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煤层自然发火规律分析对策及拓展.rar

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    煤层 自然 发火 规律 分析 对策 拓展
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    中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 目 录一般部分1 井田概况及地质特征 .........................................................................................................11.1 井田概况 ..................................................................................................................11.2 地质特征 ..................................................................................................................21.3 煤层特征 ..................................................................................................................42 井田境界和储量 .................................................................................................................82.1 井田境界 ..................................................................................................................82.2 矿井各类储量的计算 ..............................................................................................83 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限 ...................................................................143.1 矿井工作制度 ........................................................................................................143.2 矿井设计能力及服务年限 ....................................................................................144 井田开拓 ...........................................................................................................................164.1 井田开拓的基本问题 ............................................................................................164.2 矿井基本巷道 .........................................................................................................235 准备方式— 采区巷道布置 ...............................................................................................325.1 煤层地质特征 ........................................................................................................325.2 采区巷道布置及生产系统 .....................................................................................335.3 采区车场选型设计 .................................................................................................366 采煤方法 ...........................................................................................................................396.1 采煤工艺方式 .........................................................................................................396.2 回采巷道布置 .........................................................................................................507 井下运输 ...........................................................................................................................537.1 概述 .........................................................................................................................537.2 采区运输设备选择 .................................................................................................557.3 大巷运输设备选择 .................................................................................................578 矿井提升 ...........................................................................................................................598.1 概述 .........................................................................................................................598.2 主副井提升 .............................................................................................................599 矿井通风及安全 ...............................................................................................................649.1 矿井通风系统选择 .................................................................................................649.2 采区及全矿所需风量 ............................................................................................689.3 矿井通风总阻力计算 .............................................................................................719.4 选择矿井通风设备 .................................................................................................799.5 防止特殊灾害的安全措施 .....................................................................................8310 矿井基本技术经济指标 .................................................................................................85中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 专题部分煤层自然发火规律分析对策及拓展 ...................................................................................881 引言 ....................................................................................................................................882 煤炭自然发火危险性评价指标 .......................................................................................882.1 研究煤炭自然发火危险性评价指标的基础 .........................................................882.2 以煤的内在因素为基础的分类方法 ....................................................................882.3 煤层自然发火危险性的综合评价分类方法 .........................................................903 矿井煤层自然发火的自燃临界性条件 ...........................................................................933.1 煤的氧化反应及其热效应 .....................................................................................933.2 煤的自热发展与自燃临界性条件 .........................................................................943.3 结论 .........................................................................................................................964 煤自然发火预测预报技术的现状与展望 .......................................................................964.1 引言 .........................................................................................................................964.2 自然发火预测预报技术现状 .................................................................................974.3 自然发火预测预报技术展望 .................................................................................994.4 结论 .........................................................................................................................995 崔家寨实例分析 .............................................................................................................1005.1 煤层自燃概况 .......................................................................................................1005.2 煤层自燃特点分析 ...............................................................................................1005.3 综合防治措施 .......................................................................................................1015.4 封闭火区注氮防灭火技术措施 ...........................................................................1035.5 小结 .......................................................................................................................1036 扩展:变氧浓度条件下崔家寨矿煤自燃特性的实验研究 .........................................1036.1 实验内容及方案 ...................................................................................................1046.2 煤岩自燃特性分析 ...............................................................................................1056.3 现场应用 ...............................................................................................................1116.4 结论 .......................................................................................................................111参考文献 .............................................................................................................................111翻译部分英文原文 .............................................................................................................................114中文译文 .............................................................................................................................123致 谢 .................................................................................................................................129中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 一 般 部 分中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 0 页1 井田概况及地质特征1.1 井田概况1.1.1 交通位置崔家寨矿井位于河北省蔚县矿区的北部,行政区划隶属张家口市蔚县白草村乡及涌泉庄乡管辖。地理坐标为:东经 114°24′40″-114°30′36″,北纬 39°53′34″-39°58′25″。该矿井西南距蔚县南留庄镇约 5 公里,东南距蔚县城 11 公里,有公路相通。从南留庄向西可通往山西省广灵县及大同市,由蔚县城向东可通往首都北京,向北通往张家口,宣化,向南通往涞源、保定及石家庄,交通较为便利。图 1 崔家寨煤矿交通位置图中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 1 页1.1.2 地形地貌崔家寨矿位置为,东界:以 27-26 孔与 25-4 孔地面中心坐标的连线及延长线与莲花山区为界;南界:以纵 13 勘探线两端的ZK21 孔及 22-8孔地面中心线坐标的连线及其延长线与单候及南留庄井田为界;西界:以 F1 断层与西细庄井田为界;北界:以纵7 勘探线两端的 7-7 孔 457 孔地面中心坐标的连线及其延长线、径线 38540000、矿区北部勘探边界为界。其井田地形为西北高,东南低的山前冲洪积平原,海拔高程介于+900~ +1100m 之间,北西向冲沟发育,最深可达 20 余米,平时沟底干涸无水,暴雨后洪水顺冲沟泄于从蔚县矿区南流经的壶流河中。1.1.3 气象本区属北方干燥型大陆气候,年平均雨量为 425.1mm,且大都集中在 7、8 月份。年平均气温为 6℃,最高月( 7 月)平均气温为 23.2℃,最低月(1 月)平均气温为-12.8℃。冬季长达 5 个月之久,年蒸发量为 1650mm。冬季多西北风,最大风力达 9 级,且多发生在 3 月份,并有沙尘暴现象,其他时间多季风,风力不强。冻结期自 11 月至次年 3 月,冻土深度为 1.3~1.5m。1.1.4 地震根据蔚县地震办公室 1991 年 5 月 31 日提供的《蔚县矿区地震基本烈度评定报告》 ,蔚县矿区地震基本烈度为六度。1.1.5 电源条件根据《蔚县矿区中心工业区规划》 ,矿区 110kV 变电站设在单候矿井工业区内,目前矿区 110kV 变电站已经建成使用1.1.6 水源经过水资源的勘探,目前已取得了 1.56m3/s 的水资源,其中 B 级 0.66m3/s,C 级0.9m3/s,可作为矿区用水的水源地。根据水资源法,河北省水利厅、蔚县水利局批文同意矿区取水 1. 1m3/s,作为生产、生活用水。1.2 地质特征1.2.1 地层根据区域地质资料及钻探揭露,本井田地层有:古生界寒武系上统与奥陶系下统;中生界侏罗系下-中统下花园组;中统髫髻山组、后城组;新生界第四系下更新统泥河湾组、上更新统马兰组及全新统现由上而下分述如下:1、新生界第四系主要由粘土、亚粘土组成,夹砂及卵砾石层,厚度平均 50m,西北部较薄,东南部较厚。与下伏中生界侏罗系呈不整合接触。2、中生界侏罗系中侏罗统后城组(J2h)在全井田均有分布,为一套类磨拉石建造,与下伏煤系呈角度不整合接触关系。厚度 6~384m,平均 189m。具有西南薄东北厚的特点。按岩性可分为上、下两段。上段:上部为紫红色砂岩、砂砾岩夹凝灰质砂岩、膨土岩,厚度 0~135m 。中部为灰白、浅绿灰、淡紫色凝灰岩、含砾凝灰岩、沉凝灰岩,厚度 0~110m ,一般 40m 左右。主要分布于 28 线以东地区。下部为紫红、灰绿、黄灰色凝灰质中粒砂岩、砂砾岩、粉砂中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 2 页岩,夹淡紫、浅红色膨土岩。凝灰质含量向上逐渐增多。厚度 0~120m 。下段:为暗紫、紫红色巨厚层状砾岩,砾石成分以安山岩、凝灰岩为主,少量为石灰岩及硅质灰岩。分选极差,砾径 2~100mm,部分大于 110mm。多为次棱角--次园状,泥砂质充填,上部无胶结,松散,下部钙、硅质胶结,致密块状。岩性较均一,局部夹砂岩薄层。厚度 6~175m。中侏罗统髫髻山组(J2t)仅见于井田西南部的冲 6、蔚 176 和蔚 177 三个钻孔中,厚度 26~46m。岩性为灰、灰褐色安山岩,不整合覆于下花园组之上。中-下侏罗统下花园组(J1-2x)为本井田含煤地层,厚 3~229m,平均 105m,按岩性、岩相及含煤性可划分为上、下两段,其地层代号分别为 J1-2x2 和 J1-2x1。上段(J1-2x2):主要岩性为冲洪积相的紫红、灰绿色泥岩,夹灰绿、浅灰色砂岩、砂砾岩及砾岩,局部夹灰色砂岩、砂质泥岩及不稳定薄煤层数层。其中灰色层段产植物化石。本段厚度 0~173m,平均 54.5m。以连续--微角度不整合关系覆于下段地层之上。下段(J1-2x1):岩性以湖泊--湖泊三角洲相的灰色砂岩、粉砂岩和泥岩为主,夹炭质泥岩等 10 余层煤层,其中 1,5 ,6,7 煤层为主要可采煤层,厚度 3~174m,平均72.3m。与下伏古生界为不整合接触关系。3、古生界奥陶系下统(O1)赋存于井田南部,最大残存厚度 85.13m,东北部缺失。上部岩性为浅灰、浅黄色中厚层状白云质灰岩,下部为褐黄色隐晶质石灰岩、豹皮状灰岩夹绿色薄层泥灰岩。4、古生界寒武系上统(∈3)在井田东及东北部为煤系基底。揭露最大厚度 73m。岩性为暗紫色夹灰绿色薄层泥灰岩、竹叶状、砾状灰岩和紫红色粉砂岩薄层。1.2.2 地质构造崔家寨井田总体体构造形态为一走向近南北或北东倾向东或南东,倾角 5°~10° 的单斜构造。在该井区的北面 350m 处的 10 勘探线附近存在一条方向大致与岩层倾向一致为地下水迳流破碎带。在该井区及附近周边范围内的小井开过程中,均没有发现大断层和大褶曲存在,但小断层和岩溶裂隙较发育,所有的出水点均与岩溶裂隙和构造有关,特别是 NNE 和 NWW 两组方向的岩溶裂隙和构造,局部地段很发育,它们是区域性的构造发育带,也是区内主要的控水构造。所以总体来说本矿地质条件较好。井田范围内无陷落柱存在。1.2.3 水文地质(一)含水层及隔水层本井田钻孔、井筒及巷道揭露含水层主要有煤系基底寒武系、奥陶系灰岩含水层;煤系砂岩含水层,第四系砂砾卵石含水层及辉绿岩裂隙含水层。1、煤系基底寒武系灰岩岩溶裂隙含水层(I2)主要分布在井田北部及东北,与西南部的下奥陶统同为煤层基底,岩性以灰紫色砂质叶岩为主,间夹竹叶状及鲕状灰岩及薄层灰岩,裂隙不发育。钻孔抽水试验单位涌水量 q 值为 0.0000435~0.0958 L/s.m,水位标高+956~+958m,属富水性弱的含水层。2、下奥陶统灰岩岩溶裂隙承压含水层(I3)中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 3 页受古地形控制,呈剥蚀残丘形态分布于 6—2、309、12′—3、18—5、19—3 等孔的连线以南,厚度变化较大,由 0—101.60m,岩性以白云质灰岩为主,间夹角砾、竹叶状灰岩及泥质条带状灰岩,从钻孔取芯看,岩溶裂隙发育极不均一,受古地形控制以古岩溶为主,钻孔所见溶洞、溶孔大多被泥沙质充填,溶洞主要发育在下奥陶统白云质灰岩中,发育标高为+820~+920m,溶孔或溶隙在泥质灰岩中,发育标高为+710~+800m,岩溶发育深度一般在 70m 以浅,水位标高+961~+972m ,单位涌水量为 0.1220.927 L/s.m,为一富水性中等的含水层。本含水层是本井田煤层开采底板进水的主要充水含水层,水头压力1.749~2.54MPa,富水性中等,但补给条件不良,利于疏排降压。3、下花园组煤系下段砂岩裂隙承压含水层(Ⅱ1)整个井田均有分布,含水层厚度 5.24~33.69m,主要岩性为中细砂岩、粉砂岩,泥质胶结,裂隙不发育,上、下有泥岩隔水层分布,补给条件较差,含水微弱,地下水位埋藏深,抽水试验单位涌水量为 0.0000983~0.004091L/s.m。属富水性极弱的含水层。4、下花园组上段砂岩裂隙承压含水层(Ⅱ2)该含水层整个井田均有分布,含水层平均厚度 22m,以细砂岩为主,局部为粗砂岩或砂砾岩,裂隙不发育,抽水试验单位涌水量为 0.0000441~0.0163 L/s.m。属富水性弱~极弱的含水层。5、第四系马兰期底部洪积砂砾卵石空隙承压含水层(V2 )第四系在井田内分布广泛,由北向南逐渐加厚,最大厚度 180.42m,一般厚度 90m左右,中部和顶部多以黄土、亚沙土为主,下部夹砂砾卵石层,局部砾卵石层与基岩直接接触补给基岩含水层.砂砾卵石含水层厚度 4.27~34.47m ,抽水试验单位涌水量为0.0634~0.371L/s.m,富水性为弱—中等。(二)矿井充水条件根据崔家寨井田水文地质条件和矿井充水特征,水文地质类型为以底板进水为主的中等岩溶裂隙充水矿井,矿井水文地质条件为中等。井田内无地表水体,第四系地层中的粘土、亚粘土是良好的隔水层,煤层不会接受河流侵蚀,但井田内的主要可采煤层低于基底下奥陶统灰岩的水位,其灰岩对煤系的水头压力为 1.749~2.54MPa,下奥陶统灰岩含水层单位涌水量 0.122~0.927L/s.m,属富水性中等的含水层,煤系本身含水层对矿井充水影响较小。(三)矿井涌水量崔家寨矿在精查及建井报告中算得正常涌水量为 140m3/h,最大涌水量 600m3/h,最大突水量为 900m3/h,后经石家庄煤矿设计研究院核定,矿井初步设计采用值为:正常涌水量为 300m3/h,最大涌水量 360m3/h,最大突水量为 600m3/h。现在矿井涌水量情况约120m3/h。1.3 煤层特征本区主要可采煤层有 5#、6#煤层,大部可采煤层为 1#、4#、7#号煤层自上而下分述如下:1、 1 号煤层为最下部的一层煤,它沉积在煤系基底相对低洼的地段,其分布受古地形控制,呈中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 4 页不连续的孤立块段状。可采面积约占井田面积的三分之一强,由 3 个可采块段组成。1、东部块段:面积 13km2,为 1 号煤层的主要块段,煤层厚度 1.00~4.67m,一般 2~3m。煤层结构自西至东渐变复杂,西部含夹矸一般 0~1 层,向东部增加至 2~4 层,为厚0.1~0.3m 的泥岩。煤层向边缘急剧变薄并尖灭。2、西部块段:面积 3km2,煤层厚度0.80~3.40m,结构简单,仅个别见煤点含 1~2 层夹矸,为厚 0.1~0.2m 的泥岩。3、中部块段:面积约 0.4km2 煤层厚度 1.20~2.14m,为结构简单煤层。总之该煤层一般厚度较大,结构复杂,普遍含 1—3 层炭质泥岩夹矸,夹矸单层厚度为 0.1—0.6m,一般 0.1—0.3m。由于凝胶化组分含量高,以光亮—半光亮型煤为主。原煤灰份为 16.0%—19.2%,略高于5、6 号煤层。井田内穿过 1 号煤层位的钻孔有 188 个,见煤点 93 个,其中可采点 82 个。煤层顶板以泥岩为主,次为粉砂岩,局部为细砂岩。底板绝大部分为鲕状粘土岩,部分为泥岩。该煤层虽分布不连续,但在分布范围内厚度较大,变化小,为较稳定煤层。2、 4 号煤层上距 5 号煤层 3.10~30.50m,平均 10.57m。除东部外,井田内绝大部分均有分布,可采区主要分布于 14 线以东,纵 9 线以南范围内,可采面积 12.6km2。全井田见煤点共132 个,其中 77 个点可采。厚度 0.10~2.30m,可采区内厚度较稳定,一般为 1.20m 左右,当厚度大于 0.80m 时,大部分见煤点有一层厚度为 0.05~0.30m 的泥岩夹矸。为较稳定的大部可采煤层,煤层对比可靠。煤层顶板以泥岩为主,次为细砂岩,底板为泥岩与粉砂岩。3、 5 号煤层下距 1 号煤层 26.53~89.04m,平均 45m,在 181 个见煤点中,仅有 5 个不可采,可采面积达 32.8km2。煤层厚度 0.60~6.64m,平均 3.26m。井田西部一般为 3.5m 左右,至井田东部渐增厚为 5m 左右,东北部较薄,为 2m 左右。受火成岩侵蚀影响,井田西部共有 17 个钻孔的煤层变薄为 2m 以下。辉绿岩大部分是沿煤层顶、底板侵入并侵蚀部分煤层,局部因上、下穿插吞噬全部煤层。除去 17 个受火成岩破坏的见煤点外,5 号煤层见煤点 164 个,其中有 40 个点含一层厚 0.10~0.40m 的泥岩夹矸,夹矸靠近煤层底部 0.20~0.40m 处。不含夹矸的煤层,在相当部位的煤质变差,该煤层为简单结构。煤层顶板在 17 线以西以中—细砂岩和中—粗砂岩为主,少量为粉砂岩,以东以细砂岩、细中砂岩为主,其次为粉砂岩,局部为泥岩。底板以粉砂岩、细砂岩(直接底为0.1~0.5m 泥岩、砂质泥岩)为主,次为泥岩。本煤层为稳定型煤层,对比可靠。为井田内厚度最大、稳定程度最好、储量最多的煤层。4、6 号煤层为 3m 左右的中厚煤层,一般无夹矸,上下部为半暗型煤,中部为半亮型煤。下距 5号煤层 11.71~57.00m,平均 25.11m。是主要可采煤层之一。有 179 个见煤点,其中可采点 157 个,可采面积 30.1km2。煤层厚度 0.20~ 6.00m,平均 2.67m。一般厚度 3~ 3.5m,结构简单。至 17—622—8 孔一线附近出现一层厚度 0.20~0.30m 的泥岩夹矸,夹矸厚度向北渐增大,使煤层分叉为厚度 1 左右的 2 个分层,形成 6—1 号煤层,在向北、中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 5 页东方向 6—1 号煤层尖灭,局部 6 号煤也尖灭。井田西南部纵 13 勘探线附近共有 14 个见煤点受到辉绿岩侵蚀破坏,煤层厚度变为2m 以下,且部分点不可采。辉绿岩基本上是沿煤层顶、底板侵入并吞噬部分煤层,但并不排除上、下穿插而吞蚀全部煤层,出现无煤区。该煤层顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主,次为粉砂岩和少量细砂岩,底板以粉砂岩、泥岩为主,次为细砂岩。该煤层为稳定型,对比可靠。5、7 号煤层为简单结构的薄煤层,多为光亮—半亮型煤,常含较多的黄铁矿结核。下距 6 号煤层 6.70~42.36m,平均 19.26m。煤层厚度 0.20~2.64m,平均 0.99m。见煤点 165 个,其中可采 113 个,可采面积 17.8km2,占井田面积的 50%。可采区主要分布于 17—622—9孔一线以南地区,煤层厚度变化不大,一般均为 1m 左右,结构简单。另外,在井田东北部有 3 个由 1~3 个可采点组成的孤立块段,面积为 0.1~1.3km2 ,煤层厚度1.15~2.60m。该煤层顶板岩性主要为细中砂岩和中粗粒砂岩,局部为粉砂岩、泥岩和砂砾岩,底板为细砂岩或粉砂岩。本煤层属较稳定的大部可采薄煤层,对比可靠。除上述 5 层煤外,井田内尚有 3、5—1、8、9 和 10 号煤层,均属局部可采煤层,可采面积 9 号煤层最大,为 3.66km2,次为 3 号煤层为 2.25km2,5—1、8 和 10 号煤层分别为 0.38km2、0.66km2 和 0.25km2,5-1 号煤层的储量仅占井田总储量的 4%。表 4 崔家寨煤矿主要可采煤层情况表 厚度 间距 岩性最小 -最大 最小-最大煤号平均(点数)稳定程度煤层结构 平均(点数) 顶板 底板0.20-2.647 0.99(165)较稳定 简单 6.70-42.36 细 -中砂岩 细砂岩0.20-6.00 18.77(147)6 2.67(165)稳定 简单 11.71-50.64 泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩 粉砂岩细砂岩0.60-6.645 3.26(164)稳定 简单 25.47(150) 细砂岩中砂岩 粉砂岩细砂岩0.10-2.304 0.90(132)较稳定 简单 26.53-99.50泥岩粉砂岩泥岩粉砂岩0.24-4.6712.27(93)较稳定简单-复杂 44.98(91)泥岩粉砂岩鲕状泥岩粉砂岩备注:1. 5、6 号煤层厚度、间距统计数据不包括岩浆岩影响的孔2. 4、5 号煤层间距为 3.10-30.50/10.57(130 )中国矿业大学 2012 届本科毕业生设计 第 6 页1.3.2 煤质主要可采煤层 1 煤层为低-中灰、特低硫-低硫、低磷的长焰煤;5,6,7 煤层为低-中灰、低-中硫、低磷长焰煤。其他各层为低-中灰、低中硫、低磷长焰煤。1.3.3 瓦斯、煤尘及煤自燃和地温1. 瓦斯经勘探各煤层 CH4 相对的涌出量为 3.3m3/min,临近各矿井亦为低瓦斯矿井,故本矿井属于低瓦斯矿井。2. 煤尘爆炸性井田内各煤层均无煤尘爆炸危险。3. 煤的自燃井田内各煤层为三类自燃发火煤层,发火期一般为 6~12 个月。4. 矿井地温井田内地温梯度均小于 3℃/100m,无地温超过 31℃的高温地区,故本矿井属正常地温,不会出现热害区。
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