采矿工程毕业设计开滦矿务局吕家坨矿

f1.矿区概述及井田地质特征1.1 矿区概述1.1.1 交通位置开滦矿务局吕家坨矿位于河北省唐山市古冶区境内，西距唐山18km ，北距古冶9km地理坐标为东经11824，北纬3940。矿区交通便利。古吕钱公路南接唐港公路，北通205国道，津唐、唐港、京沈高速公路正在修建；矿区铁路专线吕古铁路和吕陡铁路与京山线接轨；水路运输东有秦皇岛港，西有天津港，南有新近建成的京唐港；水、陆交通发达，煤炭外销十分方便(见图11)。图 11 矿井交通位置图1.1.2 地形、地貌吕家坨矿业分公司位于冀东平原。矿区地表为第四纪冲积平原，地势较平坦，海拔高度介于+22.74+31.13m 之间，地形总体趋势为北高南低。矿井付井口标高28.286m，主井口标高27.826m，风井口标高30.198m，新风井口标高29.708m，混合井井口标高28.5m，宏文煤炭有限公司提升井井口标高32.6m，风井井口标高31.0m，矿内变电站标高27.9m。在井田的南部及东部，由采矿活动引起的地表沉陷在矿井周围形成了较多的塌陷积水坑，其中医院、东工房南部的塌陷积水坑已被人为填平，用于建设工厂及村庄搬迁，工业广场附近的塌陷坑 96 年最高洪水位为25.893m。1.1.3 河流及水体北 京 市 三 河 玉 田 丰 润 古 冶唐 山 市 吕 家 坨 矿 秦 皇 岛 市秦 皇 岛 港乐 亭 京 唐 港南 堡北 塘塘 沽 天 津 新 港宝 坻天 津 市 025km1 34京 秦 线 京 沈 高 速 公 路京 山 线津 唐 高 速 公 路京 津 高 速 公 路京 津 线 唐 港 高 速 公 路坨港铁路渤 海1.林 西 矿2范 各 庄 矿3钱 家 营 矿4陡 河 电 厂第 2 页 共 108 页井田东部有一条沙河流过。沙河在井田东部由东北流向西南，属季节性河流，旱季有时断流，雨季流量较大。在沙河两侧建有沙河防洪堤坝，西侧沙河坝顶面标高30m；沙河距吕家坨矿工业广场十几千米，之间还有吕范公路、吕范铁路相隔（标高都在+30m ） ，西侧沙河坝、吕范公路、吕范铁路可有效阻挡洪水进入吕家坨矿工业广场，沙河对吕家坨矿工业广场构不成水害威胁。1.1.4 气象及地震本区夏季炎热多雨，6、7、8 月为雨季，地面径流流入沙河和塌陷坑。冬季干燥寒冷，冰冻期自 11 月下旬至 3 月上旬，冻土带深度一般为 0.8m，属半大陆性气候，经多年观测，地表水体及大气降水与矿井涌水量的变化关系不明显。有地震记载以来，在唐山地区共发生有感地震约百余次，其中震级大于 4.8 级的有十余次，大于 6 级的有 2 次。最大一次地震发生在 1976 年 7 月 28 日，震级 7.8 级，极震区烈度 11 度。1.1.5 矿区经济情况区内农业以种植玉米、小麦、花生、水稻为主；工业主要有水泥、煤矿、陶瓷、钢铁、发电等产业；劳动力资源充足。1.1.6 水源及电源矿区由矿内净化水厂提供生产、生活用水，供水能力约为 400 万吨/年，另矿区内还有一座污水处理厂，提供一级 B 排放标准的中水，供水能力约为 75 万吨。矿区与两个电网相连接，一为华北电网，另一为开滦电网。距华北电网的距离为1.3km，距开滦电网的距离为 9.5km。1.2 井田地质特征1.2.1 井田地质构造吕家坨井田主体构造是吕家坨背斜。开平向斜是一赋煤向斜构造，煤系地层为石炭二叠系。向斜轴的总体方向约 NE40，北部受青龙山背斜等北西南东向构造的影响，自古冶至唐家庄逐渐变为东西向，形成一弧形构造。向斜的两翼不对称：西北翼岩层倾角陡，甚至局部倒转，并伴随出现了一组与向斜轴大致平行的断层和短轴褶皱构造。东南翼岩层倾角相对平缓，向斜边缘出现两组短轴边幕状褶皱，轴向与开平向斜轴直交或斜交，并沿倾伏方向逐渐消失。其中一组由杜军庄背斜、黑鸭子向斜、吕家坨背斜、范各庄向斜、毕各庄向斜及南阳庄岭上背斜组成；另外一组在宋家营以南，规模不如前一组。东南翼断层的发育程度相对西北翼较低，且断层常分布在轴部附近，方向常斜交地层走向或平行褶曲的轴向，正断层为主，逆断层较少，落差一般小于 30m。f吕家坨井田以褶皱构造为主。井田内自北而南依次发育有黑鸭子向斜、吕家坨背斜、范各庄向斜、毕各庄向斜、南阳庄岭上背斜、小张各庄向斜等五个主要褶曲构造。黑鸭子向斜轴作为吕、林井田技术边界。吕家坨背斜为矿井的主体构造，约占井田面积的 70%，其中深部还发育有次一级的褶曲构造。在井田南部，吕家坨背斜、毕各庄向斜、南阳庄岭上背斜、小张各庄向斜等褶曲构造复合，形成了董各庄盆地构造区和王各庄马鞍形构造区。1.2.2 水文地质吕家坨矿区位于开平向斜东南翼，区内地势较平坦，地面标高介于+22.74+31.13m 之间，含煤地层位于第四系冲积层之下。地面径流不发育，降水大部分渗入地下补给潜水层，只有大雨或暴雨才形成地表径流，流入附近塌陷坑、幸福河或塌陷区等低洼地带。第四系冲积层厚度介于 10.00103.50m 之间，煤层露头带附近一般厚 4060m，自西北向东南逐渐增厚。上部有分布广泛的以细砂层为主的潜水层，冲积层第一承压含水层由上下两段组成，含水较丰富，上段以中粗粒混合砂为主，下部以粗砂、卵砾石层为主，分布在勘探区中部。煤系地层覆于奥陶系灰岩之上，奥陶系灰岩为裂隙、岩溶含水层，煤系本身及其上部基岩具有若干个砂岩含水层，其下部有厚度约 36m 的唐山灰岩及薄层石灰岩 34层，其含水性不均一。在背斜轴部附近，因受构造的影响，断层较为发育，但落差均不大，其导水性较两翼为强。1)含水层段（岩组）划分及水文地质特征根据开滦矿区统一的含水层划分标准，将区内含水层划分七个含水层（表 5-1），其中、含水层为直接充水含水层，其它为间接充水含水层。现分别对冲积层含水层、基岩含水层叙述如下：冲积层含水层组（）本含水层组由砾石、粗砂、中砂、细砂组成，卵石粒径在 2050mm，磨圆度中等。此含水层组平均厚度 34m，单位涌水量 0.1033.68L/s.m，渗透系数 0.7510.66m/d，富水性中等。上部水质为重碳酸氯钙镁型，下部为重碳酸钙镁型。其底部与基岩风化带呈不整合接触，第四系冲积层水通过基岩风化带经常性补给基岩含水层，不直接受季节和降水的影响。但是，由于风化作用，强风化带的砂岩变成了散砂状，粘土岩常变成软泥状，使裂隙弥合，相对阻隔了第四系含水层水向基岩含水层的补给。基岩含水层煤系地层中的各含水层组主要由不同粒径的砂岩组成，相邻含水层均由粘土岩和第 4 页 共 108 页煤层相隔，其中以第、含水层组对矿井涌水量影响较大，为矿井采掘时直接充水含水层。作为煤系地层基底的奥陶系灰岩含水层()，含水性强，在正常情况下，不直接参与矿井涌水，但由于局部构造裂隙带的沟通，该含水层水也有可能涌入矿井。各含水层组含水性特征概述如下：古冶组砂岩含水层组（）：本含水层组位于 A 层之上，厚约 115m，岩性以砂岩为主，局部含砾，富水中等。为矿井间接充水含水层。5 煤层顶板含水层组() ：该含水层组厚约 220m，位于 5 煤层以上 6m，岩性以中、细砂岩为主，具粗砂岩，泥硅质胶结、坚硬，主要成分为石英、长石、岩屑等，裂隙发育，单位涌水量 0.276-1.728L/s.m，渗透系数 0.91-1.37m/d，矿化度 0.2210.456g/L，水质为重碳酸硫酸钠钙型。据钻孔简易水文及矿井实际涌水等分析，该含水层含水性不仅与岩性有关，同时也受补给条件和构造断裂控制，如吕家坨背斜轴部位、断层发育部位，钻孔钻进过程中泥浆冲洗液均发生大量漏失现象，背斜两翼及构造简单部位，泥浆冲洗液消耗则较小。1994 年，4654 工作面回采过程中，最大涌水量 1.58m3/min，且不易疏干。总体来说，该含水层属含水性中等较强的含水层。7 煤层顶板含水层组（）：该含水层组厚约 30m，位于 7 煤层以上 3m，岩性以粉砂岩、细砂岩为主，下部有中砂岩，局部见泥质胶结的粗砂岩，单位涌水量 0.010.286L/s.m，渗透系数 0.11518.063m/d，矿化度 0.5050.297g/L，水质为重碳酸钙镁型。根据钻孔简易水文观测资料及矿井生产涌水量分析，该层含水性较弱，为矿井直接充水含水层。12 煤层14 煤层间含水层组（）：该含水层组厚约 60m，位于 12 煤层以下4m，顶、底部由细砂岩及粘土岩组成，中部具厚层中粗砂岩且含砾，泥质及硅质胶结，裂隙较发育，钻进过程中常发生漏水现象。为矿井直接充水含水层，开拓巷道多布设在此层位，每遇裂隙均有滴水和淋水出现，给施工带来困难。在-950m 水平延深勘探中，吕补 16 号孔对该含水层进行了注水试验，试验结果表明在吕家坨背斜北翼该含水层富水性及导水性均很弱，单位涌水量为 0.0025L/s.m，渗透系数 0.000014m/d。14 煤层奥灰间含水层组（）：该层厚约 130m 左右，岩性以粉、细砂岩为主，夹数层灰岩（K4、K3、K2、K1）及底部 G 层铝土岩。其中唐山灰岩（ K3）一般厚度3m 左右，沉积较稳定，质不纯；单位涌水量为 0.025L/s.m，渗透系数 2.59m/d，水质为重碳酸硫酸钙镁型，据钻孔简易水文观测资料，该层含水性较弱，为矿井间接充水含水层。奥陶系灰岩含水层组（）：该层厚约 420m，为煤系地层基底，与上部地层呈不整合接触，质纯。单位涌水量最大 72L/s.m，渗透系数最大 167.73m/d，富水性极强，矿化度 0.1660.347g/L，水质为重碳酸钙镁型。岩溶裂隙发育，含水性强。在-950 水平延深勘探中，有两个钻孔（吕补 11、吕补 13）揭露该层浅部，均揭露 60 余米，进行了水文地质试验，并留做水文长观孔。该层为矿井威胁最大的间接充水含水层。f奥陶系灰岩下伏于煤系地层，距最下一层可采煤层达 180m 左右。奥陶系灰岩顶部以上 3040m 内的岩层主要由粘土岩和粉砂岩组成，直接接触处均有厚层粘土岩，起着良好的隔水作用。所以在正常情况下，二者之间的水力联系为极微弱。根据钻探取芯及抽水试验资料分析，奥陶系灰岩浅部岩溶、裂隙较不发育，单位涌水量在 0.01870.322L/s.m 之间，渗透系数在 0.03080.491m/d 之间，说明奥陶系灰岩含水层浅部富水性较弱。2)区域岩溶地下水的补给、径流和排泄奥陶系灰岩含水层由于其上部稳定发育的 G 层铝土岩及多层粘土岩、粉砂岩，正常情况下阻隔了奥灰含水层向煤系含水层的补给。奥灰水由煤系地层下部迂回而过，至范各庄、钱家营矿南部又与冲积层承压水相遇。所以，在自然条件下，井田东北部煤岩层露头处是奥灰水补给区，相邻范各庄矿、钱家营矿为地下水排泄区。3)矿井涌水量矿井涌水量不大，为 130m/h。1.2.3 其他有益矿物本井田煤系地层中的伴生有益矿产有铁铝质泥岩、耐火粘土和稀有元素。经以往勘探采样分析，品位一般较低，目前尚无开采价值。1)A 层铁铝质泥岩为灰紫紫红色，细腻、性脆，呈棱角状断口或贝壳状断口，含菱铁质鲕粒。全区普遍发育，厚度在 3.1114.20m，平均 7.46m，一般上部质地较纯，下部含铁量高，铝质含量低，未达到开采要求。2)3 煤层底板和 14 煤层底板耐火粘土3 煤层底板耐火粘土浅灰色褐灰色，细腻具滑感，含褐红色菱铁质鲕粒，顶部含植物根化石，厚度23 m，因含铁量高而达不到品位要求。14 煤层底板耐火粘土灰色深灰色，富含植物根化石，团块状构造，厚度 23m ，因含铝量低而达不到开采品位的要求。3)稀有元素在煤质化验中表明，煤层中存在一定量的稀有元素锗、镓、钒等，其中锗含量1.0052.000ppm，镓含量 16.16821.000ppm，钒含量 0.0200.036ppm 之间，都远远第 6 页 共 108 页达不到开采品位。1.3 煤层特征1.3.1 煤层煤层的结构和厚度总体上与勘探阶段一致，主采煤层煤质稳定，煤类单一。计算储量煤层为两层，即 7 号和 8 号煤层，总厚度 8.8 米。 7 煤层： 勘探厚度 3.85.2m，平均 4.8m，除局部煤层变薄、局部受冲刷缺失外，实见煤厚、结构与勘探阶段相符合，为全区可采煤层。8 煤层： 勘探厚度 3.54.8m，平均 4m，为全区可采煤层。全矿及邻区实见 163 个点，78 煤层层间距最大 15.14m，最小 0.10m，平均4.44m。间距变异系数 77.78。井田东、西部间距较小，向中部逐渐增大。在中部间距较大区中间又有一个形状不规则的间距缩小区。表 1-1 各煤层容重表煤层 7 8容重(t/m 3) 1.49 1.55表 1-2 各可采煤层煤厚、层间距变化特征一览表煤 层 厚 度（m） 煤 层 间 距（m）最小最大 最小最大煤层平均变 化 规 律平均变 化 规 律3.65.474.8仅西北部煤厚在 4m以下，个别点煤厚偏大3.64.484.0煤厚变化不大0.1515.14平均 4.52井田中部间距最大，往西间距变小，往东北两煤层合区1.3.2 煤层顶、底板通过对钻孔所见煤层顶底板的岩层取芯情况看，各个主要煤层的顶底板的岩性基本稳定。7 煤层、8 煤层的顶底板岩性以粉砂岩、细砂岩为主，岩石比较完整，裂隙不发育。由于断层的破坏，使一部分煤层的顶、底板岩石遭到了严重破坏，变得比较破碎，不少钻孔遇到了漏水现象。7 煤层顶板、底板岩石的普氏硬度系数较小，变形系数较小，而不易维护。1)7 煤层顶、底板f 伪顶：为 0.10.5m 的黑色炭质泥岩，较软，常呈花斑状。 直接顶板：以深灰色粉砂岩为主，其次为灰色细砂岩和黑色泥岩，粉砂岩常夹细砂岩薄层，水平层理，含植物叶片化石，当与 7-1 煤层间距较小时，形成复合顶板，对顶板的管理极为不利。层厚平均为 1.2m。 老顶：大部为浅灰色细中砂岩，斜层理发育，中厚厚层状，较硬，有时该层直接覆于煤层之上，采后不易冒落。层厚 520m 。 直接底板：大部分区域为粉砂岩，近煤处含大量植物根化石，当 7、8 煤层间距在 1.0m 左右时，直接底板多为黑色泥岩，顶部含根化石，底部含叶化石，同时也是8 煤层顶板，局部区域为细砂岩。层厚平均 0.6m。 间接底板：灰色细砂岩，微发褐，成分以石英为主，含少量长石；坚硬，岩性不均匀，多为深灰色粉砂岩和灰色细砂岩互层的条带状结构，平行层理，当 7、8 煤层间距较小时，间接底板缺失。平均层厚 2.5m。 开采技术条件：7 煤层伪顶分布较普遍，在掘进和回采过程中随煤体一起垮落，使原煤灰分增大。煤层直接顶、底板较为平整，绝大部分范围的顶板在煤体采出后冒落。在老顶发育区，采后不易冒落。2)8 煤层顶、底板 伪顶：局部发育，为 0.10.4m 的黑色炭质泥岩，硬度较小，斑状结构。 直接顶板：以黑色泥岩或深灰色粉砂岩为主，在距离煤层 0.20.6m 的位置，常含一层厚 0.050.3m 的灰白色鲕粒状泥岩，可以作为煤层对比的标志；林西矿至吕矿的-600 二采四中方向的古河流冲刷区内，8 煤层直接顶板变为灰白色中粒砂岩或细砂岩，自北向南粒度逐渐变细，成分以石英为主，含少量长石及粉砂岩包裹体，泥质胶结，遇水易风化膨胀。层厚在 0.51.2m 之间，平均 1.0m。 间接顶板：当 7、8 煤层间距大于 5m 时，间接顶板多为深灰灰色带状细砂岩，夹粉砂岩薄层，层厚平均 3.35m；当 7、8 煤层间距在 2.05.0m 时，间接顶板多为 7煤层间接底板，当 7、8 煤层间距小于 2.0m 时，则间接顶板多不存在，或为 7 煤层直接底板。 直接底板：以深灰色粉砂岩为主，其次为灰色细砂岩，局部为黑色泥岩，富含植物根化石，根化石一般较亮，层厚 0.20.6m，平均 0.4m。 间接底板：浅灰色细粒石英砂岩，斜层理，厚层状，有时夹粉砂岩条带，坚硬，层厚平均 2.1m。1.3.3 煤质各煤层均为腐植煤，颜色一般为黑色，条痕为深褐色或黑色。硬度及韧性较小，脆性较大，呈棱角状、参差状断口，外生裂隙发育，油脂光泽或玻璃光泽。以亮煤和暗煤为主，次为镜煤，少量丝炭。一般为半亮半暗型。各煤层的宏观煤岩类型特征第 8 页 共 108 页参见表 1-3。表 1-3 煤层肉眼鉴别特征和结构特征一览表煤 层 结 构煤层肉眼鉴别特征 类型夹石层数夹石厚度夹石岩性对回采的影响变化情况续表7深黑色，玻璃光泽；以暗煤为主，底部有 1m 左右的亮煤，条带状或层状构造，硬度较大。复杂 0-4 0.1-0.8含炭泥岩或粉砂 岩随煤一起采出，增加原煤灰份。一般含两层夹石，相对来说东部不稳定，西部稳定且厚度大。8深黑色，具光亮的玻璃光泽；以亮煤为主，次为镜煤和暗煤，条带状构造，硬度中等。简单一般无一般不含夹石，但在二采四中区域常含一层0.05m 的炭质泥岩根据 GB5751-86 中国煤炭分类国家标准，根据精煤干燥无灰基挥发分（ Vdaf） 、粘结性指数（G R.I）和胶质层厚度（Y mm）为主要分类指标。根据各个阶段煤芯化验成果（表 4-5） ，7 煤层以焦煤（JM25、JM15） ，局部为瘦煤（SM13 ）和贫瘦煤（PS12） ；8 煤层以焦煤为主（ JM25、JM15） ，局部为瘦煤（SM14 ）和贫瘦煤（PS12）表 1-4 煤芯化验成果表原煤/浮煤工业分析 原/浮煤 胶质层 粘结指数 G%煤层Mad Ad Vdaf Std(%) Qgr,v.adMJ/KgQgr,v.adfMJ/KgYmm Xmm最小值 0.43/0.46 12.28/4.59 15.06/14.43 0.32/0.4218.08 32.49 8 3 157最大值 1.56/1.71 42.03/20.80 24.68/25.11 0.79/0.7334.33 36.75 31 31.5 148.12f平均值 0.80/0.90 25.53/8.22 21.06/19.22 0.51/0.6026.82 34.8 16 19.7 66最小值 0.14/0.42 12.22/4.54 14.00/16.30 0.42/0.3714.72 33.28 8 0.1 15最大值 9.40/1.33 45.49/15.97 26.12/23.91 2.73/0.9531.81 36.4 35.5 15 838平均值 1.22/0.90 24.91/7.72 20.86/18.75 1.21/0.6525.3 34.98 18.8 12.4 627、8 煤层的 SiO2 的含量在 45%左右 ，7、8 煤层的 Al2O3 的含量在 36%左右， 7、8 煤层的 Fe2O3 的含量都在 5%以下。原煤灰分 7 煤层、8 煤层灰分含量以中西部比较高，而南北部灰分含量比较小。各煤层煤灰均属难融熔灰。原煤硫份中， 7 煤层的含量小于 1.0%，属于低硫煤；8 煤层的硫份含量在1.02.0% 之间，属于中硫煤；从横向上看，7 煤层以北部含量偏高；8 煤层以中西部含量偏高。对于浮煤挥发分， 7 煤层平均值为 19.15%，一般在 1424%之间； 8 煤层平均值为 18.64%和 19.42%，一般在 1524%之间。原煤的磷含量情况为： 7 煤层在 0.01-0.12%之间，为中磷煤； 8 煤层小于0.01%，属于特低磷煤。因此，可以将煤质的主要等级指标归纳如下：7 煤层：高灰（2540） 、特低硫（0.5） 、中磷（0.010.1） 。8 煤层：高灰（2540） 、特低硫（0.5） 、中磷（0.010.1） 。原煤的水分平均值为： 7 煤层在 0.75-0.92%之间；浮煤水分平均值： 7、8 煤层在 0.75-0.91%之间。煤层中含有锗、钒、钛、镓等微量元素，但均达不到可采品位。1.3.4 瓦斯全矿井瓦斯绝对涌出量为 10.214 m3/min，相对涌出量为 1.790m3/t，二氧化碳绝对涌出量为 22.349