第１９卷第１２期 ２０１０年１２月 中 国 矿 业 ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖｏ１．１９。Ｎｏ．１２ Ｄｅｅ ２０１０ 松散覆岩下提高煤层开采上限技术研究 宋忠应 （中煤集团大屯公司安全监察部，江苏沛县２２１６１１） 摘要：通过对龙东煤矿第四系底部含水层、隔水层、风氧化带的分析，从岩性、结构和力学性质 研究，均有隔水性和抗裂性，确定可以实施提高开采上限，并允许一部分裂隙带波及松散层的弱含水 层，可以留设防砂煤岩柱。采取钻孔冲洗液法、井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测技术确定两带高度， 从而确定开采上限，并通过试采的方法，全面提高龙东煤矿的开采上限。 关键词：龙东煤矿；含水层；隔水层；开采上限 中图分类号：ＴＤ８２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—４０５１（Ｚ０１０１ ｌＺ一００６５—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍｉｎｉｎｇ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｌｏｏｓｅ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ｒｏｃｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ＳＯＮＧ Ｚｈｏｎｇ—ｙｉｎｇ （ＤａＴｕｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｉｎｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｐｅｉｘｉａｎ ２２１６１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｎｉｎｇ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｗｅａｋ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｌａｙｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｂｙ ｓｏｍｅ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｂｅｌｔ，ａｎｄ ｄｅｆｅｎｄｉｎｇ ｓｔｏｎｅ ｃｏｌｕｍｎ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｔａｉｎｅｄ．Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ＬｏｎｇＤｏｎｇ ｍｉｎｅ’Ｓ ｕｎ— ｄｅｒｌａｙ ｒｏｃｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｇｒｏｕｎｄ ｌａｙ’Ｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｗａｔｅｒ，ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｂｅｌｔ，ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｔｙｐｅ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｔｈ ｅｎｄｓ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｕｐｐｅｒ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔＯ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ．Ｔｈｅ ＬｏｎｇＤｏｎｇ ｍｉｎｅ’Ｓ ｍｉｎｉｎｇ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｂｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｔｒｙｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬｏｎｇＤｏｎｇ ｍｉｎｅ；ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｌａｙｅｒ；ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｌａｙｅｒ；ｍｉｎｉｎｇ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ １井田水文地质概况 灰岩。 龙东煤矿是以厚黏土为主的第四系地层不整 合于基岩之上，隔绝了地表水体与基岩之间的水 力联系，且第四系底部还发育有底隔（虽然不是 第四系自上而下分为六个含水层、五个隔水 层，含水层以砂为主，二含和四含水量丰富，分 布稳定，五含和底含富水性较弱，在露头附近开 全区发育），使第四系底含水和基岩水进行交换非 常缓慢，从而使该区成为一个补给不良、排泄不 畅的封闭或半封闭水文地质单元。 采时对回采有一定的影响。 侏罗白垩地层主要分布在井田西北部和东部 断层附近，其底部有一层砾岩，厚度０～８．８ｍ，溶 洞裂隙发育，富水性较强，但距可采煤层较远， 对煤层开采影响不大。 山西组地层中，山西组砂岩裂隙对７煤层开采 该矿井存在的主要含水层有：第四系侏罗白 垩系砾石、上下石盒子组砂岩、山西组煤层顶底 砂岩、石炭系太原组灰岩、奥陶系灰岩，其中对 矿井开采影响较大的有：第四系底部砂砾层、山 西组７煤层顶、底板砂岩、太原组灰岩和奥陶系 较为直接，其砂岩裂隙率一般为４～６ ，涌水量 一般，属于封闭或半封闭的水文地质环境，为承 压裂隙、孔隙含水层。 收稿日期：２０１０ ０７—０９ 太原组共发育有１４层灰岩，灰岩裂隙发育不 作者简介：宋忠应（１９６３一），男，安徽舒城人，１９８５年毕业于淮 南矿院，１９９３年硕士研究生毕业于中国矿业大学，多年来一直从 事煤矿地质防治水、安全管理和安全监察工作，现任大屯煤电公 司安全监察部部长。 均一，其富水性呈明显的非均性，其中四灰、十 二灰厚度较大，分布稳定，岩溶裂隙发育，含水 量较丰富，对矿井开采影响较大，其中十二灰是 ６６ 该区主采２１煤层的直接顶板。 中国矿业 第１９卷 也是对应两个：起胀控制台和注水控制台。起胀 控制台、起胀管路和双端堵水器的两个胶囊相连 奥陶系灰岩为区域性强含水层，厚度大，裂 隙岩溶发育程度不一，富水性不均，现阶段对矿 井生产威胁不大，但对开采２１煤层影响较大。 ２两带高度观测试验研究 通，构成控制胶囊膨胀和收缩的控制系统。注水 控制台，注水管路和双端堵水器的注水探管相连 通，构成一个控制和观测岩层导水性的注水观测 系统Ｅ 为了研究中央采区提高开采上限的技术可行 性、经济合理性、安全可靠性，并为后续采区大 面积开采提供数据和开采依据，分别在７１１１和 ７１２６工作面开展了两带高度观测工作，并用两种 方法观测，获得了风化覆岩与未风化覆岩的两带 发育高度，揭示了不同性质煤层覆岩破坏与冒落、 裂隙的发展规律口 ］。 ２．１钻孔冲洗液法观测两带高度 在７１ｌ１工作面采用钻孔冲洗液法观测两带高 度，共布置５个观测钻孔，观测方法为采后地面钻 孔观测法，即利用钻进过程中钻孔冲洗液消耗量、 钻孔水位下降速度、岩心特征及钻进异常等指标 综合判断冒落带和导水裂隙带高度 一。 此次观测得出，冒高为９．５～１０．９ｍ，为采厚 的３．６７～４．２９倍，裂高为３４．５～４Ｏ．４８ｍ，为采厚 的１３．５１～１５．９３倍。 ２．２井下仰斜钻孔双端堵水器导高观测 在７１２６轻型放顶煤工作面采用先进的井下仰 斜钻孔双端堵水器导高观测新技术，即在工作面 周边，向采空区上方的覆岩导水裂隙带内打仰斜 钻孔，采用双端堵水器观测导高，与传统的地面 打钻孑Ｌ，采用钻孔冲洗液消耗量观测法相比，该 方法工程量小，成本低，精度高，简单易行 ］，如 图１所示。整个观测仪器由三部分组成：双端堵水 器、连接管路、控制台，如图２所示。 图１ 井下仰斜钻孔导水裂隙带高度观测示意图 双端堵水器由两个起胀胶囊和注水探管组成。 连接管路有两条：起胀管路和注水管路。控制台 图２ 井下斜钻孔双端堵水器导高观测原理系统图 在停采线一侧以不同的仰角施工了３个仰斜钻 孔，根据观测孔的观测，并综合分析观测成果， 得出冒高值为１６．７ｍ，为采厚的３．８倍；导高值为 ３５ｍ，为采厚的８倍。导高上界接近基岩风化带。 ３ 露头煤柱设计与开采上限的确定 ３．１提高开采上限的分析 以首采主煤层７层煤回采面分析为基础，其赋 存浅，松散层厚，底隔较稳定。尤其是中部隆起 的宽缓褶皱地段，７层煤顶部基岩残厚较薄，风化 程度高，对开采上限提高的研究分析与确定，解 放上限煤柱压占煤量，是极为理想的场所。因此， 自１９８８年起，龙东煤矿就开始对合理留设首采７ 层煤防水煤岩柱尺寸、提高开采上限的可能性， 先后在中部隆起区的北辅块段、西辅块段及东部 的东一采区浅部进行了专门的论证工作，并取得 了预期成果。 （１）北辅块段防水煤岩（土）柱的分析与留设 从北辅块段各类取心钻孔分析可知，第四系 松散层底部五含岩性多为中砂、细砂及黏土质砂。 且泥质含量较多，为弱或极弱含水层。根据《建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤岩柱留设与压煤 开采规程》中有关要求，在弱或极弱的含水层下 开采时，可留设防水安全煤岩（土）柱，甚至有 可能留设防砂安全煤岩（土）柱。 （２）西辅块段防砂煤岩柱的分析与留设 西辅块段位于中央采区的西侧，该区７层煤角 度平缓，埋藏最浅，大部分煤量处于原设计开采 第１２期 宋忠应：松散覆岩下提高煤层开采上限技术研究 ６７ 上限而成为防水煤柱压煤量，占该块段工业储量 的６０．７ 。解放该区防水煤岩压占量，经济效益 极为显著。根据西辅块段的实际情况及具体地质 特征，分析认为：该区松散层厚度为１９２．９２～ ２１４．５５ｍ，下部五含岩性主要为中、细砂，少部分 为粗砂，厚２．６～９．７７ｍ，该含水层的富（含）水 性属较弱；底部黏土层主要为黏土及砂层黏土， 厚５～１５ｍ，西辅块段大部分底部均有分布。从对 该层位土样测试结果看，其塑性极好，其隔水性 和抗裂性好，有利于阻止上覆砂层水下渗及采后 裂隙的向上发展，可作为防水的组成部分。在这 种水文地质条件下，根据《“三下”开采规程》中 有关要求，可允许一部分裂隙带进人松散层的弱 含水层，可以实施留设防砂煤岩柱开采。 （３）东一采区上部防水煤岩柱的分析与留设 在北辅块段、西辅块段合理确定防水煤岩 （土）柱尺寸及提高开采上限研究与实践取得成功 的基础上，龙东矿再次展开对东一采区上部的提 高上限的研究。但该区具有独特的地质、水文地 质特征：呈透镜状无规律分布发育不均一的第四 系底含直接覆盖于基岩之上。从井下２个专门探放 水钻孔资料表明，第四系底含为黏土、粗中砂及 粉砂互层，稍含砂砾，单孔最大出水量０．２ｍ。／ｈ， 径流条件差，为富含水性弱的含水层，且７层煤顶 板砂岩含水性弱。因此，对该区不作土柱分析， 只适合于防砂岩分析与留设。 ３．２不同块段开采上限的确定 （１）两带高度的计算 根据对各块段７煤层上覆岩层的分析，对顶板 岩石均按软弱岩层考虑 ，依据《建筑物、水 体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》， 对各块段两带进行预计： １ ０Ｏ Ｍ 冒落带高度：Ｈ 一—— ６・２ Ｍ＋一３２ ±１．５ １ ｏＯ Ｍ 导水裂隙带高度：Ｈ 一—— 等｝３・１ Ｍ＋５ ±４．０ 式中：Ｈ 、Ｈ 、Ｍ分别为冒落带高度、裂隙 带高度和工作面采高。 因此可知当采高为２～２．５ｍ时，两带高度下 限为１６．４～１８．１ｍ，上限为１９．４～２１．１ｒｎ；当采高 为５ｍ时，两带高度为２０．４～２８．４ｍ为宜。因此可 以看出，在研究范围内大部分地段岩柱高度能达 到理论计算值，仅局部小范围内有所不同。 （２）开采上限的确定 根据上述理论计算及分析，上限提高范围内 的块段西辅、北辅块段的开采上限应为一１８０ｍ， 东一采区上部开采上限为一１８５ｍ，可以满足防水 煤岩（土）柱的安全高度。 ４松散覆岩下开采防水、防砂技术研究及实践 ４．１研究技术路线 为了确保提高开采上限的安全生产，现场实 践过程中采用的技术路线为：底部含水层的探放 一顶板管理技术研究一强风化围岩巷道支护研究 一强化监测及防范一掘进工作进入提高上限区的 原则措施一试采的原则的确定。 ４．２提高开采上限技术实践 为了保证安全生产，取得龙东矿首个提高上 限工作面的成功经验及资料，确定首先试采北辅 块段７１２１工作面，该面最小岩柱厚度仅为１３．１ｍ， 土柱厚３．１ｍ，工作面开采上限设计为一１８０ｍ，较 原设计上限提高２０ｍ。 东一采区及西辅块段的上限提高是在北辅块 段开采成功的基础上开展的。东一采区原设计上 限为一２１０ｍ，虽然煤岩（土）柱厚度较大，但该 处地质、水文地质条件相对复杂，因此设计开采 上限为一１８５ｍ。而西辅块段的地质、水文地质条 件同北辅块段更较为一致，因此确定将上限提高 ２０ｍ为一１８０ｍ，进行了由小王庄向斜两翼先布设 了工作面，再向轴部扩采的开采方式，从而形成 了以点代面、以面顾全区的试探式开采理念。有 目的地将其地质、水文地质条件由简单到复杂逐 渐过渡，逐步把自然环境人为优化达到安全开采 的目的，确保资源全面回收。 龙东煤矿经过十余年提高开采上限的分析研 究与实践工作，先后在北辅块段、西辅块段及东 一上部块段，在分析与研究的基础上取得了缩减 松散层防水煤柱均将开采上限提高２０ｍ的可行性 研究成果，共解放松散层防水煤柱压占量达５３０多 万吨。并在北辅块段７１２１分层综采工作面试采获 得成功，近年来在西辅块段的７１４１上、７１３２上以 及东一上部的７３ｌ７轻放、７３２１上各工作面，均实 现了安全回采。 ５ 结 论 通过龙东矿中央采区北辅、西辅块段和东一 采区的水文地质条件研究、水文补充勘探、试验 资料的分析和煤岩（土）柱质量评价，以及北辅 工作面提高开采上限的成功，可得以下结论 ： （１）中央采区的北辅、西辅块段煤系地层的上 （下转第７Ｏ页） ７０ 中国矿业 第１９卷 从图１中可以看出，采用ＧＹＲ作为捕收剂， 对闭路试验浮选尾矿镜下观察发现，尾矿中 精选次数要达到五次，钨的品位才能达到６２％以 上，但是通过适当的调整药剂可以减少精选次数。 从图２可以看出，扫选三次后回收率变化不大，精 矿品位也变化很小，因此确定扫选次数为３次。 ２．５全流程闭路试验 全流程闭路试验的Ｔ艺流程见图３，试验的结 果见表６。 磁ｉ先尾矿 含钨矿物主要是白钨矿，有极少的黑钨矿，粒度 大小在０．００５～０．０８ｍｍ之间，单体解离度达到 ９Ｏ．１５ ，杂质矿物主要有萤石、方解石、辉石， 少量的磁铁矿、符山石、绿帘石、石英、黄铁 矿等。 ３ 小结 （１）该矿的有用矿物主要为白钨矿、磁铁矿， 虽然该矿含锡的品位达到０．２５ ，但难以回收； 脉石矿物主要有萤石、石榴子石、辉石等。白钨 矿呈粗细不均匀嵌布，整体嵌布粒度偏细。 （２）通过粗磨磁选，磁选尾矿直接浮钨，采 用一粗五精三扫流程，可获得含ＷＯ。品位 ６１．９２ 、回收率７４．８２％的钨精矿产品。该工艺 流程所获指标较高，且工艺流程稳定可靠，药剂 制度简单，生产易于实现。 参考文献 Ｉ ［１］ 林海清．近２Ｏ年来我国钨选矿技术的进展［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００１，１ ６（５ ６）：６９—７５． ［２］ 徐晓萍，易贤荣．江西某钨矿的可选性试验研究［Ｊ］．中 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杨永秀，赵道辉．提高矿井开采上限的关键技术研究ＥＪ３． 煤炭工程，２００３（６）：９—１１． （３）确定了龙东煤矿中央采区及东一采 留