煤矿生产开采复杂构造煤层.ppt

煤矿生产 开采复杂构造煤层,相关知识回顾,一、煤层的赋存条件,（一）煤层赋存的形态 1、层状：稳定、连续、厚度变化小且有规律； 2、似层状：较稳定、有一定连续性、厚度变化大且没规律； 3、非层状：常分岔、尖灭，厚变无常，常见鸡窝煤、扁豆状或透镜煤等。 （二）煤层结构（指煤层内是否有较稳定的夹石层） 1、简单结构（不含稳定的夹石层，有时含矸石透镜体） 2、复杂结构（含有较稳定1-2层的夹石层，甚或有多层。若有0.5m以上的矸层宜作为隔层顶板；或分采分运，不矸煤混杂而降低煤质。） （三）煤层厚度（煤层顶底板岩层之间的垂直距离，从数厘米到两百米不等。特厚煤8m以上，厚煤3.5m以上，中厚煤1.33.5m薄煤1.3m以下。） 具体分总厚度、有益厚度、可采厚度。,二、煤层的顶底板,（一）煤层的顶底板概念 1、煤层底板：先于煤层沉积的岩层； 2、煤层顶板：后于煤层沉积的岩层； （二）顶板结构 1、伪顶（随采随落，几厘米至几十厘米，多炭质泥岩、泥岩、页岩） 2、直接顶（采后不久即垮落，常数米，是一至多层泥岩、页岩或粉砂岩） 3、基本顶（难于垮落，厚度大，常是砂岩、砾岩、灰岩）,三、地质构造对煤层的影响,（一）单斜构造（产状要素有3：走向、倾向、倾角） 1、走向：煤（岩）层面与水平面的交线方向（两端延伸方向）； 2、倾向：真倾斜线、倾向箭线； 3、倾角：煤（岩）层面与水平面的锐角。 煤层倾角：45度，急倾斜煤层。 （二）褶皱构造（水平力挤压，岩层成波状弯曲且连续） 1、向斜 2、背斜,三、地质构造对煤层的影响,（三）断裂构造 1、断层要素：断（层）面，断盘（上盘、下盘），断层线（断面与地面的交线）及断煤交线（上盘断煤交线、下盘断煤交线），断距（地层断距、水平断距、垂直断距） 2、断层分类： （1）按断盘相对运动方向分类： 正断层，逆断层，水平断层 （2）按断面走向与岩层面走向的相对关系分类： 走向断层，倾向断层，斜交断层 构造复杂时，断层常以组合形式出现，如，阶梯状断层、地垒、地堑,四、岩桨侵入体与岩溶陷落柱,（一）岩桨侵入体概念 岩桨侵入到含煤地层时，即形成岩桨侵入体。 其主要影响有：使煤挥发分降低、灰分增高、黏（粘）结性减低，降低使用价值。 （二）岩桨侵入体主要产状 1、岩床（岩桨沿煤层层面侵入而形成的层状体） 2、岩墙（岩桨沿断裂隙向上侵入而形成的墙状体） （三）岩溶陷落柱 可溶性灰岩、白云岩等受地下水溶蚀而形成空洞，上部煤系地层塌陷，形成不规则柱体。,引例： “套路与散打”,复杂煤层概念： 1、正常煤层的地质情况： 煤层中存在断裂（断层） 煤层中存在褶皱（褶曲） 煤层中存在火成岩侵入和陷落柱 2、复杂煤层的地质情况： 煤层中，断裂（断层）发育或很发育，即断层多而密集，煤层受到较大破坏； 煤层中，褶皱（褶曲）紧密而复杂，产状变化剧烈，煤层受到较大破坏； 煤层中，火成岩侵入影响大并破坏煤层严重及陷落柱更大更复杂。,复杂煤层概念：,各地区的地质条件是千差万别的，但其共同点是煤层都遭受地质构造作用的严重破坏，而以各自不同的复杂形式赋存着。 所谓构造复杂煤层，系指井田内煤系地层沿走向及倾向产状变化较大，断层发育，有时受到岩浆岩严重影响的煤层，包括：“煤系呈紧密复杂褶皱，并伴有较多断层，产状变化剧烈；或煤系地层具有密集断层，煤层受到较大的破坏；或煤系地层受到岩浆岩侵入破坏，使构造更复杂化，同时煤层受到严重破坏”。,从煤层稳定程度上看构造复杂煤层可分为不稳定型和极不稳定型。,不稳定型即煤层厚度或煤质变化较大，或构造复杂，煤层具有变薄、尖灭或分叉现象，且有部分煤层的厚度不可开采或煤质达不到工业指标的要求，但尚有一定规律可寻。 极不稳定型即煤层厚度或煤质变化极大，或结构极为复杂，煤层常呈大小不等的透镜状或鸡窝状，一般不连续，不易寻出规律，仅局部地段煤层厚度及煤质达到工业指标。 例如，我省的嘉禾煤矿（湘煤嘉禾矿业公司）。,本课程主授内容,断裂构造煤层开采方法（12h）； 向斜构造煤层开采方法（8h）； 盆地构造煤层开采方法（6h）； 其他构造煤层开采方法（8h）； 不稳定煤层开采方法（6h）； 地应力显现及其控制专题（4h）； 案例分析专题（4h） 。,第一章 断裂构造煤层开采方法,第一讲： 断裂构造的影响及开拓部署中断层的处理方法（上）,一、断裂构造对开拓开采的影响,生产中常遇到的煤层很少有连续不断、平整如一的，大多数被断裂构造所破坏，煤层被切割成不同的断块，大块煤田被断层分成更少的部分，成为矿田（井田）或采区。即使在这些小断块内，由于断裂构造作用的结果，岩层产生不同方向的裂缝，使岩层遭到破坏，为其冒落和充水创造条件，给开采带来困难。,1763年，俄国学者M.B.罗蒙诺索夫就对断裂做过生动而确切的描述，他说：“平躺的（煤岩）层并不总是连续不断的在地下延展着的，而往往被石墙割断了，这种石墙把其他与含煤层位置相同的岩层也都一起隔断开来。在这种情况下，想打通这种石墙要花费许多劳力和金钱，尤其是，如果过墙以后煤层位置和原来的对不上了，而比原来煤层位置或者高了，或者低了；这一点可以根据开采一边的煤层的上下各层的性质猜测出来。凡是遇见隔墙的地方，岩层差不多总是不向上折就是向下折，这些从下边获到的情况就清楚了：如果石墙前面的煤层向下弯的，过了墙就向上弯了，或是平的；反之，原来向上弯的，过墙以后就向下倾斜了”。,（一）在被断层破坏的井田中，进行开拓、布置巷道和进行开采必须考虑断层的影响,1、划分水平和采区时，断层所处的位置及对开采的影响； 2、主要巷道（运输大巷，回风巷道和采区上、下山）与断层的相互位置关系； 3、各断块之间的联系方式，即所采用的巷道形式和数量； 4、掘进和开采遇断层时的技术措施及过断层的难易程度； 5、各生产系统之间是否协调。,（二）开拓或开采方案合理的要求？,上述几个问题处理得当，也就是在开拓或开采方案中，把断层对安全生产的影响减少到最低限度（安全、高效、低成本），那么这个开拓或开采方案就是比较合理的。 总之，断裂构造对煤层的作用结果，把煤层分割成四分五裂的状态，在有断层的情况下，巷道布置的实质就是要把孤立的各断块用巷道联系在一起，使其在构成的生产系统中成为一个整体，在开拓、掘进和回采时，就要提出具体的施工措施，使采掘工程顺利通过断层破碎带。,（三）处理断层的原则要求,在设计、准备和生产工程工作中，处理断层的原则要求应当是在保证安全生产的前提下，最大限度的减少断层对安全对生产的影响，减少处理岩石的工程量，降低成本及煤炭损失，尽快的通过断层。 （经济工作的基本原则：多快好省！）,根据断层在井田中的位置、落差大小及其对开拓和生产的影响程度来分别对待及处理之。,根据断层在井田中的位置和落差大小以及对开拓和生产的影响程度的不同来进行技术处理，这就是断层处理的“方法策略”。 对落差大的断层，应在开拓部署中考虑处理；对落差小的断层，由于难以预测，只好在掘进和开采中处理。因此，我们将从以下几方面谈谈断层的处理办法： 1、开拓部署中断层的处理；2、掘进巷道中断层的处理；3、采煤工作面中断层的处理。,二、开拓部署中断层的处理方法,在遭受断层破坏的地区，煤炭储量的分布将发生变化：有些断块局部可采；有些断块由于断层密布，丧失开采价值而无法开采；有些断块虽然可采，但由于落差和破碎带的影响，可采储量大大减少。由于储量的变化，我们必须调整开拓部署，针对不同的断块，改变巷道布置的方法。,复习,一、巷道类别（开拓巷道、准备巷道、回采巷道）及作用 二、断裂构造 1、断层要素：断（层）面，断盘（上盘、下盘），断层线（断面与地面的交线）及断煤交线（上盘断煤交线、下盘断煤交线），断距（地层断距、水平断距、垂直断距）断面产状（三点：走向、倾向、倾角）。 2、断层分类： （1）按断盘相对运动方向分类： 正断层，逆断层，水平断层 （2）按断面走向与岩层面走向的相对关系分类： 走向断层，倾向断层，斜交断层 构造复杂时，断层常以组合形式出现，如，阶梯状断层、地垒、地堑。,（一）划分井田处理法,煤田中存在着大断层，要根据断层落差、断层分布和煤炭储量情况，在划分井田时处理，大型矿井和中型矿井，可将落差大于100m的断层作为矿田边界，小型矿井可将落差大于50m的断层作为矿田边界。,案例分析：,例如，鹤壁矿区即以落差100m以上的走向NE、倾向NW的高角度正断层将煤田划分为矿（井）田，分别以7个断层，依次作为九矿、四矿、一矿、二矿、三矿、五矿和六矿的自然边界，矿井生产能力为25万t/a120万t/a（符号t吨，a年） 参见，图1-1。,提示1：,相邻矿井开采同一煤层时，必须在矿井边界处留出40m（参考值）以上的隔离煤柱；如果矿井是以断层分界时，要在断层两侧各留出隔离煤柱；如断层是含水断层，须要计算隔离煤柱尺寸。这样就划出了矿井开拓的技术边界。 我国矿区大部分是以断层划分井田的，井田边界两侧须留设防水煤柱，以防止发生突水事故后波及邻矿。,提示2：,矿井以断层作为井田边界时，应考虑断层导水的可能性，如属含水或导水断层(图1-2），则断层煤柱尺寸应以承受承压水的压力而保持煤柱的稳定来确定其尺寸。目前计算断层防水煤柱的尺寸有以下公式： （1）煤层直接与含水层接触(图1-3），亦称裘布衣公式，即 A=0.5l 式中 A煤柱宽度，m； l巷道（采场）宽或高，m； P水头压力，MPa； k p岩石抗张强度，MPa。,（2）煤层与含水层相隔一定距离（图14），亦称斯列萨烈夫公式，即 = 式中: 、 巷道底板及顶板隔水层厚度，m（图15）； 、 巷道底部及顶部宽度，m； 、 水头压力，MPa； 、 巷道底板及顶板隔水层容重，kg/ ； 、 巷道底板及顶板隔水层岩石抗张强度，MPa。 = 用上两式计算，选取较大值留置煤柱，并用下经验公式计算尺寸,经验公式计算煤柱尺寸（1）,峰峰、焦作和新汶等矿区对上述公式都做了验证，并提出了修正的经验公式。见图16。 A=0.5lk + n 式中： l巷道（采场）宽或高，m； k安全系数，25； P水头压力，MPa； kp岩石抗张强度，MPa； n 开采后采空区边界煤柱破坏宽度，m； t 隔水层厚度（图16）按上式 计算后加N修正； N 开采后底板破坏深度，m。,经验公式计算煤柱尺寸（2）,我国学者根据采动覆岩的破坏参数、静水压力的破坏尺寸和矿山测量误差等因素，综合考虑并提出分别计算断层上、下盘的防水煤柱尺寸。 1、断层下盘防水煤柱尺寸（图18)计算公式： W= + + W= Wp + Wf + 式中 ： W边界防水煤柱宽度，m; 煤柱边界受支承压力作用而形成的屈服带宽度，m；对中硬覆岩可取=(0.005MH); M煤层开采厚度（图18中以m 表示煤层采厚），m； H煤层埋藏深度，m； 抗静水压力破坏所需的煤柱宽度，m; mT矿井边界处确定煤柱位置的测量误差，取mT=3m; Wf抗覆岩破坏（导水裂缝带和岩层破坏角）导水所需的煤柱宽度，m。,抗静水压力破坏所需煤柱宽度 的计算,=0.5KM K安全系数，23； P水头压力，MPa; M煤层开采厚度，m； kp岩石抗张强度，MPa； ,Wf应据具体情况分别加以考虑：,1、当断层面走向与煤层走向垂直时： Wf=H柱（ctg1+ ctg ) 式中:H柱抗覆岩破坏导水所需岩柱高度，m; H柱=H裂+H保 H裂导水裂隙带高度，m; 对初次采动的煤层H裂：软覆岩 H裂=10M1； 中硬覆岩 H裂=20M1； 硬覆岩 H裂=30M1； M1单一煤层首次采厚，m; 对煤层分层开采或近距离煤层群开采H裂： 软覆岩 H裂=10M+10 ；中硬覆岩 H裂=20M+10； 硬覆岩 H裂=30M+10； M厚煤层各分层或近距离煤层群的累计采厚，m,M厚煤层各分层或近距离煤层群的累计采厚，m； H保保护层厚度，取10m； 1 断层面倾斜角； 岩层沿走向方向的裂缝角。,2、当断层面走向与煤层反向相交时： Wf=H柱ctg2+ ctg (- ) 上山方向的岩层裂缝角。 3、当断层面走向与煤层顺向相交时： Wf=H柱ctg2+ ctg (- ) 下山方向的岩层裂缝角。 按上述两种计算公式得出的煤柱尺寸W值，取其中大者，在首采煤层煤柱尺寸确定后，从其端点引相应的裂缝角划定各煤层的煤柱尺寸。,2、断层上盘防水煤柱尺寸计算（图19) ： 当断层面倾角小于相应的煤层顶板岩层裂缝角时，首采煤层仅考虑水压的影响，按式：W=Wy+Wp+mT计算。 如果断层面的倾角大于相应的煤层顶板岩层裂缝角时，视断层面和煤层的关系，采用相应的公式计算煤柱尺寸，此时注意ctg2 的符号， 2 90 时取“+”，2 90时取“-”。,第一章 断裂构造煤层开采方法,第二讲： 断裂构造的影响及开拓部署中断层的处理方法（下）,（二）井田内开拓中的断层处理方法,1、落差小，用单水平主要石门开拓 矿井开采水平的数目，决定于煤层的埋藏深度、沿倾斜的延长距离、煤层的倾角和煤层间距等。当煤层被断层破坏后，由于其相互位置发生了变化，井田内断层落差和断块的相对位置影响了矿井开采的水平的设置。 如煤层被断裂错动，其浅部和深部的各断块趋近于同一部位，此时可用（立井）单水平主要石门贯通各断块煤层，这有利于巷道布置（图110）。,2、落差大，用多水平开拓 当断层落差很大时，则必须用多水平开拓各断块如图111所示 。 案例：吉林蛟河煤矿开采煤层四层，被走向断层切割为四个断块，其下部有三个断块位置相近，设+75水平开采一块段，设-75水平开采二、三和四块段，断层的作用将深部的煤层错动抬起，给深部开拓开采创造了有利条件（图112）。,3、矿田深部被断层切割时，可以以断层作为井田的深部自然边界 矿田深部被断层切割时（图113），可以以断层作为矿田的自然边界，但这会使各煤层的斜长不一致，如果仍用石门联系各煤层，势必造成石门过长，最下层煤开掘很长的下山，或用两段下山开拓，给运输、提升、通风、排水和巷道维修带来困难。因此，在这种情况下，应当采用倾斜巷道（岩石斜巷）来代替石门开拓倾斜长度较大的煤层。,4、煤层被若干走向断层所断裂，用石门暗井方式的开拓,当煤层被若干走向断层所断裂，用主要石门开采不便时，可用石门暗井的方式联系各断块。 图114为石门暗井开拓实例，该矿每一断块都有石门和暗井独立进行运输和通风。,5、矿井深部部分煤层被断至开采水平以下时，可用暗井开拓。 图115所示，矿井深部部分煤层被走向断层所切割，如果用石门贯通被断裂的煤层，需要延伸井筒，并要开掘很长的石门，这是很不经济的。但在开采水平打一暗井沟通被断裂煤层，无论是对掘进还是对生产都是有利的。,6、井田内各断块赋存的水平位置和断块尺寸相差悬殊，以阶段（水平）差别较大的布置方式来解决之。,井田内各断块赋存的水平位置和断块尺寸相差悬殊，致使阶段（水平）的布置差别较大。 如枣庄矿务局八一煤矿主采第三层煤，井田中断层多且落差大，导致井田倾斜方向尺寸不一（图116）。矿井采用斜井多水平开拓方式，第一水平（-120M水平）走向长1.4km，斜长仅400M ，井田南翼煤层受断层切割，向深部断失，-300M以上没有煤炭；第二水平（-340M水平）走向长1.7km，斜长600M，基本上位于井田北翼；第三水平（-600m水平）走向长3km4.6km，斜长600m1000m，大部分位于井田南翼。因此，井田内的阶段划分达不到理论上的每个阶段贯通整个井田走向的要求，而成为分块段地划分阶段（水平），即-120M水平和-340m水平只在井田北翼出现，其深部水平南翼设在-600m，而北翼设在-560m；南北两翼水平数目不等，且煤炭分布的面积和储量亦不平衡，表明断层分割煤层造成矿井开拓难度很大。,7、由于断层可以使煤层群中不同的煤层错动在一起，开拓巷道可以布置在不同的煤层中。,在开拓煤层群时，由于断层可以使不同的煤层错动在一起，开拓巷道可以布置在不同的煤层中。 见图117，当穿过两道断层时却遇到了第二层煤和第四层煤，因此阶段运输大巷也就布置在不同煤层中了，从而改变了运输和提升系统在断层破碎区，用采区石门和区段暗井联系各断块以解决运输和通风的问题。,附：过去的做法（案例），采区石门暗井开拓。,图118是新邱四坑采区石门暗井开拓的例子。 东北地区许多矿井在采用石门暗井开采断层破碎区的例子很多，经验也很丰富。,8、井田中落差较小一些的断层，例如落差20m50m，可考虑作为水平或采区划分的依据。 被20m50m断层分割的井田断块，其倾斜长度较大，煤炭储量又能满足一个水平的服务年限，可以考虑以走向断层作为水平边界。如图119所示，某矿井田内有5条断层（基本上属于走向断层），将煤层分割为四大部分，该矿在开拓部署中，就以断层为界划分四个水平：-65m、-225m、-375m和-420m水平，这是一个很好的例子。,在上山（或下山）部分存在走向断层时，其落差较大，但被断层分割的倾斜长度较短，可以考虑以走向断层作为水平的辅助水平，当然运输将是两段，系统复杂些（图120）。,9、采区巷道布置要因地制宜采取适合方案,当矿田倾斜断层将煤层切割后，各断层煤层的长度长短不一，采区巷道布置要因地制宜采取适合的方案。断块走向长在千米以内，可用单翼上山；走向长在2000m左右可用双翼上山布置方案。断层落差大于20m，断块尺寸较大时，可以断层为采区边界。断层落差小于20m，断块尺寸较小时，则不以断层为界，采区可跨越断层。,案例,例如，20世纪50年代鸡西小恒山煤矿凡遇到断层落差在10m15m时，都采取通过断层的办法；断层落差大于20m，就以此作为采区边界划分采区，其效果较好；而岭西煤矿都采用了另开上山的办法，结果多开了绞车道、车场和切眼，影响了掘进率，增加了搬家次数。这是一个很明显的对照。,如以图121为例，其经济比较如下： i方案掘进费、运输费、维护费等费用，1，2，3，k。 至于是否跨越断层，这取决于经济效果，即当过断层石门方案的总费用小于另开上（下)山方案所需的总费用时，就采用过断层石门跨断层开采的方案。,在使用走向长壁采煤法时，往往因受断层的切割，采煤工作面的长度受到限制，此时可根据断层的分布方向，适时地改变巷道布置方式，采用不同的回采方法，以提高回采率和产量。,如某矿井田内断层较多，区内被断层切割成不同形状的条带，很难找出沿煤层走向近千米无断层的块段，难以布置长壁工作面，如采用倾斜长壁采煤法，则大大增强了对煤层的适应性，降低了巷道掘进率。 一采区走向长1000m左右，倾斜长700m1200m，区内有5条落差4m60m的正断层，把煤层沿走向分成了三个块段，为此采用了倾斜长壁法俯斜开采巷道布置（图122）。共划分了5个条带，在下部设一个集中煤仓，供5各条带使用，布置一个综采工作面保证采区产量。由于采用俯斜开采，解决了高瓦斯涌出超限的问题，这种布置方式简化了生产系统，改善了生产条件，巷道工程