曹縣煤田開發(fā)基礎(chǔ)性研究前瞻

黃文峰，張衛(wèi)峰，朱永軍，李仲峰

(菏澤市礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)中心，山東 荷澤 274000)

山東省曹縣煤田是魯西南隱伏區(qū)新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)中型煤田，總資源儲(chǔ)量約30億t。煤層厚度6～8m，煤種主要為焦煤、1/3焦煤?？刂?1500m以淺資源儲(chǔ)量24億t，-1800m以淺資源量約30億t。隨著勘查進(jìn)度的加快，對(duì)開發(fā)曹縣煤田賦煤規(guī)律、開采技術(shù)條件等進(jìn)行前瞻性基礎(chǔ)研究，意義重大。

1 深層煤礦床形成演化和賦存規(guī)律研究

1.1 曹縣煤田煤礦床構(gòu)造演化

魯西南深覆蓋區(qū)系指黃河以南菏澤市及濟(jì)寧西部黃泛平原區(qū)域，屬華北平原的一部分。其區(qū)域構(gòu)造演化起始于晚古生代。晚古生代的海西構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，沉積了一套海陸交互相-濱海平原相-內(nèi)陸湖泊相含煤沉積，這些沉積物具有東西成帶、南北分異的特征。

魯西地區(qū)近EW向斷裂組合而成的掀斜式斷塊，其后又被SN向、NW向和NE向3組斷裂切割改造破壞，從而行成一些列地壘或地塹構(gòu)造樣式。菏澤凸起(潛)是魯西南隱伏區(qū)規(guī)模較大的V級(jí)構(gòu)造單元，菏澤斷裂將菏澤凸起斷分為一大型穹狀背斜。古生界向周邊傾斜，靠近上部的石炭-二疊紀(jì)含煤巖系在周邊有所保留，巨野煤田和曹縣煤田分別位于菏澤凸起(潛)的東西兩側(cè)。菏澤凸起等保留的古生界一般是奧陶系頂部，但由并行斷裂形成的不少地壘或地塹往往保留殘存的煤系地層，不過(guò)，保留的一般是以下組煤居多。

1.2 重點(diǎn)研究方向

以曹縣煤田青崗集地區(qū)煤炭普查為例，根據(jù)二維地震和鉆探結(jié)果，青崗集地區(qū)煤炭普查結(jié)果就完全符合上述賦煤規(guī)律。所以，曹縣煤田的進(jìn)一步勘探開發(fā)，應(yīng)依據(jù)目前取得的地質(zhì)成果，深化成礦規(guī)律研究。當(dāng)前研究的重點(diǎn)課題，應(yīng)側(cè)重魯西南隱伏區(qū)成礦地質(zhì)研究和曹縣煤田煤炭資源綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)與方法。主要包括：研究區(qū)域成煤構(gòu)造背景；研究深層煤礦床區(qū)域賦存分布規(guī)律；區(qū)域構(gòu)造格架對(duì)深層煤礦床的控制作用；三維煤層預(yù)測(cè)模型；深部煤炭資源安全經(jīng)濟(jì)開發(fā)地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)理論和方法。

通過(guò)上述基礎(chǔ)研究，可以明確曹縣煤田后續(xù)勘探的主攻方向，進(jìn)一步細(xì)化勘查設(shè)計(jì)，加快推進(jìn)、節(jié)約資金，同時(shí)對(duì)深隱伏區(qū)運(yùn)用構(gòu)造模式深部找煤意義重大。

2 深部煤炭資源開發(fā)地質(zhì)技術(shù)條件

由于曹縣煤田全部位于隱伏區(qū)內(nèi)，上部覆蓋有巨厚的900～1500m厚的松散層，賦煤深度在960～1800m之間，地質(zhì)條件復(fù)雜，但大部分為低瓦斯煤層。因此，對(duì)曹縣煤田深部煤炭資源開發(fā)的建井技術(shù)和地質(zhì)技術(shù)的研究尤其重要。

2.1 巨厚松散層建井(立井)技術(shù)研究

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)千米松散層立井建井技術(shù)，但曹縣煤田北東向40km同樣有巨厚松散層覆蓋的巨野煤田，各井田建設(shè)全部取得成功。以擁有數(shù)項(xiàng)建井世界紀(jì)錄的巨野煤田龍固煤礦、郭屯煤礦為例：2005年，中煤特殊工程，公司在山東龍固煤礦施工的風(fēng)井井筒壁后充填工程創(chuàng)造了該公司同時(shí)用三臺(tái)大鉆機(jī)在同一煤礦優(yōu)質(zhì)、安全地承建主1、主2、風(fēng)井三個(gè)井筒的國(guó)內(nèi)紀(jì)錄。582.75m的主井成井深度,也創(chuàng)造當(dāng)時(shí)世界同類煤礦豎井的最深紀(jì)錄，鉆井直徑為8.7m。該井地質(zhì)條件極為復(fù)雜，施工綜合難度為國(guó)內(nèi)第一，在國(guó)際上也屬罕見。龍固主井建設(shè)，在冷凍深度、泥漿污染、井壁焊接、節(jié)間注漿、節(jié)間防腐等關(guān)鍵技術(shù)上都取得突破，三個(gè)井筒的493節(jié)井壁全部合格。中煤集團(tuán)所屬施工企業(yè)運(yùn)用自主開發(fā)的“深立井井筒凍結(jié)施工法”，在山東郭屯礦主井凍結(jié)工程施工中創(chuàng)造了凍結(jié)法鑿井通過(guò)表土厚度587.5m的世界紀(jì)錄和凍結(jié)深度702m的全國(guó)最高紀(jì)錄。因此，在曹縣煤炭基地建設(shè)中，應(yīng)對(duì)“重、大、難、精、尖”工程的要求，進(jìn)行共性關(guān)鍵技術(shù)如立井建設(shè)進(jìn)行攻關(guān)，并關(guān)注國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新工藝研究，一旦建井技術(shù)取得突破，曹縣煤田開發(fā)可立即提上日程。

2.2 深部巖溶水賦存和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

礦建過(guò)程中，深部巖溶問(wèn)題隨著工程建設(shè)向深部延伸會(huì)逐漸顯現(xiàn)，由它帶來(lái)的一系列地質(zhì)工程問(wèn)題對(duì)掘進(jìn)工程具有極強(qiáng)的控制性和危害性，高壓突水問(wèn)題是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的理論難題。巨野煤田的開發(fā)中，如龍固、鄆城、郭屯等煤礦已受水害問(wèn)題嚴(yán)重困擾。所以，在前期曹縣煤田水工地質(zhì)研究中，應(yīng)對(duì)深部巖溶相關(guān)概念、發(fā)育類型、發(fā)育特征、形成機(jī)制等方面進(jìn)行研究，勾畫出深部巖溶研究今后的重點(diǎn)，主要包括深部巖溶工程地質(zhì)分類及特征、受控因素、發(fā)育機(jī)制及演化、現(xiàn)代深部巖溶對(duì)采煤工程控制作用等幾方面的研究。重點(diǎn)研究誘發(fā)深部高壓水突出的深層巖溶水礦床水文地質(zhì)條件。

2.3 深部煤巖體溫度場(chǎng)分布特征及熱害防治對(duì)策

對(duì)于曹縣煤田千米以下采場(chǎng)，地溫升高是深部開采無(wú)法回避的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。在深部開采條件下，地溫升高是井下工作條件惡化的重要原因。持續(xù)的高溫，將對(duì)人員的健康和工作能力造成極大的傷害，使勞動(dòng)生產(chǎn)率大大下降和生產(chǎn)事故大大增加，同時(shí)還會(huì)降低井下設(shè)備的工作性能，減少井下設(shè)備的使用壽命。鄰近巨野煤田龍固煤礦開采深度在-870m左右，開采煤層原始巖石溫度都大于30℃，屬于一級(jí)高溫區(qū)，部分巖溫達(dá)38～51℃，屬二級(jí)高溫區(qū)。因此，開采程度更深的曹縣煤田，不可避免的遇到高溫?zé)岷?wèn)題。開發(fā)過(guò)程中，針對(duì)采區(qū)深部原巖地溫場(chǎng)分布規(guī)律，分析研究了井下氣溫的影響因素，這對(duì)高溫高濕礦井井下熱力參數(shù)的預(yù)測(cè)計(jì)算，對(duì)井田開發(fā)熱環(huán)境治理，具有較好的指導(dǎo)作用。

2.4 深部煤巖體應(yīng)力場(chǎng)與采動(dòng)疊加效應(yīng)研究

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，尤其在超過(guò)一定的臨界深度時(shí)，沖擊破壞程度更為嚴(yán)重。由于曹縣煤田的開采深度較大，沖擊地壓成為礦井安全生產(chǎn)的一個(gè)嚴(yán)重威脅，必須采用科學(xué)的方法和有效的管理措施，解決礦區(qū)深部的安全開采問(wèn)題。對(duì)誘發(fā)采煤動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的深部高地應(yīng)力條件進(jìn)行前期研究，制定初期的解危方案和綜合防治措施相當(dāng)重要。借鑒臨近的巨野礦區(qū)的防沖經(jīng)驗(yàn)，積累采動(dòng)疊加數(shù)據(jù)，建立曹縣煤田深部煤巖體應(yīng)力疊加模型，對(duì)采礦工程的合理建設(shè)至關(guān)重要。

3 結(jié)束語(yǔ)

曹縣煤田是山東省境內(nèi)開展深部找礦工作以來(lái)的一項(xiàng)重要成果。開發(fā)曹縣煤田，必須進(jìn)行前瞻性研究，研究該區(qū)深部煤炭資源賦煤規(guī)律、開采地質(zhì)條件，完善深部煤炭資源勘探技術(shù)體系以及精細(xì)探測(cè)技術(shù)，并對(duì)深礦井開采熱害、水害、沖擊地壓等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。曹縣煤田的礦業(yè)權(quán)人，應(yīng)該及早制定計(jì)劃項(xiàng)目，成立專門的科研小組，抽調(diào)專業(yè)技術(shù)人員，明確專項(xiàng)課題和研究?jī)?nèi)容。同時(shí)，對(duì)參加研究的人員給予各方面的保障和支持，確保各課題研究順利進(jìn)行，這對(duì)曹縣的勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義

[1] 虎維岳，等.深部煤炭資源及開發(fā)地質(zhì)條件:研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[M] . 北京：煤炭工業(yè)出版社，2008，5