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1、1 绪论1.1 研究背景及意义煤炭是我国的主体能源和重要资源，国民经济的快速发展，对煤炭的需求日益增加，然而伴随着煤炭的高强度开采，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯事故也频繁发生。由表1-1可分析出在我国矿井中，高瓦斯矿井和突出矿井占比例较大，因而瓦斯问题更加严峻。2000年，我国原煤产量由关井压产前的13亿t降至10亿t，煤炭生产死亡5798人，百万吨死亡率为5.8，是俄罗斯的12倍，印度的16倍，美国的182倍。瓦斯灾害是造成我国煤矿灾害事故严重的主要原因。2000年，我国煤矿共发生一次死亡39人重大事故367起，共计死亡1694人，其中，瓦斯事故267起，死亡1281人，分别占39人重大事故
2、起数的72.75、死亡人数的75.62；发生一次死亡10人以上的特大事故75起，死亡1398人，其中，瓦斯事故69起，死亡1319人，分别占10人以上特大事故起数的92.00、死亡人数的94.351。由于煤矿事故多，死亡人数多，造成了我国煤矿的百万吨死亡率一直居高不下，特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响了我国的国际声誉。由下图1.1和图1.2可知，我国已度过了事故高发期，随着近年来安全投入力度增大，煤矿安全事故总体呈下降趋势，2011年煤矿事故死亡人数达到了1973人，2012年降至1384人。不难看出，煤矿事故中，瓦斯事故为主要灾害2。
3、瓦斯灾害已成为制约高效开采和安全生产的最重要因素。对于高瓦斯以及瓦斯突出矿井，单纯采用通风的方法难以把工作面的瓦斯浓度控制在允许的范围内，因此，强化瓦斯抽采才是防止瓦斯灾害事故最有效的途径。表1-1 瓦斯矿井数量和比例矿井瓦斯等级国有重点煤矿年产量大于3000吨国有重点煤矿总计数量比例数量比例数量比例瓦斯矿井33855.697346.4131148.5高瓦斯矿井16426.893844.8110240.8突出矿井10717.61848.829110.7总计609100.02095100.02704100.0 图1.1 2001-2012年煤矿事故死亡人数图1.2 2001-2012年煤矿事故统
4、计分析在过去的二十年里，我国煤炭科学技术取得了前所未有的突破。与此同时，伴随着现代化、科技化、机械化、自动化和大强度煤炭开采规模的不断扩大，导致了整个矿井的采动空间和开采范围剧增，使得回采工作面以及采空区的瓦斯呈现出高强度、高速率、大体积和非均匀式的涌出特点，同时更增大了有关专 家对各种煤矿瓦斯灾害防治的难度系数。为满足国内企业对煤炭与日俱增的需要，保证我国经济快速、稳定的发展，很多煤矿企业开始引进国外先进的生产设备，不断进行技术革新，特别是在高效率、高产量的集约化生产和综合采煤工艺方面取得了前所未有的跨越式进步。取得可喜成绩的同时，我们也看到了我国煤矿瓦斯安全高效抽采技术的发展速度缓慢，仍旧
5、远远落后于全国煤炭产量的提高速度，这就给煤矿安全生产工作埋下了重大的隐患。矿井瓦斯对煤矿安全生产工作的突出性危害有三个大方面：爆炸、突出和窒息。特别的，煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故不仅能对矿井巷道设施造成巨大的毁坏（如井巷垮塌），而且常常会导致矿井火灾、水灾和煤尘爆炸等二次、甚至多次矿井灾害事故的连续发生。更严重的是，此类事故会造成大量煤矿工人的伤亡和难以估计的财产损失。统计表明2，我国高瓦斯矿井和有瓦斯突出危险的矿井占到了全国矿井总数量的30%左右，而重、特大恶性瓦斯事故的高发生频率并没有得到根本性的解决，这将严重阻碍着未来我国煤矿安全生产工作的顺利进行。因此，煤矿瓦斯抽采工作，势在必行。
6、煤矿瓦斯抽采是减少矿井瓦斯涌出量的重要途径之一，对于矿井瓦斯灾害事故的防治具有重要的作用3-4。首先，采取瓦斯抽采的办法能够有效地解决井下瓦斯浓度超限问题，提高煤矿开采过程中的安全性。当对井下进行瓦斯抽采之后，采空区瓦斯涌出量将会降低70%以上，同时还能大大降低井下通风成本费用。瓦斯抽采另一个好处是变害为利，瓦斯在严重影响煤矿安全的同时，瓦斯又是一种重要的矿物能源，每立方米瓦斯的燃烧热为3.7107J，相当于11.5kg烟煤9，人们可以对抽采出的瓦斯进行合理利用，为我国的工业生产和人民生活服务，取得较好的社会和经济效益。1.2 国内外瓦斯抽采研究现状1.2.1 国内研究现状下面从瓦斯抽采量、瓦
7、斯抽采率、瓦斯抽采方法、瓦斯抽采存在的问题等四个方面介绍国内煤矿瓦斯抽采现状。 瓦斯抽采量：近年来，我国也开始重视对煤层气的开发和利用，煤矿井下瓦斯抽采从少到多，据统计12，2000年我国煤矿建立了地面永久瓦斯泵站的矿井有141个，年抽采量达8.67亿m。2002年，国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽采治理瓦斯灾害的地位，煤矿安全规程也以法规的形式对煤矿瓦斯抽采作了详尽的规定，我国实施瓦斯抽采的矿井数量和瓦斯抽采量逐年稳步上升5-6。2002年抽采矿井达到193个，抽采量达11.46亿m。2005年全国煤矿瓦斯累计抽采瓦斯量达23亿m。而2
8、006年的抽采量到达32亿m，利用量达11.5亿m。到了2007年，全国瓦斯抽采达47.35亿m，利用量14.46亿m。2008年我国矿井瓦斯抽采量达到55亿m，同年8月，国土资源部最新的煤层气资源评价中指出：中国煤层气资源非常丰富，全国埋深2000米以浅煤层气地质资源量为36.8万亿m，相当于国内目前常规天然气的地质资源量（35万亿m），是仅次于俄罗斯、加拿大的世界第三大煤层气储藏国。到2009年全国299处原国有重点煤矿高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井中，有28313个建立了瓦斯抽采系统，全国抽采两量达65亿m，利用量达到17.7亿m。2011年1月5日，全国煤矿瓦斯防治部际协调领导小组第八次会议
9、中指出，2010年全国煤层气抽采量88亿m，利用量36亿立方米。另外会议还要求，2011年我国煤层气抽采量要达110亿m，利用量要达50亿m11。具体抽采量如下表所示：表1-2 2001-2012年我国瓦斯抽采量年份抽采量/亿m年份抽采量/亿m年份抽采量/亿m20019.84200521.33200965200211.46200632.4201088200315.202007442011115200419.292008552012125由表可以分析：自2001年至2012年十二年间我国瓦斯抽采量逐年增长，一方面说明我国科技飞速发展，同时也反映了我国煤矿治理取得了重大突破。近几年，随着煤层开采深
10、度的不断增加，任何单一瓦斯抽采方法都无法有效地解决煤矿瓦斯隐患。因此，国内矿井，特别是高瓦斯低透气性矿井开始采取多种瓦斯抽采技术综合应用的办法，用以提高了瓦斯抽采量。瓦斯抽采率：晋城、抚顺、阳泉、松藻、天府、淮南、盘江、铁法、石炭井、水城、平顶山、芙蓉、中梁山、南桐、淮北、鹤岗、峰峰、焦作、丰城、六枝是我国的主要瓦斯抽采矿区。据统计，2002年其抽采率分别为46.39%、79.3%、30.95%、50.06%、80.24%、26.14%、15.87%、28.80%、39.97%、18.67%、20.85%、20.98%、46.76%、24.87%、14.15%、15.40%、9.30%、12.
11、14%、12.58%、15.40%、19.40%、30.09%11。各矿区按照抽采率大小，我国主要瓦斯抽采矿区可以划分为3类：类矿区：瓦斯抽采率40，抽采效果好；类矿区：瓦斯抽采率2540，抽采效果一般；类矿区：瓦斯抽采率25，抽采效果差；我国主要瓦斯抽采矿区的瓦斯抽采效果分类情况（见表1-3）11。表1-3 我国主要抽采矿区瓦斯抽采效果分类瓦斯抽采效果 类别 矿区数/个 平均瓦斯抽采率/ 占主要瓦斯抽采 矿区数的比例/类5 60.14 23.80类4 29.96 19.06类12 13.93 57.14由表1-3看出，我国主要瓦斯抽采矿区总体瓦斯抽采效果不好。瓦斯抽采效果好的类矿区只有5个，
12、仅占主要瓦斯抽采矿区数的23.80，平均瓦斯抽采率为60.14；瓦斯抽采效果一般的类矿区有4个，占主要瓦斯抽采矿区数19.06，平均瓦斯抽采率为29.96；瓦斯抽采效果差的类矿区多达12个，占主要瓦斯抽采矿区数高达57.14，平均瓦斯抽采率仅为13.93。如果考虑所有抽采瓦斯矿井，瓦斯抽采率低于25的矿井比例更会大。瓦斯抽采方法：随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽采技术也得到了不断地提高和发展，我国煤矿瓦斯抽采技术大致经历了五个发展阶段：（1）高透气性煤层瓦斯抽采阶段20世纪50年代初期，在高透气性特厚煤层中（如抚顺矿区）首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯，成功解决了矿区向深部发展过程中的瓦斯安全问题，
13、获得了理想的效果。但由于当时对煤层透气性与瓦斯抽采效果间的关系认识不深，对于将该方法应用于透气性较小的矿井效果较差。（2）邻近层卸压瓦斯抽采阶段20世纪50年代中期，在开采煤层群矿井中，首先在阳泉矿区采用穿层钻孔抽采上邻近层瓦斯获得成功，解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。随后试验了顶板瓦斯高抽巷抽采上邻近层瓦斯技术，该方法在不同煤层赋存条件下的上、下邻近层中取得了较好应用效果。（3）低透气性煤层强化抽采瓦斯阶段由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及有突出危险的煤层采用通常的布孔方式预抽采瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从60年代开始，试验研究了多种强化抽采开
14、采煤层瓦斯的方法，如煤层注水，水力压裂，水力割缝，松动爆破，大直径钻孔，网格式密集布孔，预裂控制爆破，交叉布孔等。在这些方法中，多数方法在试验中取得了提高瓦斯抽采量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。如本煤层瓦斯抽采，其难点在于低透气性煤层瓦斯难以抽出。我国20世纪70年代曾经试验过水力割缝、水力压裂等方法，但由于工艺复杂、技术难度大，还必须有一些特殊设备等原因，难以大面积推广使用。80年代后又对预裂爆破增大煤层透气性的方法进行了试验研究，但其工艺复杂、技术难度大，没能大规模推广应用。20世纪末，我国和俄罗斯在焦作合作开展了交叉钻孔抽采本煤层瓦斯的试验，取得了较好的效果。经分析研究认
15、为，交叉布孔除了由于交叉增加煤体卸压范围、提高透气性外，还由于钻孔相互交叉影响，可避免因某一钻孔坍塌堵塞而影响正常抽采。另外斜向钻孔还可延长钻孔在回采工作面前方卸压带内的瓦斯抽采时间。因而交叉钻孔可以较好地提高开采层的抽采瓦斯效果。再有水平长钻孔抽采本煤层瓦斯，过去由于打钻装备及工艺问题，始终打不出理想的长钻孔。近几年由于钻机研究开发的突破，使得打本煤层长钻孔抽采效果有了很大改善。再如采空区抽采，过去一直没有克服抽采浓度低、抽采量小的问题，近些年由于大型抽采泵的出现以及抽采工艺的进一步优化，使采空区抽采有前所未有的发展。（4）综合抽采瓦斯阶段20世纪80年代，随着普采、综采和综放采煤技术的发展
16、和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有邻近层的工作面。为解决高产高效工作面瓦斯涌出量大、瓦斯涌出源多的问题，须结合矿井地质条件及涌出情况，实施综合抽采。综合抽采瓦斯就是把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压瓦斯边采边抽及采后抽采等多种方法在同一采区、工作面内使用，采用该方法能够最大限度利用时间及空间来增加瓦斯抽采量、提高抽采浓度及抽采率。（5）立体抽采瓦斯阶段近年来，试验研究了地面钻孔井与井下钻孔联合抽采矿井瓦斯。地面钻孔对开采层进行压裂、抽采瓦斯以及对采动影响卸压瓦斯和采空区瓦斯进行抽采。在开采过程中，井下钻孔对煤层瓦斯进行抽采
17、，实现立体抽采方式。解决了开采煤层预抽时间短、抽采率低的问题，是实现矿井煤与瓦斯安全共采的最根本方法。随着煤炭工业技术的发展，瓦斯抽采技术也得到了不断地提高和发展。具体方法如下图所示：瓦斯抽采方法采前抽采（预抽）采中抽采（边采边抽）采后抽采本煤层抽采地面钻井穿层钻孔顺层钻孔交叉钻孔巷道抽采领近层抽采地面钻井穿层钻孔顺层钻孔倾向巷道水平钻孔煤矿瓦斯综合抽采回采工作面抽采地面钻井穿层钻孔顺层钻孔巷道抽采采空区埋管采空区抽采掘进工作面抽采巷帮钻孔迎头钻孔地面钻井抽采密闭插管抽采密闭钻孔抽采相邻巷道图1.3 瓦斯抽采方法示意图选择瓦斯抽采方法主要根据矿井瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开
18、采地质条件等因素进行综合考虑，由于我国矿井数量众多，且煤层赋存条件复杂多样，因此我国试验和应用过许多抽采方法。针对不同的煤层赋存条件，抽采方法是不同的，下表列举了本煤层、邻近层、采空区、围岩的瓦斯抽采分类、抽采方法和其抽采的适用条件。表1-4 矿井瓦斯抽采方法适用条件抽采分类抽采方法适用条件本煤层抽采瓦斯未卸压抽采岩巷揭煤煤巷掘进预抽由岩巷向煤层打穿层钻孔煤巷工作面打超前钻孔突出危险煤层高瓦斯煤层采区大面积预抽由开采层进、回风巷或煤门等打上向、下向顺层钻孔有预抽时间的高瓦斯或突出煤层由石门、岩巷、邻近层煤巷等向开采层打穿层钻孔“勉强抽采”煤层地面钻孔高瓦斯易抽煤层浅埋深密封开采巷道高瓦斯易抽煤
19、层卸压抽采边掘边抽由煤巷或岩巷向煤层打防护钻孔高瓦斯煤层边采边抽由进、回风巷向工作面前方打钻高瓦斯煤层由岩巷、煤门等向开采分层上部或下部未采分层打穿层或顺层孔高瓦斯煤层水力割缝、压裂，松动爆破由开采层进、回风巷等打顺层钻孔，由岩巷或地面打钻孔高瓦斯难抽煤层邻近层抽采瓦斯卸压抽采开采层工作面推过后抽采上、下邻近煤层由进、回风巷或岩巷向邻近层或采空区打斜交钻孔邻近层瓦斯涌出量大影响开采层安全时由煤门打沿邻近层钻孔由邻近层掘汇集瓦斯巷道邻近层瓦斯涌出量大，钻孔能力不满足抽采要求从地面打钻孔地面打钻优于井下采空区边采边抽密封采空区插管抽采无自燃危险或采取防火措施现采采空区设密闭墙插管采空区打钻、预埋管
20、抽采围岩超前钻孔由岩巷两侧或正前向溶洞或裂隙带打钻、密闭岩巷瓦斯涌出量大或有溶洞裂缝带储存高压瓦斯煤矿瓦斯抽采存在的问题：目前，我国煤矿总体瓦斯抽采效果不佳，具体表现为瓦斯抽采率低。导致我国煤矿瓦斯抽采率低的原因有2个方面：一方面是客观原因，我国95以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有0.0040.04 /（MPa2d），瓦斯抽采（特别是预抽）难度非常大，具体表现为，技术上，由于煤层赋存较为复杂，以及抽采钻孔施工和设备上的落后，导致了钻孔质量差、封孔质量差的现状；在管理上，抽采单一，抽采时间不足，管理松散等常见问题。另一方面是主观原因，主要表现为抽采时间短、钻
21、孔工程量不足、封孔质量差、抽采系统不匹配和管理不到位7-8。1.2.2 国外研究现状为满足经济快速发展的需要，世界各国煤炭生产规模和产量正在不断扩大。而矿井瓦斯抽采效果和效率是制约矿井增产的重要因素，与此同时，随着井下开采深度的不断增加，低透气性高瓦斯煤层也越来越多。因此，怎样卸载瓦斯压力、增加煤层透气性、加快瓦斯抽采速度、提高其抽采效率并最大限度的预防和控制煤与瓦斯突出事故的发生频率和危害性己经成为矿井安全工作人员和煤矿瓦斯防治专家所关注和研究的重中之重。瓦斯抽采频率和危害性己经成为矿井安全工作人员和煤矿瓦斯防治专家所关注和研究的重中之重。历史上最早的瓦斯抽采记录显示，英国WhiteHave
22、n煤矿Saltom在十八世纪就己经开始进行了瓦斯抽采。矿井技术人员发现，当竖井掘至76.8m深时，井下有大量瓦斯涌出。因此人们用直径为50管密后，将瓦斯引至井外，以供当地一位学者的实验使用。日本北海道地区于第二次世界大战前（1934年）就开始进行瓦斯抽采工作，二战即将结束时（1943年），德国引进了该项技术并开始应用于矿井生产过程中。随后煤矿瓦斯抽采技术得到前所未有的快速发展，并成为保障矿井安全生产过程中必不可少的技术手段。上个世纪80年代，美国率先采用地面钻井瓦斯抽采技术，对未投入生产的矿井进行采前预抽工作，并得到了较好的收效。总的来说，世界煤炭主要生产国根据各自的煤地质状况，相应采取不同的
23、瓦斯抽采方法，如煤层预抽采瓦斯，掘进面抽采瓦斯、工作面抽采瓦斯、采空区抽采瓦斯、和地面钻井抽采瓦斯等。随着瓦斯抽采技术的不断进步，世界各国的可抽采瓦斯矿井和瓦斯抽采量也有了显著的提高。19491950年间，比利时和英国先后进行工业规模的瓦斯抽采，年抽采量达5700 m。19511987年间，世界煤矿瓦斯抽采量呈线性增加，自1951年的1024亿m增至1987年的54031亿m，抽采瓦斯的矿井由68个增加到619个，单个抽采矿井的平均年抽采量由1951年的198万m/井，增至1987年的877万m/井。到目前为止，世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽采，年抽采量超过1亿m的国家有10个，如原苏联
24、、德、英、法、中、美、波、日、澳等。其中原苏联抽采量最多，达2102亿m，德、英年抽采瓦斯量均在5亿m以上10。最新数据表明，从全世界范围来看，应用瓦斯抽采技术的国家己达到17个之多（美国、俄罗斯、德国、英国、法国、日本、波兰、澳大利亚、加拿大等），前苏联的抽采量最大，一年就高达为24亿m左右，而且更多的国家开始致力于该项技术的研究。瓦斯抽采工作己经被这些国家作为预防矿井灾害发生，保证安全生产工作的基本技术手段和必不可少的煤炭生产技术环节。1.3 平煤四矿瓦斯抽采存在问题（1）煤层瓦斯含量大，呈不均匀分布，瓦斯赋存情况复杂。（2）四矿为低透气性高瓦斯煤矿，煤巷掘进过程中，瓦斯难以排出，煤层中存
25、在较高的瓦斯压力，易诱发突出。（3）四矿整体由南到北呈单向倾斜，并有褶曲构造，煤层断层多、顶板破碎，井巷压力大、构造多，易形成较大的压力梯度，易发生瓦斯突出事故。因此，瓦斯抽采技术对治理其煤层瓦斯尤其重要。1.4 研究内容、研究方法与技术路线1.4.1 研究内容（1）研究低透气突出煤层条件下，瓦斯赋存及涌出规律，运用分源预测的方法，计算出工作面的最大瓦斯涌出量，并对瓦斯抽采的必要性与可行性进行分析。（2）分析工作面瓦斯涌出影响因素，选取合理的煤层瓦斯抽采方法，确定相关瓦斯抽采参数。（3）瓦斯抽采工艺的效果分析，根据瓦斯抽采的影响因素，提出优化管理的方法。1.4.2 研究方法在前人对瓦斯预测和瓦
26、斯抽采研究的基础上，参考大量文献资料及总结国内外矿井瓦斯预测的基础上，根据矿井瓦斯的基本参数以及实习期间收集到的瓦斯实测数据，综合考虑煤层瓦斯的赋存条件，分析影响矿井瓦斯涌出因素，计算瓦斯涌出量。理论分析不同抽采方法的适用条件，综合考虑煤层透气性、瓦斯压力和含量、钻场和钻孔设计、采煤方法与工艺、开采规模和强度等因素，以提高矿井瓦斯抽采率为目的，经过分析研究，提出可行的工作面瓦斯抽采技术。以降低开采过程中瓦斯的涌出量，降低煤层瓦斯突出的危险性，确保煤矿的安全高效生产。1.4.3 技术路线首先要进行瓦斯的涌出量预测分析，根据安全生产行业标准矿井瓦斯涌出量预测方法(AQ1018- 2006)，采用分
27、源预测法对矿井瓦斯涌出量进行预测。计算煤层最大瓦斯涌出量，根据国家关于煤矿抽采的相关标准，进行瓦斯抽采的必要性和可行性分析，选取合理的瓦斯抽采方法，并确定相关抽采参数，最后进行瓦斯抽采的效果预测和效果分析，并优化瓦斯抽采管理。具体技术路线参考图1.4瓦斯抽采的必要性和可行性分析瓦斯涌出量预测与瓦斯涌出量计算瓦斯抽采方法研究根据实际情况确定合理的抽采方法邻近层瓦斯抽采采空区瓦斯抽采本煤层瓦斯抽采确定瓦斯抽采参数 瓦斯抽采的效果预测和分析图1.4 技术路线图2 平煤四矿矿井概况2.1 矿区概况2.1.1 地理位置平顶山天安煤业股份有限公司四矿位于平顶山市区西北6km处，位于平顶山矿区中部，东与一、
28、二矿相接，南与三矿为邻，西邻六、五矿。矿区东西长约2.5km，南北长约5.5km，矿区面积12.7149k。2.1.2 地形地貌平顶山煤田地处汝河以南、沙河以北的低山丘陵地带。北部主要由二迭纪平顶山砂岩组成的低山，自西向东有红石山、龙山、擂鼓台、落凫山、平顶山、马棚山等，为地表分水岭，最高点擂鼓台标高+505.60m，龙山+464.37m；南部主要由震旦纪片岩和片麻岩及寒武纪灰岩组成走向西北的丘陵山地，有蝎子山、芦山和九里山，海拔+150158m。井田位于低山丘陵的槽形谷地之间，为一北高南低的倾斜平原。标高130m。2.1.3 气候条件本区属大陆性半干旱气候，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。最高
29、气温42.6(1996年7月19日)，最低气温-18.8（1955年1月3日），历年平均气温14.9，冰冻期一般为11月到次年3月。年最大降雨量1323.6mm（1964），年最小降雨量373.9mm（1966），年平均降雨量742.6mm，月最大降雨量366mm（1971年6月），雨季多集中在七、八、九月份，约占年降雨量的50%。年最大蒸发量2823.6mm（1959），年最小蒸发量1490.5mm（1964），月最大蒸发量408mm（1959年7月），月最小蒸发量40.7mm（1957年1月）。平均绝对湿度13.5mm，平均相对湿度67%，最大冻土深度14mm（1977年1月30日）。冬季
30、多北风和西北风，最大风速24m/s，平均风速2.8m/s。2.1.4水文地质特征平顶山煤田是以李口向斜为主体的向斜含煤盆地，其北西、南东、北东及南部边缘分别受落差数百米至上千米的郏县断层、落岗断层、襄郏断层及鲁叶断层等构造的切割，形成相对独立的水文地质单元。平顶山矿区于李口向斜南翼，北部以红石山、龙山、擂鼓台、落凫山、马棚山、平顶山等低山组成地表分水岭，标高300500m，坡度850，以北渡山、九里山、扣皂山等残丘组成西南部地表分水岭，标高130160m，坡度1530，震旦系石英岩与寒武系灰岩在西部零星出露，大气降水可直接补给地下水。南北分水岭之间为西窄东宽的槽形谷地，其间多被第四系坡积冲积物
31、覆盖。地势西高东低，地层倾向北北东，倾角12左右。含水层井田内按地层由老到新的顺序分为4个含水层，据井田及邻区资料将含水层叙述如下： 寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层主要为中厚层状白云质灰岩、鲕状灰岩、泥质条带灰岩、泥岩、砂质泥岩，井田内厚度大于200m，埋深大于239m。主要含水层段为寒武系中统张夏组鲕状灰岩和上统崮山组白云质灰岩，两组灰岩厚度为200m左右，为含煤地层基底，己16煤层底板间接充水含水层。据河南省平顶山煤田一、四、六矿井深部扩勘地质报告和邻区资料，该含水层在-150m以上的浅部岩溶裂隙较发育，深部岩溶裂隙不发育，地下水补给和迳流条件差，灰岩含水层富水性明显弱于浅部。 二叠系己煤组
32、顶板砂岩裂隙含水层本含水层共有两层砂岩含水层，自下而上为大占砂岩、香炭砂岩，大占砂岩距己16煤层515m，一般为7m，为己16煤层顶板直接充水含水层，主要为中粗粒长石石英砂岩，硅质和钙质胶结。香炭砂岩下距己16煤层530m，一般为20m，为己16煤层的间接充水含水层。水质类型CO3-Na。本含水层属砂岩裂隙弱含水层。 二叠系平顶山砂岩裂隙含水层平顶山砂岩位于煤系顶部，总厚109.23134.95m，上部中粗粒砂岩，中部中粒砂岩，下部中粗粒砂岩，底部有510m含砾粗砂岩。平顶山砂岩埋藏浅，在分水岭有出露，厚度大，节理裂隙发育，岩石较破碎，主要接受大气降水补给，但由于该含水层补给区地形较陡，不利于
33、裂隙水的补给，故含水性较差，水质类型CO3-Na型，本含水层属砂岩裂隙弱中等含水层。 第四系松散孔隙含水层第四系厚度043m，系出露地表岩层经风化后堆积于山麓，主要由砂砾石组成，在沟谷地带有季节性下降泉出露，泉流量0.53L/s，水质类型CO3-Ca型。2.1.5 地质构造本井田内地层层序由老至新依次为：寒武系崮山组、石炭系本溪组、太原组和二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组和第四系。寒武系崮山组系石炭、二叠系含煤地层的沉积基底，厚度大于68米，为灰色厚巨厚层状白云质灰岩。石炭系本溪组上界为太原组7灰岩底面，下界为崮山组白云质灰岩的顶面，厚度平均为5.6米，主要为浅灰色灰白色铝土质泥
34、岩和深灰色、灰黑色炭质泥岩。石炭系太原组上界为1灰岩的顶面，或为山西组底部砂质泥岩的底面，下界为本溪组铝土质泥岩的顶面，或7灰岩的底面，厚度为5386米，平均62.5米，由深色生物碎屑灰岩、燧石灰岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和煤组成，间夹菱镁质泥岩薄层，庚组煤位于本组下部灰岩的上部。二叠系山西组上界为下石盒子组砂锅窑砂岩底面，下界为太原组顶部灰岩顶面，厚87114米，平均为105.3米，由浅灰绿、深灰色中细粒砂岩、泥岩和煤组成。含煤25层，为己组煤。二叠系下石盒子组上界为田家沟砂岩的底面，下界至砂锅窑砂岩的底面，厚度284311米，平均304.4米，由灰黄色、深灰色中细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩所组
35、成。依据岩性和含煤性，自下而上分为戊组煤、丁组煤和丙组煤。二叠系上石盒子组上界至平顶山砂岩底面，下界至田家沟砂岩顶面，厚294331米，平均314.5米。主要由灰白色、灰黄色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中细粒砂岩及劣质煤层组成。自下而上分为乙组煤和甲组煤。二叠系石千峰组在井田内出露不全，厚度0255米，平均137.8米。主要由平顶山砂岩等组成。第四系厚033米，平均为11.93米。主要为黄土沙砾滚石（平顶山砂岩和石千峰组砂岩）之山坡残积物分布于低洼处，厚度不大，表土平均2米厚。受区域构造的控制，特别是李口向斜及锅底山正断层的影响井田构造总体上为一北北东向缓倾斜的单斜构造，地层走向100，倾向10，
36、倾角618。 褶曲:井田内褶皱主要为晋沟向斜，该向斜在井田内的南东部较为明显，向北西方向在39-18孔北约150米处消失，延伸长度2000米左右，它对井田内各煤层的产状，巷道布置均有一定影响，但由于甚为开阔，故伴生构造少见，对煤层厚度影响也不明显，仅局部对生产影响较大。井田内背斜不发育，揭露较少，控制程度较差。断层：断层走向N2550W，倾向南西，倾角6070，落差110200米，位置在四矿西南，三矿西北部，在一、四、六扩勘区内有六个钻孔控制，地表有零星露头控制。 煤层井田内含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组，下石盒子组和上石盒子组。含煤地层厚556-1090m，平均为796m，含煤2156
37、层，主要含煤地层为二叠统山西组的己组煤。目前已三采区可采煤层为己15，己16煤层。己15煤层：位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩3981m，平均60m。时有炭质泥岩伪顶，直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚510m，老顶为中粒砂岩，厚1020m；伪顶为炭质泥岩，底板即己16煤层之顶板。己15煤层厚0.815.33，平均3m。煤呈块状、鳞片状、粒状，煤层结构简单，区内未见夹矸。在井田范围内，从东向西煤层厚度变簿，稳定煤层。己16煤层：位于山西组下部，上距砂锅窑砂岩4699m，平均70m，距己15煤层20m，有厚约0.20.5m的炭质泥岩伪顶，直接顶板为厚约10m的泥岩和细砂岩互层，老顶为58m的细中粒砂岩；底
38、板为厚4.810m的泥岩或砂质泥岩，致密坚硬。己16煤层厚0.9010.01平均10m。煤多呈块状、粒状、间或有鳞片状，易碎为粉末。矸，多数为一层，属结构简单型煤层。井田内大部地段己16煤层为合层，仅局部地段，如43、44线之间，432孔以南，向西到23071切眼400m处，进入回风巷44-10孔附近，分叉为二层，夹矸厚度0.42.12m，平均1.05m。据钻孔及井下揭露资料可知，己16煤层厚度一般较稳定，属全区较稳定可采煤层。 煤质己15煤层：黑色，玻璃光泽，条带状结构，局部为线理状、透镜状或鳞片状结构。层状构造。硬度12。己16煤层：黑色，玻璃光泽，多具条带状结构，层状构造，结构疏松，易成
39、粉末。平坦状或参差状断口，硬度12。平均容重1.46 t/m，据筛分试验结果，粉煤多达75以上。原煤静止角为39.5，摩擦角为31.4，散煤容重为0.75t/m。表2-1 煤的工业分析煤层名称水分M(%)灰分A(%)挥发分V(%)含油量P(%)含硫S(%)胶质层厚Y(m)发热量（MJ/kg）己150.9213.5732.458.370.4828.0734.54己160.9916.2730.455.930.4125.9933.852.2 矿井开拓2.2.1 井田境界及储量（1） 井田范围：平煤四矿井田东部与三矿相接，西部与十一矿毗邻、南部止于各煤层露头风氧化带、北部以-800m底板等高线为界，东
40、西走向宽约5.4km，南北倾向长约11.41km，面积19.3k。（2） 目前本矿井的工业储量76.20Mt，矿井设计储量为74.27Mt，矿井设计可采储量为62.60Mt。2.2.2 矿井设计生产能力及服务年限（1）矿井生产能力：经多次技术改造，矿井生产能力达到2.80Mt/a。（2）目前矿井尚有的服务年限： （2-1）式中：T矿井尚有服务年限，aZ矿井可采储量，62.60MtA矿井设计生产能力，2.8Mt/aK储量备用系数K=1.32.2.3 井田开拓由于煤层埋藏比较深，井田范围里没有煤层露头，采用斜井开拓井筒过长，以至初期建井时间过长，斜井不能打在煤层底下，况且要给它留较多煤柱，所以选择
41、用立井开拓。立井开拓适应性较强，一般不受煤层倾角、厚度、瓦斯、水文等地质条件的影响。立井开拓井筒短，提升能力大，对辅助提升特别有利。对于煤层赋存较深、表土层厚、水文情况比较复杂、井筒需要特殊法施工或多水平开采急斜煤层的矿井，一般都应该采用立井开拓。平煤四矿矿井开拓方式为立井开拓，工业广场布置有三个立井。全矿井现有三个生产水平，四个生产采区和己组三水平开拓工程，即一水平丁九、戊九采区；二水平已三采区和庚一采区；己组三水平为开拓工程。其中一水平深部回采标高为-510m，二水平深部回采标高-600m，三水平深部开采标高为-800m。2.2.4 采煤方法为了选择合理的采煤方法，必须详细研究煤层的赋存条
42、件和地质特征，并考虑实习矿井实际使用经验。平煤四矿煤层赋存比较稳定，可采煤层主要为己16煤层，平均倾角8-12。煤层平均厚度为4.0m。煤尘无爆炸性，煤层有自燃发火倾向；发火期4-6个月，为高瓦斯突出矿，相对瓦斯涌出量为11.24立方米每吨，煤硬度不大，煤层直接顶为大占砂岩，岩厚度变化在8-15m之间，中等稳定，不易容易冒落。底板为波浪带砂岩。地质构造简单，结合设计矿井矿井实际情况以及现有的生产技术条件，设计采用综合机械化一次采全高回采工艺，倾斜长壁采煤法，用全部跨落法处理采空区。2.2.5 井下运输根据矿井井下开拓系统和采区回采工作面的布置，确定煤炭矸石材料设备和人员在内的运输系统如下：(1
43、) 煤炭运输系统综采工作面的煤炭区段运输平巷运输上山采区煤仓运输大巷井底中央煤仓经主井提升至地面(2) 设备材料和人员的运输系统副井罐笼中的设备（材料、人员）井底车场运输大巷采区轨道上山区段运输平巷综采工作面。(3) 矸石运输系统掘进工作面出的矸石区段回风平巷轨道上山运输大巷井底车场由副井提至地面。2.3 矿井通风本矿井为生产矿井，根据生产中的情况可确定本矿井为突出矿井。下面是为2003年以来绝对瓦斯涌出量、相对瓦斯涌出量情况，如表2-2所示。表2-2 四矿2003年以来矿井矿井瓦斯涌出量年度绝对量(m/min)相对量( m/t)瓦斯等级2003年48.458.87突出2004年45.518.
44、54突出2005年57.519.56突出2006年39.7178突出2007年53.079.97突出2008年52.799.09突出2009年53.068.81突出2010年447.7突出2011年45.187.92突出四矿通风方式为中央混合式，通风方法为抽出式，每个采区均有独立的通风系统。全矿共有6个进风井，即一、二水平主井、副井、三水平进风井、主斜井和东风井；回风井三个，即一水平风井、二水平风井和三水平回风井。目前一水平回风井担负戊九采区的回风，采区为“两进一回”通风方式；二水平回风井担负己三采区、庚一采区的通风任务，两个采区为并联通风网络，实现分区通风，其中己三采区为“两进一回”通风方式
45、，庚一采区为“两进一回”通风方式；三水平回风井担负三水平开拓工程和丁九采区的通风，两个采区为并联通风网络，实现分区通风，其中三水平开拓工程为“两进两回”通风方式，丁九采区为“二进一回”通风方式。四矿各采区采、掘工作面均有独立的通风系统，机电硐室均采用独立通风方式。目前矿井总进风量22732m/min，其中丁九采区进风量2291m/min，己三采区进风量6788m/min，戊九采区进风量5017m/min，庚一采区进风量2499m/min，东翼结束采区进风量742m/min，其它进采区风量354m/min。总回风量23801 m/min，总需风量18720m/min，四矿一水平风井系统安装2台型号为AGF606-2.2-1.3-2主要通风机，配套电机型号为YR1000-6/1180，额定功率1000KW，现运行2风机，风叶角度-10，风量为5832m/min，负压为3800Pa；二水平风井系统安装2台FBD606- 3.0-1.9-2对旋式风机，配套电机型号YBF630 -8-710，额定功率2710KW，现运行1风机，风叶角度-3，风量为10878m/min，负
