.3.1 煤层埋深条件
煤层埋深大，矿山压力相应较大，对巷道的破坏影响就更加显著。工作面标高在+648.1～+573.3m之间，地面标高在+1002.6～+1219.8m之间，煤层埋深约354.5～646.5m，大部分煤层埋深在600m以下，首采工作面开采期间矿山压力显现明显，巷道变形严重。 2.3.2 煤层平面展布特征
地质勘探成果表明在平面上井田西部煤层厚度大，含煤性好；东部煤层厚度小，含煤性差。4煤层全井田发育，可采煤厚1.05～10.85m，平均5.29m，属厚煤层，可采面积15.27km2，局部含一层夹矸，结构简单。煤层赋存于赵坡向斜，轴部变厚，向两翼逐渐变薄或尖灭。煤层厚度和展布特征为巷道中段厚，两端薄，且较厚部位恰好在向斜的轴部，最厚煤层为9.9m，最薄为1.7m，该区为差异沉降区，成煤有机质沉积之前该褶皱已经形成，说明该区域内成煤向斜构造形成时代早于侏罗纪下统延安组之前。 2.4 地质构造特征 2.4.1 褶皱构造
一采区首采工作面巷道掘进揭露，工作面煤层主要表现为一宽缓向斜褶皱构造（图1），向斜的轴部距回风巷口约1210m左右，运输巷的1113.5m左右（以一采区回风巷口为起点），其中工作面切眼长度140m，走向56°，式（1）得出巷道转折点连线与顺槽巷道的夹角为55°25′，可以得到该工作面通过的褶皱走向为0°35′。
tan??140???55?25? ————（1）
1210?1113.5运输顺槽与回风顺槽转折端高程差为+3.77m，两转折端距离约140m，所以倾伏角为北倾1°16′18.24″，巷道掘进揭露的构造特征表明蒋家河矿区主控构造为一个枢纽近SN向的向北缓倾的向斜构造——即赵坡向斜。
图1 一采区首采工作面顺槽巷道实测示意图
2.4.2 断裂构造
蒋家河煤矿二采区首采工作面回风顺槽掘进至172m处遇到断距约3m的北倾正断层（图2），断距约2.6m，断层带宽度约0.5m，断面处煤岩破碎，瓦斯涌出增大，淋水量增大。运输顺槽掘进至83.5m处遇到断距约3.5m的北倾正断层（和回顺为同一断层），断层处均有顶板破碎，顶板淋水，瓦斯浓度升高的特点。
2.5 瓦斯地质特征 从岩石学的角度，煤是由有机显微组分和矿物质组成的。高矿物含量不利于煤层气的赋存，使煤的吸附能力、含气量降低[3]。蒋家河井田勘探数据显示（表1），4#煤层煤岩组分中，
有机质显微组分含量较高，平均值92.9%，其中镜质组及半镜质组含量相对较低，平均值为25.3%，惰质组平均值66.0%，壳质组含量较少，平均值3.0%，惰质组>镜质组+半镜质组>壳质组，无机组分含量平均为7.3%，以粘土类和碳酸盐类为主，硫化物类含量较少，加之惰质组和镜质组含量较高均有利于煤层气的吸附和含量的提高[3,4]。
表2 4#煤层显微煤岩组分综计表
Table 1 Micro- maceral sum up list of 4# coal
煤岩组分 统计 最小值 最大值 平均值 点 数 有机组分（%） 镜质组 半镜质 13.9 1.1 30.5 6.0 21.1 4.2 4 4 隋质组 53.0 75.0 66.0 4 壳质组 1.5 4.0 3.0 4 合计 91.6 95.3 92.9 4 无机组分（%） 粘土类 硫化物类 1.8 0.4 2.4 1.2 2.2 0.7 4 3 碳酸盐类 1.7 5.9 4.4 4 彬长矿区煤层气资源十分丰富[5,7-11]，加之首采工作面又处于赵坡向斜的核心部位，横穿向斜瓦斯富集区，采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，顶板自然垮落，邻近层瓦斯大量涌入到采空区，并涌出到工作面，特别是在工作面中部，瓦斯涌出量高达28.5m3/min左右，上隅角瓦斯浓度经常超限，严重威胁着矿井的安全生产，受瓦斯影响首采工作面一直无法正常生产，只能停止生产20～30分钟左右，待瓦斯浓度恢复正常后才能继续生产。根据瓦斯的分布特点，回采期间在工作面中部，采取了上隅角布设风帘、高压风管以及抽放相邻工作面瓦斯，增大工作面供风量，高位钻场预抽邻近层及采空区瓦斯，开采煤层瓦斯预抽等局部瓦斯综合治理措施，有效治理了工作面回采期间瓦斯涌出，取得了良好的效果，为矿井安全生产提供了有利保障[6,7]。 3 开采评价
a、资源情况：蒋家河井田煤炭资源储量丰富，赋存稳定，可采性较好。主采4号煤层厚度为0.8～10.85 m，平均厚度5.29 m，属厚煤层，地质储量89.97Mt，可采储量50.23 Mt。
b、地质特征：井田范围内未见断距较大断层发育，煤体及围岩完整性好，裂隙发育差，地下水流动滞缓。赵坡向斜是蒋家河煤田4号煤层的主控构造，影响了煤层厚度及展布，矿区应力场的分布、瓦斯富集、地下水赋存等，实践表明采取适当的措施可以实现安全生产。
c、开采工艺：实践证明4号煤层采用综采放顶煤工作面回采是合适的，最大限度地提高了采出率，减少了煤炭资源浪费，实现了安全及高产高效。
d、生产实践：首采工作面的掘进和回采揭露情况表明，井田中部布置的工作面具有矿压显现强烈、顶板淋水较大、瓦斯涌出较大、巷道变形严重、煤层厚度大、发育小型构造等特点，但是生产过程中采取适当的措施可以实现安全生产。
综上所述，蒋家河煤矿4号煤层资源丰富，煤质优良，开采条件好，采煤工艺先进，在掘进和回采的过程中虽然遇到多种不安全因素的影响，但是采取安全技术措施后可以实现4号煤层安全开采。 参考文献：
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