吕家坨矿井年产45万吨开拓开采及通风系统设计

1　井田概况及地质特征

1.1 井田概况

1.1.1 位置及交通

吕家坨矿井位于陕西省榆林市神木县北部，方位在神木县NW15°，直距约33km，行政区划隶属神木县孙家岔所辖。吕家坨矿井在陕北侏罗纪煤田神木北部矿区吕家坨井田的东北部，原属吕家坨矿井的2^-2号煤层开采井口。目前已有简易公路与包神府二级公路相接，包（头）～神（木）二级公路从井田的东界乌兰木伦河西岸通过，府（谷）～新（街）公路沿井田的南界考考乌素沟穿过。矿井由包（头）～神（木）～府（谷）二级公路向北距神木县孙家岔镇约5.0km，距神府矿区中心大柳塔约21km，距内蒙东胜市110km，包头市242km。矿井向南距神木县店塔镇约21km，距神木县城约43km，距榆林市约150km，延安市460km，西安市830km，矿井向东距府谷县城约87km，过黄河可达晋北各地。神朔铁路沿乌兰木伦河东岸从井田边缘穿过，神朔铁路在黄羊城车站和燕家塔车站分别设地方煤炭集装站，煤矿距黄羊城和燕家塔煤炭集装站分别为20km、5km（见交通位置图1-1）。

距离该煤矿最近的鄂尔多斯机场已开通鄂尔多斯至西安、鄂尔多斯至北京等大城市航班。榆林新机场已建成投入运营，可飞全国各大中城市。交通可谓四通八达，公路、铁路和航空运输快捷方便。

1.1.2 地形地貌

该井田地处陕北黄土高原的北端和毛乌素沙漠东南缘的接壤地带，地表大部被第四系风积沙所覆盖，地形特点为西南部高而东部低。最高点位于煤矿西部的梁峁上，标高＋1270.65m，最低处位于煤矿东北部的沟谷区标高＋1092.2m，相对高差约178.45m。

该区地貌单元可分为风沙区、河谷区和黄土梁峁区三种地貌类型，其中以风沙区为主；河谷区在赤家渠沟零星分布，河谷两侧基岩零星出露；黄土梁峁区主要分布于煤矿的西部，梁顶宽缓平坦。

（1）风沙区

煤矿范围内广泛分布，占井田面积的五分之二多。

由固定、半固定沙丘及沙丘链、长条形沙垄，平缓的沙地等交错组成。沙丘、沙垄一般长数十米至百米，宽数十米，高一般10～30m，在较大沙丘之间有风蚀所成的丘间洼地，沙丘受西北风吹蚀不断向南移动，地表干旱，缺乏水分。

（2）河谷区

仅在沟谷零星分布，河床、河漫滩和阶地次级地貌单元发育，由冲积及风积沙土组成。阶地面平缓，呈条带形，以第四系冲积物为主，农作物及植物生长茂盛。

（3）黄土梁峁区

主要分布于煤矿的中部，区内梁峁相间分布，梁顶宽缓平坦。其特点是黄土覆盖于老地层之上，厚度较大，一般40m，由于受外应力作用，形成一系列特殊的黄土地貌，有疏密不等的短小冲沟，现代地貌作用以流水侵蚀为主，植被稀少，水土流失时有发生。

1.1.3 气象及水文条件

本区属中温带大陆性半干旱季风气候，天气多变，冬季寒冷，夏季枯热，春季多风、风沙频繁，秋季凉爽、冷热多变，昼夜温差悬殊，干旱少雨，全年降雨量多集中在七、八、九三个月，无霜期150～180d。

十月初上冻，次年三月解冻。秋季多为西北风、春夏多为东南风。近年沙尘瀑时有发生。强度和频率较以往有所减弱。

据榆林市神木县气象站近年气象资料主要气象参数如下： 

极端最高气温38.9℃；极端最低气温 -29.7℃；近年平均气温8.8℃；多年平均降雨量436.6mm；近年最大降雨量 553.1mm；日最大降雨 135.2mm(1977.8.1)；枯水年降雨

量108.6mm（1965年）；多年平均蒸发量 1774.1mm；多年平均绝对湿度7.6mbar；平均风速2.2m/s；极端最大风速； 25m/s（1970.7.18）；最大冻土深度 146cm（1968年）。

矿井永久水源已纳入矿区的总体规划中，取自神木的瑶镇沟岔水源。三矿工业场地 附近支 沟两岸

为冲、洪积沙砾石层及沙土层，属第四系全新统冲、洪积潜水含水层，含水较丰富，常有泉水流出。具有就近取水的条件，故矿井水源可靠。

1.1.4 矿区概况

吕家坨矿井始建于1997年，已有两条斜井掘至5^-2煤层，采用房柱式开采最下部的5^-2煤层，并在井底附近形成一定范围的5^-2煤层采空区。

由于井田内沟谷纵横，煤层出露点多，有利于小煤矿开采，井田内分布有12处生产小煤矿，分别开采上部的3^-1煤层及井田边部的4^-2上、及5^-2煤层。除王才伙盘、林海两煤矿（开采3^-1煤层）有小部分区域与上部2^-2煤层赋存区有重叠关系外，其余上部均无2^-2煤层。吕家坨矿井开采范围内存在2^-2上、2^-2煤层，现掘出三条斜井均已见到2^-2煤层，开拓巷道基本形成。为确保安全，本次设计按照调整后的开采范围，进行两层煤联合开采予以设计。

矿井附近建有两座电厂和一座35/10kV变电所。电厂有燕家塔电厂、恒源电厂；变电所有孙家岔35/10kV变电所。上述电源点均具有向本矿提供10kV电源的条件，矿井电源可靠。

目前矿区内矿井建设所需的主要建筑材料如钢筋、水泥、木材等需由外地调入；砖瓦、沙、石等大宗建筑材料可就地生产，但多数质量不高，矿井建设时应严把质量关。

1.2  井田地质特征

1.2.1 地层

（一）区域地层

神木北部矿区位于陕北侏罗纪煤田东北部，地层区划属华北区鄂尔多斯盆地分区。大部为第四系风积沙所覆盖，仅在乌兰木伦河、考考乌素沟，勃牛川及支沟有基岩出露，地层由老到新有：中生界三迭系上统永坪组（T₃y）；侏罗系下统富县组（J_1f）、侏罗系中统延安组（J₂y）、直罗组（J₂z）；新生界新近系上新统保德组（N_2b）；新生界第四系下更新统三门组（Q_1S）、第四系中更新统离石组（Q_2L）、第四系上更新统萨拉乌苏组（Q_3S）及第四系全新统（Q₄）覆于各老地层之上。其特征详见表1-2-1。

（二）煤矿地层

煤矿地层由老到新有：中生界三迭系上统永坪组（T₃y）；侏罗系中统延安组（J₂y）；第四系中更新统离石组（Q_2L）、上更新统萨拉乌苏组（Q_3s）、全新统风积层（Q₄^eol）覆于各老地层之上。

(1).三迭系上统永坪组（T₃y）

为煤系沉积基底，煤矿地表未见出露，钻孔揭露最大厚度为26m。岩性为灰绿色巨厚层状细、中粒长石石英砂岩，夹灰绿～灰黑色泥岩、砂质泥岩。砂岩中含较多的黑云母、绿泥石矿物，分选与磨园度中等，泥质胶结。大型板状斜层理及槽状、楔形层理发育，泥岩中常见有巨大的枕状、球状菱铁矿结核及包裹体。据区域资料，厚度80～200m。

(2).侏罗系中统延安组（J_2y）

假整合于永坪组之上，是煤矿的含煤地层，受直罗期河流冲刷及新生界剥蚀，上部地层有不同程度的缺失，现存厚度变化较大，厚度207.32～216.53m，一般210m。总的趋势西厚东薄，仅在哈特兔沟谷两侧断续出露该组上部地层。

本组地层系一套陆源碎屑沉积，岩性以浅灰白色中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩、灰～黑色砂质泥岩、泥岩及煤层组成，夹少量钙质砂岩、炭质泥岩及透镜状泥灰岩、枕状或球状菱铁矿及蒙脱质粘土岩。

煤系地层宏观上有如下特点：

砂岩以细、中粒居多，少量粗粒或含砾砂岩，且多集中在煤系上下部位；细碎屑岩以粉砂岩占优势，泥岩多局限于几个层位；煤系中部砂岩相对较少，泥质岩较丰。

表1-1 区域地层一览表

延安组含煤岩系为大型浅水湖泊三角洲沉积，横向变化大，但以可采煤层为特征的垂向层序结构却十分清晰，因而能把井田煤系自下而上划分为五个中级旋回岩段；分别含5个煤组，自上而下编号为1～5煤组，煤层位于岩段上部。现简要分述如下：

（1）延安组第一段（J₂y¹）

煤矿内无出露，一般厚度53m，东南厚，西北薄，大部地区为上、下两个亚旋回，5^-1、5^-2煤分别位于两个亚旋回顶部。下亚旋回通常以厚层状灰白色细粒砂岩为主，砂岩的上部及下部常有深灰色粉砂岩、石英杂砂岩，5^-2煤位于顶部。上亚旋回以粉砂质泥岩及白色中～厚层状细粒砂岩为主，波状层理、小型小错层理，透镜状层理发育。5^-1煤位于顶部。

物性特征：该段电阻率曲线中高异常；自然电位-25～-50mＶ负异常，曲线形态与电阻率相呼应，组合成枞树形；5号煤组位于其中，低密度、低伽玛、高电阻率、声波时差大，形态呈箱状、指状、双指状和剑状。

（2）延安组第二段（J₂y²）

本段地层平均厚度55m，以细碎屑岩为主，夹多层薄煤、泥灰岩透镜体及菱铁质岩，以富含瓣鳃类动物化石为特征。

本段含4号煤组，可划分为三个亚旋回，4^-2、4^-3、4^-4煤分别位于亚旋回顶部。

下亚旋回：含4^-4煤，下部为灰白色中～细粒砂岩。中部以灰色砂质泥岩粉砂岩为主，夹薄煤层，富含瓣鳃类化石；偶夹具迭锥构造的泥灰岩透镜体，薄层浅灰～绿灰色粘土岩或蒙脱质粘土岩。上部为浅灰色粉砂岩。本段砂岩分选中等，磨圆较差。

中亚旋回：含4^-3煤，下部以灰白色中粒砂岩为主，局部为细砂岩、粉砂岩及泥岩，上部为灰白色细粒砂岩、粉砂岩，中部透镜状泥灰岩。粉砂岩以波状层理及水平层理为主。

上亚旋回：含4^-2煤，下部以灰白色细粒砂岩、中粒砂岩为主，上部以灰色粉砂岩为主，局部为泥岩，波状层理及小型交错层理发育，富含植物根化石及瓣腮化石。

该段电阻率曲线异常上高、中低、下高，密度曲线异常沿基线变化，幅值低平；自然伽玛中高异常，105～125API；自然电位曲线与电阻率相呼应，中高负异常，-10～-30mV，两者组合成哑铃状。4号煤组分布该段中上部，低密度、低伽玛、高电阻率，形态呈指状、剑状。

（3）延安组第三段（J₂y³）

区内沿东部哈特兔沟谷两侧有出露，本段地层一般厚度49米，层序是个完整单一旋回结构。岩性以浅灰～浅绿灰色粉砂岩、砂质泥岩为主，层段的上部和下部时有中～厚层状浅灰色中、细粒砂岩，3^-1煤层位于顶部。这套细碎屑岩条带状、缓波状、似水平层理及小型交错层理发育，并有大量虫孔构造，含较多球状菱铁矿及根土岩，夹煤线，其中有薄煤数层。

该段电阻率曲线中高异常，幅值变化不大，相对平缓；密度曲线高值低异常；自然伽玛中高异常，130API左右；电阻率与自然电位、密度与自然伽玛均可组合成箱形，总体形态平缓。3号煤组位于该段顶部，电阻率中高，低密度，负电位低伽玛，形态剑状、钟状、齿状。

（4）延安组第四段（J₂y⁴）

区内沿东部大沟沟谷两侧有出露，本段地层一般厚度30米，本段是一个完整单一旋回结构，2^-2及2^-2煤层位于顶部，下部是厚层状浅灰色中～细粒砂岩，其底部多有浅灰色粉砂岩、砂质泥岩；上部以灰色粉砂岩为主，夹黑色泥岩及不等厚浅灰色细粒砂岩。是一种前积相序。另一种层序结构的岩性以粉砂岩及泥岩为主，仅夹少量中～薄层状细粒砂岩，属边缘湖湾，分流间湾沉积物。

电阻率曲线中低异常；自然电位趋于基线、中下部有小负异常，与电阻率组合成枞树状；自然伽玛曲线中高异常。顶部2^-2煤层呈特高阻、低密度、低伽玛，形状为钟状、箱状，因火烧电阻率值降低。

（5）延安组第五段（J₂y⁵）

分布于煤矿的西部边界，因受古直罗河冲刷及新生界剥蚀，区内保留不全。本段以砂岩较厚、岩性色调浅、粗碎屑多为特征。岩段下部的白色、灰白色粗～中粒长石砂岩或长石石英砂岩，多呈巨厚层状，厚达20.0米，含大量炭化或菱铁化树杆化石及镜煤团块或透镜体。砂岩风化后呈豆渣状而有异于其它岩段砂岩。本段含1号煤组。

(二)第四系（Q）

（1）中更新统离石组（Q_2L）不整合于下伏地层之上，厚度0～68.14m，一般20m，零星出露于煤矿中部。为棕黄色～黄褐色亚粘土，局部夹灰黄色亚沙土。无层理，质地均一，上部有少许粉细砂，局部夹灰白色钙质结核，有稀疏的垂直节理。

物性特征：电阻率曲线值低平夹犬齿状小异常；自然电位幅值趋于零；自然伽玛曲线幅值低平；密度曲线幅值相对红土稍高于基线，1.8～2.0g/cc。

（2）上更新统萨拉乌苏组（Q_3s）及全新统风积层（Q₄^eol）

厚度0～19.43m，一般厚度10m。萨拉乌苏组局部出露于沟谷地带。上部为黄褐色中细沙与亚沙土互层；中下部为细沙及粉沙互层，中间夹薄层黑色粉细沙透镜体，富含蜗牛化石；底部为黄褐色～灰绿色亚沙土和粉沙，具明显的水平层理和波状层理。全新统风积层区内（Q₄^eol）广泛分布，为灰黄色、褐黄色半固定沙，以细粒沙、粉粒沙为主，圆度好，上部含少量黄土质，中下部沙质纯净、均匀。

1.2.2 地质构造

神木北部矿区位于华北地台鄂尔多斯台向斜东翼～陕北斜坡上。矿区地层总体为西缓倾的单斜，倾角1°左右，坡降一般5～17‰。矿区没有岩浆活动，断层稀少。                             

本井田位于神木北部矿区中南部，地层总体走向为北西，倾向南东，倾角1°左右的单斜构造，煤层底板等高线协调、疏密均匀，仅在沿煤层走向有一些宽缓的波状起伏。

1.3 矿体赋存特征及开采技术条件

1.3.1 煤层及煤质

一.煤层

（1）.含煤性

本区含煤地层为侏罗纪延安组，其划定平面范围内可采煤层为：2^-2上、2^-2、3^-1、4^-2上、4^-2、4^-3、5^-2号煤层，共7层。属于吕家坨三号井开采的为2^-2及其以上煤层即2^-2、2^-2上煤层，本次勘查涉及的煤层亦为2^-2、2^-2上，2^-2上煤层为主要勘查对象。2^-2煤层为钻孔终孔层位涉及的煤层。

（2）.可采煤层

在三矿范围内赋存的煤层有2层（2^-2、2^-2上），均为可采煤层，分述如下：

2^-2上赋存于三矿煤系地层的上部，第四段地层的顶面，基本全被上覆地层覆盖，在三号井，东部和西部煤层遭受自燃，煤层呈北东向带状分布于三号井中部（大部可采，可采面积1.238km²）,其下距2^-2煤层间距3.63～10.02m,一般5m左右，煤层厚度1.52～3.42m，平均厚度3.20m向西南隅边界变薄，规律性明显，煤层结构为不含夹矸的单一煤层，偶含1层夹矸，厚度0.14m，岩性为细粒砂岩。煤类为不粘煤BN31，煤质灰分变化标准差1.6；硫分变化标准差0.10；煤埋深89～141m；底板标高1128～1155m。顶板岩性主要为粉砂岩和细粒砂岩，局部为泥岩，底板岩性为粉砂岩。

2^-2上煤层厚度变化小，且规律明显，煤层结构简单，煤质变化小，煤类单一，为不粘煤BN31，为大部可采的稳定型中厚煤层。

综上所述：2^-2煤层厚度变化小，且规律明显，煤层结构简单，煤质变化小，煤类单一（长焰煤，不粘煤同属一个大类），为全区可采的稳定型厚煤层。

各煤层特征见表1-2。

表1-2 可采煤层特征表

二.煤质

（1）.煤的物理性质

煤层均黑色，粉末为褐黑色，弱沥青-沥青光泽，棱角状、参差状断口，部分阶梯状断口。

（2）.宏观煤岩特征

2^-2上煤层煤岩成分以暗煤为主，局部为半亮煤。

2^-2煤层煤岩类型以半暗-半亮型煤为主，局部为暗淡和光亮型煤。

（3）.显微煤岩特征

煤层有机组分含量较高，变化在92.5-98.9%之间，平均可达96.4%。其中：镜质组+半镜质组含量平均为47.1%；半丝+丝质组含量平均为48.2%.

（4）.煤的视密度

根据煤层样品测试成果，剔除测试异常值，然后采用其算术平均值，2^-2上、2^-2煤层视密度为：1.29t/m³。

（5）.煤的变质程度

各煤层镜煤最大反射率介于0.487～0.592%之间，属第Ⅰ变质阶段之烟煤，即长焰煤～不粘煤范畴。

（6）.煤的工业分析

煤的工业分析见表1-3。

表1-3 原煤工业分析成果表

（1）化学性质

①水分(M_ad)：2^-2上煤层原煤空气干燥基水分在7.81～11.49%之间，综合平均值10.19%，浮煤空气干燥基水分综合平均值在4.99～6.00%之间；2^-2煤层原煤空气干燥基水分在6.08～10.31%之间，综合平均值9.16%，浮煤空气干燥基水分综合平均值在4.85～10.11%之间；表明该区煤水分含量偏高。

②灰分(A_d)：2^-2上煤层原煤干燥基灰分为3.27～11.82%，平均值6.24%；2^-2煤层原煤干燥基灰分为4.51～10.30%，平均值7.10%；均属灰分产率变化小的低灰分煤层。经1.4密度液洗选后，其灰分产率大幅度降低，其值变化在2.61～3.04%和2.22～6.63%之间。

③挥发份(V_daf)：2^-2上煤层原煤挥发分变化在32.38～34.96%之间，其综合平均值在33.86%；浮煤挥发分（Vdaf）：浮煤干燥无灰基挥发分在31.17～34.65%之间，平均值32.48%。2^-2煤层原煤挥发分变化在35.89～41.23%之间，其综合平均值在38.01%；浮煤挥发分（Vdaf）：浮煤干燥无灰基挥发分在36.01～40.11%之间，平均值37.05%。属中高挥发分煤。

（2）煤中有害组分

①全硫(S_t,d)：2^-2上煤层原煤干燥基全硫为0.25～0.46%，平均值0.366%，标准差为0.10。2^-2煤层原煤干燥基全硫为0.34～0.49%，平均值0.43%，标准差为0.13，2^-2上及2^-2煤层均属硫分变化小的特低硫煤层。

②磷(P_d)： 2^-2上煤层磷（P_d）含量在0.002～0.008%之间，平均值0.004%。2^-2煤层磷（P_d）含量在0.001～0.004%之间，平均值0.002%，2^-2上及2^-2煤层均属特低磷煤。

③砷(A_s)：2^-2上、2^-2煤层砷（As,d）含量极微，在0～2PPm之间，属Ⅰ级含砷煤；氯（Cl,d）含量在0.001～0.010%之间，2^-2上及2^-2煤层均属特低氯煤。

④氟(F)：2^-2上、2^-2煤层原煤氟含量变化在18-70μg/g之间，其综合平均值在42μg/g，属特低氟煤。氟是煤中有害元素之一，燃烧后的挥发物易污染环境，因而必须长期检测。

⑤氯(Cl)：2^-2上、2^-2煤层煤原煤氯含量变化在0.001-0.010%之间，为特低氯煤。

1.3.2 瓦斯赋存情况、煤尘爆炸危险性、煤的自燃性及地温情况

（1）.瓦斯

2^-2煤层瓦斯含量甚微，每克可燃质（gγ）含氮气（N₂）为0.36～8.86mm³，二氧化碳（CO₂）0～0.068mm³，甲烷（CH₄）0～0.03mm³，重烃含量为0。自然瓦斯成份中，氮气占93.0～100%，二氧化碳占0～6.50%，甲烷占0～7.00%，重烃含量为0，煤层瓦斯分带属二氧化碳—氮气带（即CO₂～N₂带）。

2007年陕西省煤炭工业局对全省509处瓦斯等级进行了鉴定，2008年1月16日陕西省煤炭工业局以陕煤局发[2008]2号文对2007年度陕西省矿井瓦斯等级鉴定结果进行了批复。吕家坨矿井瓦斯含量很低，甲烷绝对涌出量为0.46m³/min，相对涌出量00.74 m³/ｔ；二氧化碳相对涌出量为4.43m³/t，属低瓦斯矿井。

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