吉克保护层开采可行性报告完毕.docx
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吉克保护层开采可行性报告完毕
云南新吉克矿业有限公司吉克煤矿
首采M11煤层可行性分析报告
吉克煤矿开采保护层调研组
2008年8月23日
前言
云南新吉克矿业有限公司吉克煤矿，自2007年3月份开工，当年实现井筒“三到底两贯通”,2008年3月和7月，副井绞车和地面扇风机分别投入了运行。
矿井的一水平（1615m）首采区，主要开采M7、M9、M11、M15四层煤层。
根据矿井实际揭露和地质补勘资料，M7煤层大部分不可采，设计确定首采工作面布置在M9煤层中。
在M9煤层的施工中，抚顺院对其瓦斯参数进行测定，鉴定M9煤层为煤与瓦斯突出煤层。
根据瓦斯治理等有关安全规定，需要开采保护层。
为此，根据集团公司的安排，我们于2008年8月14日至28日对吉克煤矿开采保护层问题进行了可行性研究。
一、矿井概况
吉克煤矿位于云南省曲靖市富源县墨红镇吉克村，距离富源县城45km。
本区为中低山相间的高原构造侵蚀山地地形，山区地形切割强烈，海拔标高+2175～+1792m，相对高差383m，地势东高西低，南高北低，中部低平。
井田面积6.58km2，地质储量8814.35万t，工业储量6862.95万t,可采储量3300.41万t。
矿井设计生产能力45万t/a，服务年限48.9年。
矿井采用斜井开拓，两个水平开采：
一水平标高+1615m，二水平标高+1520m。
矿井通风方式为中央并列式。
提风机采用GAF20—13.3—1轴流式扇风机，最大提风量6000m3/min。
矿井设计采用长壁后退式采煤法，顶板管理采用全部跨落法。
目前矿井正在施工井底车场、一采区大巷和1901回风顺槽，回风顺槽施工了60米。
详情见附图。
二、资源条件
（一）矿井地质
1、地层
矿井内分布的地层有二叠系中统茅口组，上统峨嵋山玄武岩组、龙潭组、长兴组；三叠系下统卡以头组、飞仙关组组等。
主要含煤地层为龙潭组、长兴组，上覆地层为卡以头组、飞仙关组。
中部沟谷中出露少许的卡以头组上部岩层，往东西两侧为飞仙关组。
第四系零星分布于山谷低洼区。
永宁镇组分布矿井外东部山峰。
2、构造
本矿井整体上为一走向北北东、倾向南东的单斜构造，附加次一级褶曲，断裂构造较为发育。
地面出露地层倾角在12°～22°，F11与F5之间地层倾角4°～9°。
矿井构造复杂程度中等。
矿井断裂构造较发育，总体上与区域构造方向一致，主要为北北东向。
矿井内有断层35条，其中正断层23条，逆断层12条。
落差≥100m的断层3条；落差≥50m～100m的3条；落差≥30m～50m的有1条；落差＜30m的有28条。
据三维地震资料，首采区范围内，主要断层有26条（见表1），其中DF9断层，主、风井联络巷实际揭露，落差为1.2m。
表1首采区断层特征一览表
断层
名称
断层性质
走向
（°）
倾向
（°）
倾角
（°）
落差
（m）
位置
控制
程度
DF1
正
204～233
294～323
70
0～25
矿井中部
查明
DF2
正
185～200
95～110
65
7～15
首采区西南部
基本查明
DF3
正
175～205
85～115
65
0～7
首采区西南部
基本查明
DF4
正
172～200
82～110
65
0～5
首采区西南部
基本查明
DF5
正
195～220
285～310
75
0～17
首采区西南部
查明
DF6
正
185～203
230～293
75
0～13
首采区西南部
查明
DF7
逆
139～168
230～258
70
0～15
首采区西部
查明
DF8
正
185～210
95～120
70
0～15
首采区西部
查明
DF9
正
176
266
70
0～5
首采区西北部
基本查明
DF10
正
217
127
72
0～5
首采区西北部
基本查明
DF11
逆
188～245
278～335
62
0～10
首采区中部
查明
DF12
正
228
318
75
<5
首采区南部
查出
DF13
正
173～197
83～107
65
0～14
首采区中南部
查明～基本查明
DF14
逆
195～220
285～310
65
0～5
首采区中部
基本查明
DF15
逆
120～138
210～228
65
0～15
首采区中部
查明～基本查明
DF16
逆
120
210
65
5～14
首采区东部
查明～基本查明
DF17
正
190
280
70
0～5
首采区东南部
基本查明
DF18
逆
133
223
65
0～5
首采区东南部
基本查明
DF19
逆
112～123
202～213
65
0～5
首采区东南部
基本查明
DF20
正
203
113
74
0～6
首采区东部
查明
DF21
正
180～213
270～303
65
0～7
首采区东部
查明
DF22
正
200～243
290～333
70
0～12
首采区东部
查明
DF23
正
150
240
66
0～10
首采区东部
基本查明
DF24
逆
227～237
317～327
70
0～10
首采区东北部
查明
DF25
正
175～200
265～290
65
0～8
首采区东北部
查明～基本查明
原F5
逆
201～222
111～132
68
0～35
矿井东部
查明
（二）煤层与煤质
1、煤层
吉克煤矿煤系地层为龙潭组（P3l）和长兴组（P3c），厚度225.80～272.61m，平均245.84m，煤系地层中含煤层54层,煤层总厚27.02m，含煤系数10.99%。
主要煤系地层为龙潭组（P3l）：
厚度155.60～173.07m，平均163.34m，含煤层35层，煤层总厚21.36m，龙潭组含煤系数13.08%。
全矿井可采煤层共7层（M7、M9、M11、M15、M16、M21、M22），总厚度14.41m，其中M7为局部可采，可采面积占全矿井29.3%，属薄煤层，其余均全区可采，为中厚煤层，煤层倾角一般5°～10°。
矿井各可采煤层特征及综合柱状见表2、图1。
表2矿井可采煤层特征表
煤层
煤层厚度（m）
煤层间距（m）
煤层结构
顶底板岩性
稳定性
视密度t/m3
可采
范围
最小～最大
平均
最小～最大
平均
夹石层数
夹石
岩性
顶 板
底 板
M7
0～1.81
0.92
19.27～28.09
25.96
0～1
高岭石泥岩
粉砂质泥岩夹薄层状菱铁岩
粉砂质泥岩
不稳定
1.4
局部可采
M9
1.69～6.17
3.82
0～1
高岭石泥岩
薄层状菱铁岩、粉砂质泥岩
粘土岩、粉砂质泥岩或泥质粉砂岩
较稳定
1.4
全区可采
13.79～22.1
18.83
M11
1.4～2.08
1.72
0～1
高岭石泥岩
粉砂质泥岩夹薄~中层菱铁岩
泥质粉砂岩或粉砂岩
稳定
1.4
全区可采
9.56～30.68
19.22
M15
1.47～4.30
1.93
0～2
炭质泥岩
粉砂岩、泥质粉砂岩夹少量菱铁岩
泥质粉砂岩
较稳定
1.4
全区可采
6.28～14.50
12.04
M16
1.23～1.97
1.66
0～1
高岭石泥岩
粉砂质泥岩夹炭质泥岩
粉砂质泥岩或泥质粉砂岩
稳定
1.4
全区可采
27.95～38.93
32.43
M21
1.52～3.14
2.31
0～1
高岭石泥岩或泥岩
细、粉砂岩或粉砂质泥岩夹薄层菱铁岩
泥质粉砂岩
稳定
1.4
全区可采
3.05～15.11
9.11
M22
0.48～2.84
2.04
0～2
泥岩
泥岩或粉砂质泥岩
粉砂质泥岩
稳定
1.4
全区可采
图1综合柱状图
据矿井补充勘探地质报告和矿井实际揭露资料，一水平首采区M7煤层局部可采，可采面积约占首采区的29.3%，属薄煤层，M9、M11、M15煤层全区可采，为中厚煤层。
煤层埋深190～300m，平均245m。
采区内煤层产状变化较大，1901工作面中部以北，走向N50º，倾向东南，倾角9～11º；工作面中部以南，走向N140º，倾向东北，倾角3～7º。
首采区M7、M9、M11、M15煤层特征，见表3。
表3首采区可采煤层特征表
煤层
煤层厚度（m）
煤层间距（m）
煤层结构
煤层稳定性
视密度t/m3
可采
范围
最小～最大
平均
最小～最大
平均
夹石层数
夹石
岩性
M7
0～1.81
0.89
19.08～28.09
25.11
0～1
高岭石泥岩
不稳定
1.4
局部可采
M9
1.69～6.17
3.42
0～1
高岭石泥岩
较稳定
1.4
全区可采
15.99～22.1
19.59
M11
1.3～1.96
1.69
0～1
高岭石泥岩
稳定
1.4
全区可采
9.56～30.68
18.9
M15
1.47～2.55
1.82
0～2
炭质泥岩
较稳定
1.4
全区可采
6.34～12.79
10.91
M16
1.23～1.86
1.59
0～1
高岭石泥岩
稳定
1.4
全区可采
首采区煤层顶底板岩石特征：
（1）M7煤层：
顶板以泥岩类为主，局部相变为粉砂岩、细砂岩。
厚1.60～5.96m，岩石强度指数为16.7～31.2，为不稳定～较稳定顶板。
底板以泥岩类为主，局部为粉砂岩，厚1.29～6.20m。
补2101号孔具炭质泥岩伪底，厚0.56m。
岩石强度指数为16.7～23.8，为不稳定底板。
（2）M9煤层：
顶板以粉砂岩为主，局部为泥岩类，厚4.96～17.96m。
局部具炭质泥岩伪顶，厚0.22m。
RQD值为43～68%，岩石强度指数为26，为不稳定顶板。
底板以泥岩类主，偶见粉砂岩，厚0.90～5.28m，RQD值为0～56%，岩石强度指数为19.8，局部具泥岩伪底，厚0.48m。
为不稳定底板。
（3）M11煤层：
顶板以泥岩类为主，局部为粉砂岩，厚2.60～9.25m，RQD值为0，岩石强度指数为8.7，偶见泥岩伪顶，厚0.55m，为不稳定顶板。
底板为泥岩和粉砂岩，厚0.89～6.06m，局部具泥岩伪底，厚0.50～0.60m，为不稳定底板。
（4）M15煤层：
顶板以泥岩类为主，局部相变为粉、细砂岩，厚0.8～4.18m。
底板为泥岩类，厚0.74～2.05m。
为不稳定顶、底板。
2、煤质
M7煤层为高灰、特低～低硫、特低磷、高热值煤，M9、M11、M15、M16、M21、M22均为低~中灰、特低～低硫、特低磷、特高热值煤。
煤种：
M7、M11、M15煤层为1/3焦煤（1/3JM25）、焦煤（JM25），M9、M16、M21、M22煤层均为焦煤（JM25）。
（三）瓦斯、煤尘、煤层自燃性等情况
1、瓦斯
（1）地质报告及初步设计对瓦斯的测定和分析情况：
通过查阅矿井地质报告、地质补勘报告和矿井初步设计，查得一水平五层煤的瓦斯情况如表4及表5。
表4地质报告、初步设计瓦斯情况表
煤层编号
煤层瓦斯含量（m3/t）
初步设计
原勘探钻孔
补勘钻孔
M7
13.59
13.59
13.70
M9
14.57
8.19
8.43
M11
10.63
10.63
7.29
M15
4.09
4.09
4.49
M16
6.01
6.01
8.58
表5非常规瓦斯测试成果表
项目
煤层
（件）
水分Mad
（%）
灰分Ad
（%）
坚固性系数
f
孔隙率
F
（%）
吸附试验
瓦斯放散
初速度
ΔP
试验
温度
ts
（℃）
瓦斯
压力
P
（MPa）
吸附瓦斯常数
体积
a
压力
b
M9
0.86
20.47
0.75
2.72
36
2.91
23.084
0.257
2.366
M11
1.16
18.66
0.74
3.42
36
2.94
21.208
0.286
3.088
M15
1.35
28.73
0.74
4.43
36
3.27
19.337
0.238
2.366
M16
1.31
26.05
0.71
3.90
36
3.77
17.665
0.339
2.300
（2）邻近矿井瓦斯调查情况：
对周边煤矿的瓦斯涌出情况进行了调研，瓦斯相对涌出量较大，都是高瓦斯矿井。
周边煤矿的瓦斯涌出情况见表6。
表6临近矿井瓦斯鉴定表
煤矿名称
年产量（万t）
开采煤层
开采标高
（m）
矿井瓦斯涌出量
瓦斯等级
煤层
煤厚（m）
相对量（m3/t）
绝对量（m3/min）
金鑫煤矿
5
7
1.4
1690
59.7
7.38
高
沿河煤矿
6
9
2.5
+1600
40.19
6.23
高
阿令德煤矿1号煤井
6
9
2.5
+1593
41.70
4.92
高
（3）现场实测情况：
2008年4月，煤炭科学研究总院抚顺分院对M7、M9、M11煤层的瓦斯基础参数开始测定，截止目前完成了部分参数的测定。
煤炭科学研究总院抚顺分院测定的部分瓦斯基础参数见表7。
表7瓦斯基础参数测定结果汇总表
参数名称
对象煤层
参数值
煤层瓦斯压力（绝压）
M9
1.80MPa
煤层瓦斯含量
M9
8.05m3/t
M11
5.91m3/t
破坏类型
M9
Ⅲ（软分层）
M11
Ⅲ（软分层）
瓦斯放散初速度ΔP
M9
24.94
M11
6.20
煤坚固性系数
M9
0.18
M11
0.20
吸附常数
M9
a
28.871m3/t
b
0.643MPa-1
M11
a
20.923m3/t
b
0.577MPa-1
煤层自燃倾向性
M9
Ⅱ类自燃
M11
Ⅱ类自燃
煤尘爆炸性
M9
有
M11
有
孔隙率
M9
7.04%
全硫
M11
0.12%
（4）M9煤层巷道掘进时瓦斯涌出情况
在井筒穿过M9煤层，施工瓦斯抽排孔和效果检验孔时，钻孔有喷孔现象；1901回风顺槽施工时，喷孔现象严重：
施工瓦斯抽排孔和效果检验孔243个，钻深25～30m，其中喷孔53个，喷出煤量约560t，1901回风顺槽瓦斯正常涌出量为2.2m3/min，瓦斯浓度最高达4％（瓦斯传感器显示）。
2、煤尘爆炸性
矿井各煤层煤尘均具有爆炸性。
3、煤层自燃发火倾向性
矿井各煤层均为为自燃煤层。
三、首采区开采煤层瓦斯突出危险性分析
（一）M7煤层突出危险性预测
M7煤层由于矿井开拓过程中揭露煤层很薄，揭露时间短，瓦斯各项参数正在由煤科总院抚顺分院进行测试鉴定。
矿井在主、副、风井筒和一采区回风巷共揭入4次，利用“长探短掘”施工方法直接揭穿，无瓦斯动力现象。
同时，对吉克煤矿周边的煤矿进行了调研，周边煤矿在开采M7煤层过程中，均未发生过瓦斯动力现象和煤与瓦斯突出情况，据此，初步判断M7煤层无煤与瓦斯突出危险性。
但矿井应及时对M7煤层的瓦斯参数进行测定，以确定煤层的突出危险性。
（二）M9煤层突出危险性预测
M9在主井揭露煤层时，煤科总院抚顺分院对煤样进行了化验，煤的突出危险性指标测定如下：
煤的坚固性系数f＝0.18＜0.5
瓦斯放散初速度ΔP＝24.94＞10
煤层瓦斯压力P=1.8MPa＞0.74MPa
突出危险性综合指标K＝138.56＞15
煤的破坏类型为Ⅲ类。
根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》标准，煤层掘进过程中发生过瓦斯动力现象，同时瓦斯突出的四个指标全部超过临界值，据此初步判定M9煤层有突出危险性，为煤与瓦斯突出煤层。
（三）M11煤层突出危险性预测
煤科总院抚顺分院对M11煤层测定瓦斯放散初速度ΔP＝6.2，煤的坚固性系数f＝0.2，煤层瓦斯含量5.91m3/t，煤的破坏类型III类，煤层瓦斯压力没有测定。
矿井在主井、风井筒联络巷、一水平回风巷和调车场揭入煤层3次。
主、风井筒联络巷利用“长探短掘”施工方法直接揭穿，没有发生瓦斯动力现象；一水平回风巷和调车场为半煤巷，利用“长探短掘”施工方法施工，没有发生瓦斯突出现象，迎头瓦斯涌出量1.2m3/min，放炮后瓦斯涌出量偏高，浓度高达3％。
8月23日我们下井在调车场查看凭感觉f值大于1，煤的破坏类型达不到III类，认为抚顺分院测定的参数与实际出入较大，需要重新取样测定。
根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》标准，当没有发生瓦斯动力现象时，可参考煤的破坏类型、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力四个指标，只有全部指标达到或超过临界值时，方可划为突出煤层。
因瓦斯放散初速度ΔP＝6.2，比标准ΔP＝10要低，据此初步判断M11煤层不是突出煤层。
但是根据当地煤炭安全监察部门介绍，该煤层局部具有一定的突出危险性。
因此在开采M11煤层时，当发生瓦斯异常现象和遇有断层等地质构造时，应采取必要的防突措施。
（四）M15煤层突出危险性预测。
地质报告资料显示：
M15煤层煤的坚固性系数f=0.74，瓦斯压力P=4.43，瓦斯放散初速度ΔP＝2.366。
由此可知，只有瓦斯压力（P=4.43>0.5）一项指标超过临近指标，故M15煤层无突出危险性。
综上所述，首采区的M7、M9、M11、M15层煤中，M9是煤与瓦斯突出煤层，其他煤层初步判定不是突出煤层。
四、开采保护层可行性分析
通过以上分析，M9煤层为煤与瓦斯突出煤层，因此吉克煤矿是煤与瓦斯突出矿井。
根据《防治煤与瓦斯突出细则》第45条规定，在突出矿井开采煤层群时必须首先开采保护层。
（一）保护层的选择
1、保护层选择的原则
根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出细则》有关规定，在选择保护层时应遵循下列原则：
（1）首先选择无突出危险的煤层作为保护层。
当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时，应根据安全、技术和经济的合理性，综合比较分析，择优选定。
（2）矿井中所有煤层都有突出危险时，应选择突出危险程度较小的煤层作为保护层，但在此保护层中进行采掘工作时，必须采取防治突出措施。
（3）选择保护层时，应优先选择上保护层，条件不允许时，也可选择下保护层，但在开采下保护层时，不得破坏被保护层的开采条件。
2、上保护层选择
M9煤层之上有一局部可采M7煤层，层间距平均为25.11m，煤厚0.89m，可作为保护层选择。
但是在矿井首采区中，M7煤层大部分煤层开采厚度都在0.7m以下，为不可采煤层。
首采区中M7煤层只能布置两个采煤工作面，作为保护层选择，对M9煤层的保护范围有限,先采M7煤层不会达到全面防止M9煤层煤与瓦斯突出的目的，不能从根本上解决M9煤层防突问题。
同时，M7煤层的灰分较高，达到26.68%，且有1层夹矸，开采M7煤层在经济上也不合理。
因此在首采区中，M7煤层作为M9煤层的保护层不可取。
但是在M7煤层全部可采的采区，M7煤层作为M9煤层的上保护层，应优先选择。
3、下保护层选择
由于首采区中M7煤层不具备大面积开采条件，不能作为M9煤层的有效保护层。
M11煤层和M9煤层层间距在15.99m～22.1m之间,M11煤层厚度在1.3～1.96m之间，该层不属突出煤层，因此M11煤层有条件作为M9煤层的下保护层供选择。
开采保护层后，开采层周围的岩层和煤层向采空区方向移动、变形，根据卸压程度的大小，在垂直保护层层面方向可划分为三个带：
①岩石混乱移动带（冒落带）；②岩石完整性破坏移动带；③岩层弯曲带（弹塑性变形带）。
因此，保护层的有效层间垂距，在不配合人工抽放瓦斯时，实际为第Ⅲ带的边界到保护层的层间垂距，在抽放瓦斯时，有效层间垂距可扩大。
保护层的有效层间垂距应根据矿井实测资料确定，对暂无实测资料的矿井可参照表7确定。
表7保护层的有效层间垂距
煤层倾斜
未抽放瓦斯（m）
结合抽放瓦斯（m）
下保护层
上保护层
下保护层
上保护层
急倾斜
50
40
80
60
缓倾斜和倾斜
80
30
100
50
吉克煤矿开采下保护层，煤层属缓倾斜煤层，其保护层的有效层间垂距在抽放时为100m，不抽放时为80m。
M11煤层到M9煤层的垂距在15.99m～22.1m之间，小于80m。
由此可见，在M11煤层开采后，M9煤层已完全处于有效保护范围。
（二）开采M11煤层下保护层的可行性分析
1、技术理论分析
①比值判别法（《采煤学》《开采方法》）
生产实践和研究证明,当保护层和被保护层层间距离和保护层采高比值k大于7.5时,一般可以不影响上煤层开采,上煤层采掘活动应在下煤层采后4～6个月进行。
用比值k的大小判别,即:
k=H/M
式中:
H———上下煤层之间的垂距,m;
M———下煤层采高,m。
该矿M11煤层厚度在1.3～1.96m之间,层间距在15.99m～22.1m之间，根据钻孔资料，M11煤层厚度最大1.96m处对应的层间距是21.63m,k值计算为11;层间距最小15.99m处对应的煤层厚度为1.64m,k值计算为9.8,可见M11煤在开采厚度最大和层间距最小时，k值均大于7.5,从比值法角度分析,M11煤可以作为下保护层开采。
②“三带”判别法（《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》）
采用长壁垮落法采煤时,上覆岩层移动、变形和破坏,分为“三带”,即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。
“三带”判别法认为上下煤层间距大于下煤层开采的冒落带高度和裂隙带高度,就可以先开采下煤层。
对开采单一煤层时,冒落带高度和裂隙带高度按以下公式计算:
冒落带高度：
Hm=（M–W）/（K-1）cosα
式中:
Hm———冒落带高度,m;
M———开采煤层厚度,m;
α———煤层倾角,取最大值10°;
K———冒落岩石碎胀系数（1.1～1.25）,取1.2;
W———冒落过程中顶板下沉值（0～0.2m）,取0.2m;
该矿井M11煤层上覆岩层为软弱岩组为主，选取以下公式计算裂隙带高度：
Hi=100M/（3.5M+5.0）±4.0（公式一）
Hi=10M1/2+5（公式二）
式中:
Hi———裂隙带高度,m。
计算出M11煤层最大厚度1.96m、最小厚度1.3m和最小层间距15.99m处的冒落带高度分别为8.9m、5.6m、8.2m；按公式一和公式二计算的裂隙带高度分别为20.53m、17.61m、19.27m和19m、16.24m、17.81m，因此被保护层M9煤层除最小层间距处位于裂隙带上位外,其它M9煤层结构不会发生变化，可正常进行开采。
M11煤层冒
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