登封市向阳煤业防隔水煤柱设计

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1、河南金丰煤业集团有限公司 向阳煤业防隔水煤柱设计批复通知向阳煤业：河南金丰煤业集团有限公司总工办通过对登封市向阳煤业有限公司技术改造初步设计说明书会审，并根据建筑、 水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程的有关规定， 又参照登封煤田采用的垂线法计算经验数据，总工办对向阳煤业初步设计留设煤柱一致通过，并要求该矿委严格贯彻执行，不得随意更改。河南金丰煤业集团有限公司总工办特此通知2010年元月后附：1、登封市向阳煤业有限公司防隔水煤柱设计2、登封市向阳煤业有限公司防隔水煤柱设计图登封市向阳煤业有限公司防隔水煤柱设计、矿井及井田基本概况1 、矿井及井田基本情况登封市向阳煤业有限公司，资源整合前为

2、向阳煤业，始 建于1974年，1975年10月投产，设计和核定生产能力为 27万吨/年。2007年资源整合后，成立登封市向阳煤业有限 公司，设计生产能力45万吨/年。采矿许可证号 4100000830141 ,有限期限自 2008年05月29日至2020年 12月29日，批准开采二1、一 1煤层，生产规模45万吨/年, 矿区面积为3.8105km2。矿井开拓方式为两斜一立，联合开拓方式，采用走向长 壁后退式炮采采煤法。回采工作面采用单体液压支柱配兀型 梁支护顶板。矿井共有二1、一 1两层可采煤层，初期开采二 1煤层。2、位珞、范围登封市向阳煤业有限公司位于登封市东部约22km,行政隶属登封市大

3、冶镇管辖，地理坐标为东经113 11 45113 14 04，北纬 34 26 34 34 27 45。该井 田南北宽 0.802.20km ,东西长 0.453.50km ,面积约 3.8105km2,由25个拐点坐标圈定。本区西距登封市约 22km,东北距新密市约 22kmi登封 大冶新密公路从区北通过，新郑伊JI伊水寨铁路从区外 东南部通过，矿区距大冶车站约2km,新郑登封地方小铁路从本区南部边界通过，交通便利。4 、地形地貌本区为低山丘陵地形。区内地势呈西北高、东南低，最 高海拔标高为 418.40m,最低海拔标高为265.10m,相对高差153.30mo地面冲沟发育，有利于大气降水的

4、径流和排泄， 历年最高洪水位 254.19m o井口及工业场地内主要建筑物标高为主、副斜井+274m,主风井+302.70m。5 、气象本区属暖温带半湿润半干旱季风气候，年降水量主要受 季风影响，秋、冬、春三季干旱少雨。据登封市气象站2005年-2010年观测资料，雨季集中在7-9月份，年降水量为181.50-365.50mm , 平均 277.37mm , 年蒸发量为 15.07-148.20mm ,平均113.95mm, 6-7月气温较高，最高温 度可达40.10? （ 2005年6月24日），1月气温较低，最低 温度-9.8 ? （ 2008年1月14日），年平均气温为 14.83?。

5、年平均相对湿度 5260%春、夏、秋三季以东风，东北风为主，冬季以西风为主，风力以冬、春季较大，最大风速28 40m/s。6 、水文本区属淮河流域颍河水系。区内主要常年性地表水体为西施和向阳水库(紫罗池水库)，位于矿区西南部和中部，均为小型塘坝，几乎常年干枯，仅在大雨过后有短暂蓄水。 区内季节性冲沟较发育，平时干涸无水，雨季细流潺潺，暴 雨时段洪流滚滚，自北向南、自西向东流入双洎河，向东经 大冶、超化、新郑、扶沟等地后又折向南，于周口市汇入颍 河。7 、地震据河南省地震局资料，登封市及邻近地区近期未发生过 大的破坏性地震。历史上有记载的较大地震有6次均波及本区，并造成较大损失。七十年代中期曾发

6、生过3次2.5级以上有感地震，未造成损失。根据国家质量技术监督发布的中国地震参数区划图 (GB18306-2001),登封市及其附近地区的地震动峰值加速度g值为0.05 ,对应的地震基本设防烈度值为VI度。二、水文地质条件1、区域含水层组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层组主要包括：寒武、奥陶系白云质灰岩、石炭系太原组灰 岩。寒武、奥陶系白云质灰岩由露于煤田南、北、西部，厚 度大，岩溶裂隙发育，为地下水的补给区，富水性强而极不 均一，由露泉水流量为15720551 /s o据以往区域抽水资料， 钻孔单位涌水量 0.03127.216 1 /s mi石炭系太原组灰岩 由79层灰岩组成，主要发育在太原组上、下

7、段。上段灰 岩段上距二i煤底4.3531.27m,为二i煤层底板直接充水 含水层，钻孔单位涌水量0.0023927.823 1/s m!其富水性也极不均一。碎屑岩类裂隙含水层组主要包括三叠系和二叠系砂岩裂隙含水层。三叠系以金 斗山砂岩为主要含水层，具厚度大，裂隙发育，富水性强， 水压高，泉水流量为0.213 1 /s ,钻孔涌水量为 0.21m 3/h ;二叠系砂岩中以上部平顶山砂岩为最厚，且发育稳定，主要 由中粗粒砂岩组成，厚度44.0599.92m,生露较好，在地貌上常处在位珞较高的山岭上，其裂隙发育，富水性较强， 泉水流量为 0.0798.60 1/s ,钻孔涌（漏）水量为0.21 9.

8、0m3/h ;中下部各煤层间均发育有相应的砂岩裂隙含水层， 据以往区域抽水资料，山西组砂岩段钻孔单位涌水量为 0.00016 0.0514 1/s m,渗透系数为 0.00104 0.227m/d。 生产矿井正常涌水量一般小于100m/h ,最大涌水量曾达 200m3/h （芦店养钱池）,富水性弱中等；下石盒子组砂岩段钻孔单位涌水量为 0.0075 l /s mi渗透系数为0.0143m/d ,富 水性弱；上石盒子组砂岩段钻孔单位涌水量为0.001390.00418 l /s m,渗透系数为 0.00985 0.0333m/d ,富水性 也弱。松散岩类孔隙含水层组由第四系不同成因类型的砂、砾石

9、（岩）含水层组成。其发育规律自西向东及东南沉积厚度增大的趋势。含水层为 砂、砂砾石（岩）、卵石多元复结构孔隙含水岩组，其间夹 亚粘土、粘土等隔水层。含水层厚度变化较大，富水性也极 不均一，当地居民生产生活用水多凿取于该层段。2 、区域隔水层组石炭系泥岩、铝质泥岩隔水层组主要由泥岩、铝质泥岩夹薄层砂岩组成，阻隔了奥陶系 石灰岩含水层组与太原组碳酸盐岩含水层组之间的水力联 系。碎屑岩类层间隔水层组主要由具塑性的泥岩等组成，呈层状分布于各砂岩含水 层之间，阻隔各含水层之间的垂向水力联系，使各含水层呈 层状相对独立。3、矿井水文地质井田四周边界主要有大路南正断层、翟门正断层、山槐正断层和二1煤层露头。

10、大路南正断层，为井田北部边界，区内延伸长度大于 4km,为芦店滑动构造下一隐伏正断层。断层走向63100 ：倾向33310 ,倾角70 左右，落差20180m,东部大， 西部小，使二1煤层与二叠系中上统砂泥质碎屑岩段相对接， 构成矿区北部相对阻水的自然边界。翟门正断层和山槐正断层为井田西部边界。翟门正断层 往北延伸至马鸣寺煤矿， 往南延伸由区，走向130145 倾向9045 ,倾角70左右，落差 300350m,北东盘下 降，南西盘上升，该断层下盘为奥陶系马家沟组石灰岩，地 表有由露。山槐正断层，为翟门断层支断层，往北交于大路 南断层。断层走向 148155 ,倾向5865 ,倾角65 左右，

11、落差70130m,其北东盘下降，南西盘上升。两断层 均使区内二1煤与奥陶系灰岩强含水层接触，成为供、导水 边界。井田南部边界及东部边界均有二1煤层露头，成为井田南部及东部供、导水边界。总之，矿井二1煤层充水性可概化为西边、南边和东边 三边供、导水，北边相对阻水。4 、矿井充水条件4.1 充水水源(1)大气降水、地表水本区大气降水多集中在每年 79月份，大气降水通过不 同成因的基岩裂隙及松散堆积物空隙在裂隙沟通的情况下 进入矿坑，成为矿坑充水的间接但重要的补充来源。雨季矿 井涌水量较平时一般涌水量增加13倍，说明大气降水对矿井充水有较大影响。区内主要常年性地表水体为西施和向阳水库(紫罗池水库)，

12、位于矿区西南部和中部，均为小型塘坝，几乎常年干 枯，仅在大雨过后有短暂蓄水，因库底与二i煤层间有稳定的隔水层相阻隔，正常情况下对煤矿生产影响不大，但若导 水断层或导水裂缝带与此沟通时，将成为矿井充水水源。(2)地下水第四系松散层潜水本区为低山丘陵区，地面坡度较大，冲沟发育，第四系 地层沉积较薄，底部的黄土夹砾石为其含水层，发育不连续,稳定性差，富水性不均一，但导水性较好，是大气降水下渗 充入二i煤矿坑的中介含水层和导水通道之一，故在浅部应 积极做好地面防、排水工作。基岩风化带裂隙潜水该含水层的岩性因地而异，风化带厚度受地形起伏的影响，深度一般为10-50m在煤层埋藏较浅地段，煤层回采 落顶产生

13、的导水裂缝带与该含水层沟通时，则向矿床充水。二叠系砂岩裂隙承压水为碎屑岩孔隙裂隙承压含水层水，包括上石盒子组砂岩 孔隙裂隙承压水、下统下石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水、山 西组砂岩孔隙裂隙承压水。在二i煤层回采落顶产生的导水裂缝带中的含水层水，都会向矿井充水，是矿坑充水的主要 充水水源。在矿井生产中，多以滴、淋水形式向矿坑充水， 水量较小，生产中易于疏排。石炭系太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水二i煤层底板直接充水含水层，由L7L9三层灰岩组成，其中L7和L8两层灰岩较发育。该含水层含水丰富，补给条件 好，但岩石裂隙及导、突水性极不均一，在断裂构造作用下， 使其与下部强含水层产生水力联系时，突水性则会相

14、应增 加，是二i煤层开采过程中的主要底板突水水源，要做好防 治水工作。石炭系太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水由LiL4灰岩组成，该层含水性及透水性较好，为一 煤层顶板直接充水含水层及二i煤层底板间接充水含水层。至二i煤层距离34.4582.41m,其间夹有太原组中段碎屑岩 隔水层，正常情况下该含水层不能进入二i煤矿床，但如果遇到断层时，Li-4灰岩水补给二i煤层底板含水层而间接向矿井充水，威胁矿井安全。奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙承压水该含水层岩溶裂隙发育，补给径流条件好，突水性强，但极不均一，为一1煤层底板直接充水含水层和 二1煤层底 板间接充水含水层，也是本区重要含水层。正常情况下该含水层不能进入

15、二1煤矿床，但如果遇到导水断层时，补给二 1 煤层底板含水层而间接向矿井充水，威胁矿井安全。(3)老空水据以往老窑调查资料，在开采煤层的浅部露头地段，有 历史上遗留的老窑和生产矿井的采空区老塘，主要分布在矿 区南、东部一带，具采掘范围、停采时间、停采原因以及积水等情况不详，推测其废弃井巷内会积存一定量的老空老 塘水，对本矿生产安全具有潜在的威胁，故当采掘工程向浅 部推进时，应打超前探、放水钻，并留设足够的防水保安煤(岩)柱，以避免发生老窑老空水突生溃水，造成淹井等水 患。(4)塌陷区积水区内煤层较厚，为分层多次回采，对煤层顶板破坏较严 重，浅部老窑及周邻生产矿井废弃井巷冒落塌陷形成断裂破 碎带

16、，并在地表形成沉陷凹地和地裂缝，在雨季则因洪水汇 集而积水，再通过导水裂缝带、地裂缝向矿坑充水，故在地 表沉陷区应及时回填塌陷凹地和地裂缝，开挖疏排洪渠道或其它防、排水基础设施，以避免发生洪水倒灌造成淹井等事 故。4.2 充水通道：断裂构造带发育于煤层顶、底板岩层中天然构造裂隙是地下水运移 和赋存空间，也是造成煤层开采突水的导水通道，一旦巷道 掘进或工作面回采过程中遇到该类导水裂隙就会造成矿井 由水。矿区主要断裂构造为北部边界附近的大路南断层，使二i煤层与二叠系中上统砂泥质碎屑岩段相对接；西部边界附近的翟门正断层和山槐正断层，两断层均使二i煤与奥陶系灰岩强含水层接触；矿区中部的徐庄正断层，最大

17、落差30m,据登封市向阳煤业有限公司瞬变电磁勘探报告，在徐庄正断层位珞有多个富水异常区，在部分含水层均含水，因此 认为徐庄正断层局部含水，导水性较强。另外区内其它小断层主要有紫罗池逆断层、西施村断层，断距一般为1040ml由于断裂破坏了地层的连续性，使煤 层上下各含水层间产生了一定的水力联系，是地下水、大气 降水和地表水向矿坑充水的主要通道，故生产中当井巷采掘 工程接近断层时，均应打超前探、放水钻，并留设足够的防 水保安煤柱，以避免遇断裂突水淹井。导水裂隙带工作面回采后产生的顶板岩层导水裂隙带会直接导通顶板含水层水、老窑水和地表水，是矿井突水的主要导水通道 之一。若导水裂隙带高度达到水体(或富

18、含水层)时，则会 引起矿井涌水量急剧增加。具导水裂隙带高度采用国家安全 生产监督管理总局发布的煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准(MT/T1091-2008 )中的公式进行计算井田内煤层倾角较缓，二i煤层顶板主要为砂质泥岩，导水裂隙带高度计算公式为：100M 一H f =+ 5.13.3n+ 3.8式中：H导水裂隙带高度m;M一煤层累计采厚m,取井田内钻孔揭露煤层平均厚度4.69m；n煤分层层数；按上式计算，全井田二 i煤层一次采全高开采时，产生 的导水裂隙带高度为 71.16m。综合分析，二i煤层在区内东部及南部埋藏较浅，地表 有由露，因此，开采时产生的导水裂隙带，有可能导通松散

19、 层含水层及地表水体， 可能成为二i煤层的直接充水含水层, 而使矿井涌水量增大。在矿井生产中，应加强顶板管理，采 用充填法充填采空区，可以减轻围岩的破坏，减小对矿井涌 水量的影响。底板岩层破坏突水煤层底板以下含水层中，赋存的地下水是具有一定压力水头的承压水。由于采掘工作破坏了岩层的天然受力状态， 一定条件下底板水在水压和矿山压力作用下突破底板进入 矿井，造成矿井突水。本区限采二i煤层底板标高在-250+250m之间，该煤层 底板直接充水含水层为太原组上段L7-8灰岩，据0201孔在1966年抽水试验资料，静水位标高+217.09m。间接充水含水 层为太原组下段Li-4灰岩和奥灰系灰岩，据 20

20、10年补11孔 抽水试验资料，L1-4灰岩水位标高为+139.73m,奥灰水水位标 高为+149.92m。故开采二1煤层，部分地段为带压开采。带 压开采是个复杂的问题，影响的因素较多，本次采用突水系 数法进行评价。采用煤矿防治水规定，国家安全生产总局监督管理总局（第 28号）？附录四中的公式，计算L1-4灰岩及奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙承压水突水系数。其公式为:式中T突水系数，MPa/mp一隔水层承受的水压，MPa/mMl底板隔水层厚度，（取区内二1煤层底板以下各 隔水层的平均厚度）。根据煤矿防治水规定，煤层底板受构造破坏块段突水系数临界值取 0.06MPa/m,正常块段突水系数临界值取0.1T

21、 0.1危险区二i煤层安全开采标高计算表表5-1含水层水位标图（m）隔水 层 厚度 （m）含水层 顶板距 二1煤层 底板距 离隔水层能够承受的最大水压值（mp3二1煤层安全标高临界值（m）构造破坏块段正常块段构造 破 坏块 段正常块段L7-8灰岩+217.0910100.61+165.87+125.05L1-4灰岩及奥陶系灰岩+149.9246.6057.912.7964.66-77.48-267.68对于L7-8灰岩水，当突水系数取 0.06 MPa/m,反算得由隔水层承受的其水压（ P）为0.6MPa,煤层底板标高为 +165.87m；当突水系数取 0.1 MPa/m,反算得由隔水层承受的

22、其水压（P）为1.0MPa,煤层底板标高为+125.05m,见表对于Li-4灰岩及奥陶系灰岩水，当突水系数取0.06MPa/mm反算得由隔水层承受的其水压（P）为2.796MPa,煤层底板标高为-77.48m ;当突水系数取0.1 MPa/mi反算得由 隔水层承受的其水压（P）为4.66MPa,煤层底板标高为-267.68m ,见表 5-1。因本区限采二i煤层底板标高在-250+250m之间，故当 本区二i煤层开采标高在+165.87m+250m之间时，突水系数 均小于0.06 MPa/m ,属相对安全区；二i煤层开采标高在+125.05m+165.87m之间时，L7-8灰岩水突水系数大于 0

23、.06 MPa/ 而小于 0.1 MPa/m ,属临界区，构造破坏块段发生 L7-8灰岩水突水的可能性较大，构造不发育块段仍是相对安全 的；二i煤层开采标高在-77.48m+125.05m之间时，L7-8灰 岩水突水系数大于 0.1 MPa/m Li-4灰岩及奥陶系灰岩水突水 系小于0.06MPa/m,属危险区，发生L7-8灰岩水突水的可能性 极大；二1煤层开采标高在-250m-77.48m之间时，L7-8灰岩 水突水系数大于0.10 MPa/m , L1-4灰岩及奥陶系灰岩水突水 系数大于0.06 MPa/m而小于0.1 MPa/L7-8灰岩水突水可 能性极大并且在构造破坏地段还会存在L1-

24、4灰岩及奥陶系灰岩水突水的可能（见表 5-2 ） o二1煤层突水性评价表表5-2开采标高突水系数MPa/m突水性L7-8灰岩水L1-4灰岩及奥陶系灰岩水+165.87 +250m小于0.06小于0.06相对安全+125.05m +165.87m大于0.06 ,小于0.1小于0.06构造破坏块段发生L7-8灰 岩水突水的可能性较大， 构造不发育块段仍是相 对安全的。-77.48m +125.05m大于0.1小于0.06发生L7-8灰岩水突水的可能性极大。-250m -77.48m大于0.1大于0.06 ,小于0.1L7-8灰岩水突水的可能性 极大并且在构造破坏地 段还会存在L1-4灰岩及奥 陶系

25、灰岩水突水的可能。本次评价所用太原组上段L7-8灰岩承压水静止水位标高为1966年抽水试验资料，距现在时间较久，由于近年来矿区大量抽排水，现在太原组上段L7-8灰岩承压水静止水位会有所降低，因此本次利用突水系数法评价其对二i煤层突水性，与现在实际情况可能会存在一定误差。另外突水系数临 界值只是全国实际资料的综合数据，不一定适合本矿区，本 次计算的数值仅供参考。为保障矿井的安全生产，建议补充 一定的勘探工作，并在开采时，对底板加强管理，加强探测 预报工作。地面塌陷及地裂缝随着生产能力、采空区面积的增加，所造成的地面塌陷 和地裂缝会成为地表溪水和雨季洪水进入矿井的通道。应加 强井田范围内及相邻小煤

26、矿因开采所造成的地面塌陷和地 裂缝检查、充填、疏通工作，防止水害的发生。三、矿井水害防治技术措施1. 地表防治水措施(1)掌握当地历史降水量和最高洪水位资料，结合本 矿具体条件建立疏水、防水和排水系统。(2)重点加强雨季三防工作，若由现暴雨或洪水时， 及时巡查并撤由井下人员，必须制定相应的防洪措施并严格 执行，防止地表水渗入到井下发生淹井事故。(3)定期检查泄洪沟、排水沟等设施完好情况，发现 淤积排水通道时，及时进行清理，保证地表水通畅下泄。(4)定期检查地面废弃井筒及塌陷裂隙并应及时充填 轧实，对于废弃的井筒，必须进行密闭，浇注一个大于井筒 断面的坚实的钢筋混凝土盖板减少大气降水对矿坑的补给

27、。(5)对于容易积水的地方应修筑沟渠，排泄积水。修 筑沟渠时，应避开煤层露头、沟缝和透水岩层。特别低洼地 点不能修筑沟渠排水时，应填平压实。(6)组织检修供电线路、备用机组、避雷装珞、机电 设备，保证其畅通、完好、灵敏可靠。(7)清挖井下水仓及排水沟，检修排水设备、排水管 路，保证其完好可靠、安全运行、储水系统畅通。(8)调度室必须坚持24小时值班，及时收听天气预报, 天气异常时，立即汇报防汛领导小组，采取有效措施，预防 事故发生。2 .老空水防治措施矿井在生产过程中，要做好老空水害的防治，避免或减 少事故的发生，必须采用“教育引导”与“严格管理”双重 措施，具体措施如下：(1)教育职工熟悉突

28、水征兆，即牢记：煤层发潮、变 软、色暗无光彩、桂汗、工作面气温降低，或生现雾气或有 硫化氢(俗称臭鸡蛋味)气味等，这些都是可能由水的征兆。(2)对已经探明的积水区，采掘工程接近时，要事先 划定警戒范围，并安排好应急水仓、排水设备等，制定好安 全措施后、再进行探放，待彻底排空积水后，才允许掘进或 回采。(3)对未知积水区，要严格执行“有掘必探，先探后 掘”的原则，坚持探放水制度，绝不能“未探先掘”。(4)严格保护各类煤柱，尤其是边界防水煤柱、断层 和采空区防水煤柱。3 .顶、底板水的防治措施本矿二i煤层顶板直接含水层为其顶板砂岩裂隙水含水 层，以二i煤层上部的大占砂岩、 香炭砂岩为主，由于该层含

29、 水层含水性弱，补给量不充足，在生产中顶板多为淋水、滴 水状态，对开采影响不大，以疏排为主。二i煤层底板灰岩含水层主要由 L7和L8灰岩组成，岩溶 裂隙较发育，为岩溶裂隙承压水，富水性弱中等，在断裂 构造作用下，当其与下部强含水层产生水力联系时，富水性 也会相应增强。底板隔水层为泥岩、 砂质泥岩，裂隙不发育， 透水性差，隔水性能良好，正常情况下，可阻隔下部太原组 上部灰岩段灰岩水充入矿坑，但在厚度沉积较薄地段及受断 裂构造破坏部位，将会弱化或失去隔水作用。据分析，本矿 二i煤层底板有效隔水层厚度很小，在采动过程中易发生隔 水层破坏现象，因此应充分注意煤层底板水突水危险，建议 对底板加强管理。在

30、矿井生产过程中，要做好防治水工作， 坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的十六 字原则。4 .断层水防治措施本矿区西部边界附近有翟门正断层和山槐正断层，北部边界附近有大路南正断层，南部边界有西施村正断层，矿区中部有徐庄正断层、紫罗池逆断层，由于断裂破坏了地层的连续性，使煤层上下各含水层间产生了一定的水力联系，是 地下水、大气降水和地表水向矿坑充水的主要通道，特别是 翟门正断层和山槐正断层使区内二1煤层局部与区外灰岩岩溶裂隙承压水含水层相对接。故生产中当井巷采掘工程接近 断层时，应通过物探确定断层位珞，然后打超前探、放水钻 或施工注浆孔封堵导水通道，并按规定留设足够的防水煤 柱，以避免遇断裂突水淹井。四、防隔水煤柱的设计根据建筑、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤 开采规程的有关规定和登封市向阳煤业有限公司技术改 造初步设计说明书，并参照登封煤田的经验数据，采用垂 线法计算留设煤柱。第四系表土段=45。，下山方向移动角：B =72 -0.6 a；走向和上山方向移动角：72 o1. 主、副井斜井井筒的两侧按 30m留设。2. 井田边界煤柱除南部外（浅部）外，其余边界煤柱均按20m留设。3. 大路南断层安全煤柱按 20-50m留设,山槐断层安全煤柱按32-50m留设,紫罗池逆断层、徐庄断层实际揭露 中落差较小，暂不留设煤柱，