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区段煤柱的理论计算方法.rar

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    区段 理论 计算方法
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    中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 1 页1 矿区概述及井田地质特征1.1 井田概况1.1.1 交通位置开元煤矿现矿井工业广场东距寿阳县城约 14 km,井田中部有寿阳~ 段王运煤铁路专用线,井田南部有石~太铁路线,经寿阳东站可达全国。寿阳站通往全国各大城市里程见表 1-1。表 1-1 寿阳站通往全国各大城市里程表 地名 石家庄 北京 秦皇岛 连云港 上海 郑州 西安铁路 150 433 831 988 1416 562 732里程km 公路 160 485 750 1350 1750 570307 国道从井田中部通过,太(原)-旧(关)高速公路从井田南部通过,交通十分方便。交通位置图见图 1-1. 图 1-1 交通位置图1.1.2 地形地貌井田位于寿阳、阳泉构造堆积盆地区的西北部,属黄土丘陵地貌,梁、峁比较发育且平坦,沟谷多呈“U”字形宽谷、井田内大面积为第四系黄土及第三系红土所覆盖,冲沟中有基岩出露,为石炭系太原组及二叠系上、下石盒子组地层。井田地势总的趋势为北 阳 端 山 沟 洪 子 店郭 家 铺张 庄 库 黎马 山巨 城 镇王 子 沟安 卓 巴 明杜 庄 闫 庄 库 城老 石牛 川右 拐 村马 首宗 艾 镇开 元 公 司上 门 松 塔太 守 镇太 原 市兰 村 扬 子 镇大 成多 井 轩 辕于 家 村 李 阳孟 县阳 西 西 城 上 社 娘 子 关 祁 关寿 区把 牛平 定 昔 阳沾 阑 郎 梦马 坊东 阳 苑 村榆 次长 与笠 花白 家 庄 西 阳 镇 竹 贴 阜 平 积 王 寿 阳 旧 街 阳 泉 市中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 2 页西高东低,北高南低,最高点在井田西南的寺儿沟,标高为 1247.3 m;最低点在井田东南的寺庄,标高为 1062.7 m,最大高差为 184.6 m,一般相对高差多在 40-100 m 之间。1.1.3 气象井田地处黄土高原,气候干燥,昼夜温差变化大。降水量:平均年降水量为 505.41 mm,降水多集中在 6-9 月,7、8 两个月最多,多为暴雨常夹冰雹;蒸发量:平均年蒸发量为 1754.16 mm,年最高达 2265.0 mm,年最低为 1483.8 mm;气温:年平均气温为7.60℃,一月份最冷,平均-8.80℃,七月份最热,平均气温为 21.60 ℃;风向:风向夏季为东南、冬季为西北;风速:年平均风速为 2.48 m/s,最大月平均为 3.9 m/s,最小月平均为 1.0 m/s;霜期:初霜期 9 月中旬,终霜期为次年的 4 月中旬,长达 7 个月之久,全年无霜期为 148 天;冻土深度:最大冻土深度为 1.10 m。1.1.4 地震按山西省城市(县城)地震基本烈度区划图,该区属七级基本地震烈度区。1.1.5 电源条件现矿井工业场地建有 35 kV 变电所,双回 35 kV 电源引自新元煤矿 110 kV 降压站。风井工业场地两回 6 kV 供电电源,均引自开元矿 35 kV 变电所的 6 kV 不同母线段。当其中任一回路发生故障时,另一回能担负风井全部负荷用电。1.1.6 水文情况矿区内的河流属黄河流域汾河水系。较大的河为龙门河,自北西向南东流经井田中部,为季节性河流。龙门河在白家庄与人字河汇合,向南东至寿阳县折向南西入潇河,向西注入汾河。1.1.7 水源条件2000 年在矿井工业场地内已打一眼深井,通过抽水试验,各项指标均满足国家生活及工业用水标准。风井工业场地供水水源为水车送水或打浅井及利用矿井井下排水。1.1.8 矿区工农业生产概况该区以农业为主,农作物以玉米、谷子、豆类为主,此外种植一些经济作物,如蔬菜、瓜果等。工业主要以是采矿、冶炼及建材为主。1.2 地质特征1.2.1 地层中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 3 页井田位于沁水煤田西北隅,属掩盖——半掩盖区,新生界地层广泛分布,基岩零星出露于沟谷之内。地层由老到新依次为:奥陶系中统;石炭系中、上统;二迭系;第三系;第四系。(1)奥陶系(O)①中统上马家沟组(O 2s)厚度为 180.00~325.00 m,平均厚度为 298.32 m。由浅灰、深灰色厚层白云质灰岩,含泥岩,角砾状泥灰岩等组成,灰岩质纯致密,普遍具有不均匀岩化现象。②中统峰峰组:( O2f)厚度为 122.59~238.30 m,平均厚度为 166.53 m,由灰、黑、浅灰色白云质灰岩,花斑灰岩等组成,下部含石膏条带,局部含星状黄铁矿。(2)石炭系 (C)①中统本溪组( C2b)厚度为 29.94~68.62 m,平均厚度为 47.97 m。主要由浅灰、灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩及 2-4 层石灰岩组成,夹浅灰色细粒砂岩及 2-3 层煤线。底部为透镜状分布的山西式铁矿及 G 层铝土矿,与下伏地层平行不整合接触。②上统太原组( C3t)厚度为 104.11-134.21 m,平均厚度为 120.78 m。以 K1 砂岩连续沉积于本溪组之上,由灰色、灰白色砂岩,灰黑色砂质泥岩、泥岩、深灰色石灰岩及煤层组成。石灰岩一般有4 层,自下而上依次为 K2 下、K 2、K 3 及 K4 石灰岩。含煤 11 层,编号依次为 8、9 上 、9、11、12、13、13 下 、15、15 下 、16、17 号,其中 8、9、15、15 下 号 4 层可采。(3)二叠系(P )①下统山西组( P1s)厚度为 48.22~70.00 m,平均厚度为 60.00 m。由灰、灰白色中细粒砂岩,深灰、灰黑色砂质泥岩、泥岩和煤层组成。底部以 K7 砂岩连续沉积于太原组之上。本组含煤 6 层,编号依次为 1、2、3、4、5、6 号,其中 3、6 二层可采。②下统下石盒子组(P 1x)厚度为 111.60~133.14 m,平均厚度为 122.60 m。以底部 K8 砂岩连续沉积于山西组之上,下部为灰黄、灰绿、灰黑色中细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝质泥岩等。组成 K8 砂岩为灰、灰白色粗-细粒砂岩。上部为灰、灰绿色、灰黄色中粗粒长石,石英砂岩夹紫红色砂质泥岩、泥岩。顶部为 1-2 层铝质泥岩或含铝质泥岩,富含菱铁质鲕粒,风化后呈鲜艳的紫红色斑块,俗称“桃花泥岩” ,可作为辅助标志层,与顶部的上石盒子组分界。③上统上石盒子组 (P2s)厚度为 235.00~438.45 m,平均厚度为 345.00 m,以 K12(狮脑峰砂岩)为界分为上下两段。a、下段(P 2s')自 K10 砂岩底至 K12 砂岩底。下部以黄绿色、灰绿色中细粒砂岩为主,夹黄褐、黄绿、紫褐色泥岩及砂质泥岩。上部以灰褐、暗紫等杂色砂质泥岩为主,夹黄绿色中细粒砂岩。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 4 页b、上段(P 2s2)自 K12 砂岩底至 K13 砂岩底。K 12 砂岩为灰白色厚层状含砾中粗砂岩、泥质、硅质、硅质胶结。其上为黄绿色、暗紫色细粒长石、石英砂岩与暗紫色、黄绿色砂质泥岩互层。(4)第三、第四系(R+Q)①上第三系上新统 (N2)厚度为 0~25 m,由鲜红、暗紫色粘土,紫红色细砂岩,浅灰色砾岩组成,不整合覆于各不同时代基岩之上。②下更新统 (Q1)厚度为 5~70 m,下部为黄土、淡红色细-粉砂土。中部为灰褐、黄灰色粘土夹泥灰岩薄层。上部主橙红、深红色粘土、亚粘土、夹多层古土壤层。③中更新统 (Q2)厚度为 10~30 m,淡红、褐黄色亚粘土、粘土,夹古土壤层及 1-3 层钙质结核,底部为淡红色砂砾石层。④上更新统 (Q3)厚度为 0~15 m,井田内广泛分布,为淡灰黄、土黄色亚粘土、亚砂土、含钙质结核垂直节理发育。⑤全新统( Q4)厚度为 0~20 m,分布于各大沟谷之内, 为近代冲洪积物、基岩风化砂土层。1.2.2 地质构造(1)区域地质构造开元井田位于沁水煤田寿阳矿区西北部,阳曲一盂县纬向构造带南翼,其东西两侧受太行经向构造带和新华夏系构造的控制,南部受寿阳西洛南北向构造带的影响,整个矿区是在纬向与经向和新华夏系构造复合控制之下。(2)井田地质构造开元煤矿井田总体构造形态为一走向东西,向南倾斜的单斜构造,在此单斜上发育有次级的宽缓褶曲,使井田呈舒缓的波状起伏,煤层倾角为 2-12°,平均倾角为 8°。①褶曲井田内发育较大褶曲二条。放马沟向斜:位于井田中部,放马沟村南。走向近东西,北翼倾角110°,南翼倾角4—80°。井田内延伸约 2500 m。上峪背斜:位于井田中部,放马沟向斜南。两翼倾角4—60°。②断层该井田断层比较发育,断层走向大致成北东东向,主要受东西向区域构造(即:放马沟向斜、上峪背斜)的影响,其中被钻探或巷道揭露、三维地震探测的较典型的断层表述一下(见表1-2、1-3 )。a、F12正断层中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 5 页位于井田西北部,放马沟村北。走向近东西,倾向南,倾角70—80°。为209和H1 号孔所揭露,209号孔缺失K 3-K 2下地层,使太原组地层缩短35 m。H1 号孔太原组缺失K 3灰岩及其上、下部地层,使地层缩短17 m。故该断层断距在17—35 m间,井田内延伸长度约1200 m。b、Fll正断层位于F12断层南,属其分支断层。走向北东,倾向南东,倾角75° ,断距20 m,延伸长度约160 m。c、F13正断层位于井田西北部,F12 断层北,走向北东,倾向南东,倾角85° ,断距15 m,延伸长度600 m。表 1-2 井田大型断裂构造统计表断层序号断层性质 落差延伸长度钻孔或巷道揭露 备注1(F 12) 正 17~351200 209、H1 钻孔井田西北部放马沟村北2(F 11) 正 20 160 位于 F12 断层南属其分支断层3(F 13) 正 15 600 位于 F12 断层北走向北东倾向南东4(F 14) 正 7 430 位于 F13 断层西与 F12 断层基本平行延伸5(F 19) 正 8 600 23#孔揭露 走向北东东倾向南6(F 53) 正 16~301500 210#孔揭露 位于 F12 断层北走向近似东西倾向南7(F 54) 正 7.0 500 H2#孔揭露 推断其走向北东东倾向南8(F 62) 正 12.0 670 巷道揭露 位于井田西北角走向北东东倾向南9( Fh1)正 6.0 115 巷道揭露 位于井田北部 H5 号孔东走向东西倾向北10( Fh2)正 6.0 110 巷道揭露 位于 Fh1 断层南走向北西倾向南西11( Fh3)正 8.0 130 位于 H5 号孔南走向北东倾向北西中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 6 页12( Fh4)正 7.0 380 巷道揭露 位于 P35 号孔南走向北东东倾向南13( Fh5)正 5.0 130 巷道揭露 位于 Fh4 断层南走向近东西倾向南根据 2002.6 山西省寿阳县地方国营黄丹沟煤矿《矿产资源储量核实报告》断层整表 1-3 5 m 以上落差断层特征一览表(三维地震带内) 煤层 断层序号 断层性质 落差 延伸长度 备注1 正 5.0 125 三维带内北西处走向近似东西2 正 10.5 240 三维带内南西处走向近似东西3 正 9.0 300 三维带内中部走向北东3#4 正 7.0 160 三维带内中部走向北西续表 1-3 5 m 以上落差断层特征一览表(三维地震带内)5 正 7.0 250 三维带内中东部走向北西3#6 正 30.0 480 三维带内中东部走向近似东西1 正 8.0 160 三维带内北西部走向近似东西2 正 8.0 300 三维带中部走向北东3 正 7.0 130 三维带中部走向北西4 正 7.0 180 三维带中部走向北西5 正 7.0 130 三维带中部走向北西6 正 7.0 250 三维带中东部走向北西9#7 正 30.0 720 三维带中东部走向近似东西1 正 10.0 200 三维带西部走向近似东西2 正 10.0 300 三维带中部走向北东3 正 5.0 200 三维带中部走向北西4 正 7.0 150 三维带中部走向北西5 正 27.0 720 三维带中东部走向近似东西15#6 正 9.0 170 三维带中东部走向北西15#下 1 正 10.0 180 三维带西部走向近似东西中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 7 页2 正 10.0 280 三维带中部走向北东3 正 5.0 160 三维带中部走向北西4 正 7.0 120 三维带中部走向北西5 正 27.0 750 三维带中东部走向近似东西6 正 9.0 100 三维带中东部走向北西d、F14正断层位于井田西部,F13 断层西,走向近东西,与 F12断层基本平行延伸,倾向北,断距 7 m,延伸长度430 m。e、F19正断层为23号孔揭露,测井解释断点深度348.40 m,6号煤断失,推断其走向北东东,倾向南,断距8 m,延伸长度600 m。f、F53正断层位于F12断层北,走向近东西,倾向南,倾角80° ,断距 16—30 m,延伸长度1500 m。210号孔所遇即该断层。g、F54正断层为H2号孔揭露,测井解释断点位置431.20 m,推断其走向北东东,倾向南,断距7 m,延伸长度500 m。h、F62正断层位于井田西北角,为生产矿井巷道中所见,走向北东东,倾向南,倾角75°,断距12 m,延伸长度约670 m。i、Fh1逆断层位于井田北部,H5号孔东,巷道中所见,走向近东西,倾向北,倾角 75°,断距6 m,延伸长度115 m。j、Fh2正断层位于Fh1断层南,巷道中所见,走向北西,倾向南西,倾角75° ,断距6 m,延伸长度110 m。k、Fh3正断层位于H5号孔南,走向北东,倾向北西,倾角75°,断距8 m,延伸长度130 m。l、Fh4正断层位于P35号孔南,巷道中所见,走向北东东,倾向南,倾角75° ,断距7 m,延伸长度380 m。m、Fh5正断层位于Fh4断层南,巷道中所见,走向近东西,南倾,倾角75° ,断距5 m,延伸长度130 m。另外,三维地震勘探中发现一条落差30 m的断层,小于15米断层36条;开采过程尚见到几条断距2—3.5 m,延伸不长的层间小断层。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 8 页③陷落往井田内陷落柱已证实的有35个,最大者长轴90 m,短者20 m;地表所见陷落极少,隐伏较多;三维地震解释28个,最大者长轴254 m,短者20 m。陷落柱其规模大小不等,形状以圆形和椭圆形为主。④岩浆岩井田内无岩浆岩侵入现象,故对煤层及煤质无影响。1.2.3 水文地质(1)含水层及隔水层井田主要含水层自下而上为奥陶系中统石灰岩含水层、石炭系上统太原组石灰岩含水层、二迭系砂岩含水层、第四系砂石层等,各含水层分述如下:①奥陶系中统石灰岩岩溶含水层奥陶系中统埋深 130~570 m,井田北部外围大面积出露,本统分上、下马家沟组及峰峰组,以上马家沟组石灰岩含水层富水性最强。奥灰水位标高为+630 m,井田内仅 15 号及 15 下 号煤层在井田南部低于该标高。②石炭系上统太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层太原组含水层主要是 K1、K 2、K 3、K 4 层石灰岩层,石灰岩单层厚度为 2-3 m,一般富水性弱,单位涌水量为 0.0035 L/s.m,渗透系数为 0.0165 m/d,水位标高为 913.52 m。水质类型 HCO3·C1-Na 型。③二迭系砂岩裂隙含水层山西组,下石盒子组,主要以 K7、K 8 砂岩及 3 号煤顶板砂岩为主要含水层,砂岩厚度大,且不稳定,单位涌水量为 0.0004 L/s·m,渗透系数为 0.0019 m/d,水位标高为1003.07 m,水质属 HCO3·C1-Na 型。上石盒子组,主要以 K10、K 12 等砂岩为主要含水层,砂岩厚度不大且不稳定,单位涌水量为 0.234 L/s·m,渗透系数为 0.13 m/d,水位标高为 1083.27 m,水质属 HCO3·Na 型。④第四系砂砾石层含水层广泛分布的第四系更新统及分布在河谷中的第四系全统,其砂砾石层含孔隙水。雨季含水丰富,旱季含水很小。本井田内主要隔水层有,奥灰顶面至 15 下 号煤层顶板间的岩层,以泥质岩类为主,厚度为 80 m 左右,石炭、二迭系各含水层间的岩层,也以泥质岩类为主,厚度大,沉积稳定。(2)矿井充水条件矿井主要充水含水层为山西组砂岩裂隙含水层,及太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层,各含水层富水性弱,对矿井充水影响小,井田内奥灰水位标高为+630 m 左右,由于隔水层的存在,开采上组煤时,奥灰水对矿井无影响。井田内河谷第四系全新统砂砾石含水层距最上一层可采煤层 3 号煤 100 m,因此,煤层开采一般不受河谷第四系含水层地下水的影响。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 9 页(3)矿井涌水量根据阳煤集团地质处提供的矿井涌水资料:矿井正常涌水量为 140 m3/h,最大涌水量为 220 m3/h。1.3 煤层特征主要含煤地层为山西组和太原组含煤地层总厚度为 180.78 m,煤层总厚度为 17.83 m,含煤系数 9.9%。共含 16 层煤,自上而下依次为1、2、3、4、5、6、8、9、11、12、13、13 下 、15、15 下 、16、17 号。其中南部分区为3、9、15、15 下 号煤层可采。1.3.1 煤层(1)3 号煤位于山西组中部,K 8 砂岩下 20.0 m 左右。煤层厚度为 1.60-2.50 m,平均厚度为 2.20 m。南部分区东、西两侧变薄不可采,中间部分全部可采。煤层结构简单,含或偶含 1 层夹石。顶、底板岩性以砂质泥岩和泥岩为主。本煤层属局部可采煤层。(2)9 号煤位于太原组上部,K 4 灰岩以上 20 m 左右,煤层厚度为 3.51-5.80 m,平均厚度为 3.78 m,南部分区西部 9 号煤与 8 号煤合并,煤层明显增厚,煤层含夹石在 0—4 层,其岩性为泥岩或炭质泥岩,厚度一般小于 0.20 m,煤层结构简单。顶板为泥岩或砂质泥岩,局部为中、细粒砂岩。底板为砂质泥岩、泥岩、局部为粉砂岩或细粒砂岩。本煤层属全分区稳定可采煤层。(3)15 号煤位于太原组下部,K 2 石灰岩为其直接顶板,局部有薄层炭质泥岩伪顶。煤层厚度为1.42~4.89 m,平均厚度为 3.55 m。南部分区东、西两侧变薄不可采,中间部分全部可采。底板为泥岩、砂质泥岩,局部为粉砂岩或细粒砂岩,本煤层属局部可采煤层。(4)15 下 号煤位于太原组下部,距 15 号煤 0.80~14.4 m,为太原组最下一层可采煤层。煤厚度为平均 1.80 m。煤层结构简单-复杂。顶板岩性为中、细粒砂岩或砂质泥岩,底板岩性为砂质泥岩、细粒砂岩,局部为炭质泥岩或粉砂岩。本煤层属全分区稳定可采煤层。表 1-4 煤层特征表煤号 平均厚度煤层间距(m)最小一最大平均夹石层 夹石厚度 (m) 稳定性3 2.20 0~1 较稳定9 3.7824.92~69.1243.949.6~70.0864.00.8~14.45.50~4 <0.2 稳定中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计第 10 页15 3.55 0~3 <0.2 较稳定15 下 1.80 稳定1.3.2 煤质各煤层为中~高变质煤层,煤种属瘦煤、贫煤。原煤灰分分别为 3 号煤 25.19%;9 号煤 35.10%;15 号煤 24.47%;15 下 号煤 28.96%。硫分分别为:3 号煤 0.34%;9 号煤0.71%; 15 号煤 2.81%;15 下 号煤 1.36%。原煤挥发分:3 号煤 14.01~21.52%;9 号煤13.24~34.51%;15 号煤 11.49~23.70%;15 下 号煤 12.96~27.37%。发热量分别为:3 号煤26.72 MJ/kg; 9 号煤 22.15 MJ/kg;15 号煤 25.44 MJ/kg;15 下 号煤 23.00 MJ/kg。1.3.3 瓦斯、煤尘及煤自燃和地温(1)瓦斯矿井相对瓦斯涌出量 6.69 m3/t,绝对瓦斯涌出量 24.67 m3/min,属低沼气矿井。(2)煤尘爆炸性开元煤矿委托煤炭科学研究总院抚顺分院瓦斯实验室于 2007 年 9 月对可采煤层进行了测试,各煤层均无爆炸性。(3)煤的自燃开元煤矿委托煤炭科学研究总院抚顺分院通风防灭火实验室于 2007 年 9 月对可采煤层进行了测试,各煤层为三类不易自燃。(4)矿井地温本井田内地温正常,地温梯度 1.46 ℃/100m。
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