文湾二1煤祖师庙断层防水煤柱计算报告.docx
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文湾二1煤祖师庙断层防水煤柱计算报告
禹州神火九华山矿业有限公司煤矿
二1煤层祖师庙正断层（F6）防水煤柱计算报告
河南省煤炭地质勘察研究院
二O一一年九月
禹州神火九华山矿业有限公司煤矿
二1煤层祖师庙正断层（F6）防水煤柱计算报告
承担单位名称：
河南省煤炭地质勘察研究院
承担单位负责人：
石建平
总工程师：
牛志刚
项目负责人：
贠三强
报告编写人：
肖家乐徐家杰王春民薛鲲郭海英王莉田张丽
目录
Ⅰ文字
1、目的任务
2、祖师庙断层（F6）基本情况
3、以往工作简况
4、二1煤层顶底板含水层情况
5、防水煤柱宽度计算
6、结论与建议
Ⅱ附图
1、二1煤层F6断层防水煤柱留设平面图
2、A-B线F6断层防水煤柱留设剖面图
Ⅲ附件（在文字后）
1、编制单位资质证书
2、（井下）探祖师庙断层煤柱钻孔分布图
1、目的任务
祖师庙断层（F6）为禹州神火九华山矿业有限公司煤矿的东南部边界正断层，断层倾向北西，落差300m左右，断层上盘的山西组二1煤层（矿井内）与下盘的寒武系上统石灰岩含水层相接。
2006年8月许昌钧州煤炭咨询设计研究院提交的《禹州市文湾煤业有限公司二1、一4、一5煤层开发利用方案》计算祖师庙断层上盘留设煤柱为30m。
据矿方提供资料，该断层2011年8月经煤矿井下6个探水钻孔初步控制，祖师庙断层在二1煤层底板平面图上位于22080运输巷东南约100m左右。
为了下一步矿井工作面布置开采的需要，根据目前祖师庙正断层（F6）在二1煤层底板平面图上的位置，禹州神火九华山矿业有限公司于2011年9月委托河南省煤炭地质勘察研究院对祖师庙正断层（F6）上盘的防水煤柱留设宽度进行计算。
我院根据2009年颁布的《煤矿防治水规定》和《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》有关规定及矿方提供的矿井实际资料数据，对该煤矿二1煤层祖师庙正断层（F6）的防水煤柱留设宽度进行了重新计算。
2、祖师庙断层（F6）基本情况
该断层位于矿井东南部边界正断层，延伸长度约1.30km。
断层走向NE，倾向NW，倾角70°左右，区内落差约300m，断层上盘为石炭—二叠系含煤地层，下盘为寒武系上统石灰岩，使上盘的山西组二1煤层与下盘的寒武系上统石灰岩含水层相接。
据云盖山井田及区域等资料，该断层为压扭性断层，为一阻水断层，但随着矿井的开采证实，该断层存在局部导水情况，可能为一局部导水断层。
据矿方提供资料，该正断层2011年8月经煤矿井下6个探水钻孔初步控制，初步分析祖师庙正断层在矿井二1煤层底板平面图上位于22080运输巷东南约100m左右，使矿井内断层上盘的山西组二1煤层与下盘的寒武系上统石灰岩含水层相接，对矿井山西组二1煤层开采有一定的影响。
3、以往工作简况
（1）1983年4月煤炭工业部一二九煤田地质勘探队提交的《河南省禹县矿区云盖山井田精查地质报告》，述及的祖师庙正断层（F6），位于云盖山井田西北部，走向NE40～50°，倾向NW，倾角46～70°，延伸长度大于8km，落差70～500m，由西南向东北落差增大。
该断层自花园向西南均有露头出露，该断层自花园以东没入黄土，据文湾一带零星山西组地层与上寒武灰岩接触，并因断层影响造成上寒武灰岩有独特的陡坎地貌形态，也可对其间接控制。
文湾煤矿内13-4孔于288.60米穿见断层破碎带3.90米，上寒武统白云质灰岩与徐庄组灰岩夹灰绿色细砂岩直接接触，缺失地层约270m左右。
（2）2006年8月许昌钧州煤炭咨询设计研究院提交了《禹州市文湾煤业有限公司二1、一4、一5煤层开发利用方案》，设计书中计算了祖师庙断层上盘留设煤柱为30m。
（3）2009年2月河南省煤炭地质勘察研究院《河南省禹州市文湾煤业有限公司生产补充勘查报告》描述的该断层位于矿区东南部，走向近北东，倾向近北西，横贯全区，倾角60°～80°，落差70～400m。
该断层由矿区南部地表基岩出露及矿井巷道控制，矿区南部出露地层为∈3地层，断层位置存在推断性。
4、二1煤层顶底板含水层情况
矿井位于禹州矿区西部边缘地带，在白沙向斜西端与景家洼向斜西端之间，祖师庙断层西侧下降盘之上，属低山区，相对高差不大，总的地势较高，冲沟发育，基岩裸露—半裸露，地层总体倾向南东东，倾角为12°～18°，有利于地表及地下水的迳流排泄，总体排泄方向为南东东。
其主要含隔水层情况与区域近同。
（1）寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层
为二1煤层底板间接充水含水层。
主要岩性为白云质灰岩、白云岩，厚度大，在区域侵蚀基准面以上，溶洞和裂隙较发育，钻孔漏水率达50%，但深部富水性弱。
据邻区万迪煤矿资料，钻孔涌水量0.00767～3.85L/s.m，渗透系数0.00281～47.62m/d，恢复水位迅速。
水化学类型为HCO3·SO4—Ca—Mg，ph值7.25～7.80，水质好，属强含水层。
但在断层发育处，使得上部多层含水层沟通，水量猛增，是造成矿井涌水的主要因素。
据矿方2011年9月提供的矿井内的一个水井情况，该水井为禹州市地泉钻井有限公司2007年施工，地面井口标高+335m,深度329m。
该水井可能穿见祖师庙正断层，水井底部可能为寒武系石灰岩含水层，目前水位深184m，标高+151m。
由于二1煤层与祖师庙断层下盘该含水层直接相接，且地表有露头出露，对煤层开采影响较大，特别是雨季，成为煤层的直接补给水源，值得矿方引起重视。
（2）太原组下段灰岩岩溶裂隙承压含水层
该含水层是二1煤层底板间接充水含水层，为一4煤层直接充水含水层，为L1～L4石灰岩组成，含水层厚10.88～21.62m，一般15.00m，厚度稳定。
石灰岩裂隙、岩溶较发育，多被方解石充填，钻孔漏水较多，深部裂隙、岩溶发育程度锐减。
据邻区万迪煤矿资料，钻孔单位涌水量0.000424～2.07L/s.m，渗透系数0.00301～19.49m/d，水化学类型为HCO3—Ca—Mg。
该含水层上距二1煤层约46m,在无断层情况下,不会影响二1煤层;位于其间的L2、L3之间，有资料显示，本含水层压力传递较快，水位恢复迅速，并具有统一的地下水位，因此，对一4煤层的开采有较大威胁，应当引起注意。
（3）太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层
该层为二1煤底板直接充水含水层，为一4煤层间接充水含水层。
由L7～L11灰岩组成，该组含水层厚度7.89～21.40m，一般厚15.00m。
其中L8～L9石灰岩最为发育，厚度占含水层厚度的90%左右。
岩溶裂隙不太发育，富水性弱，但极不均一。
据邻区资料，钻孔单位涌水量0.0000732～0.0166L/s.m，渗透系数0.000446～0.213m/d。
据浅部矿井资料，本含水层涌水量为10m3/h。
水化学类型为HCO3—Na·Ca·Na，ph值7.6，矿化度0.359～0.4041g/L。
在开拓过程中，本含水层中水量可以疏干，但也应该引起重视，防止水害发生。
（4）二1煤顶板砂岩孔隙裂隙承压含水层
为二1煤顶板直接充水含水层，系指二1煤以上60m范围内的中、粗粒砂岩含水层，厚度11.27～21.88m，其中以大占砂岩和香炭砂岩为主，含弱孔隙裂隙承压水。
裂隙不太发育，钻孔漏水少，钻孔单位涌水量0.000346～0.072L/s.m，渗透系数0.00178～0.715m/d。
反映该含水层的迳流条件不好，富水性弱的特点。
邻区开采情况表明，二1煤在采动后由于导水裂隙带形成，初期水量大，但易于疏干，后期仍以淋水为主，该含水层为二1煤层直接顶板含水层，对开采二1煤层有一定的影响，开采时应该引起重视。
（5）第四系含水层
主要分布在冲沟两侧及低洼处，为含粉～细砂和钙质结核的砂质粘土，垂直节理发育，通常不含水，或含水性极弱。
底部砾卵石层，含孔隙潜水，富水性较好，但不均一，富水空间也有限，水源主要受大气降水和地表水补给，具有明显的季节性，为富水性中等含水层。
因距煤层较远，对矿井开采影响不大。
5、防水煤柱宽度计算
5.1按导水断层计算
（1）计算公式选取
根据水压及断层落差和上下盘对接关系计算留设，为安全起见，本次按祖师庙正断层（F6）为矿井内导水断层进行计算，因此,祖师庙正断层（F6）上盘防水煤柱留设计算符合《煤矿防治水规定》中附录三第二款公式：
≥20m
（1）
式中L--煤柱留设的宽度，m；
K--安全系数，一般取2-5；
M--煤层厚度或采高，m；
p--水头压力，MPa；
Kp--煤的抗拉强度，MPa。
图1含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设图
（2）参数选取及防水煤柱宽度计算
①K--安全系数，按《煤矿防治水规定》一般取2-5，本次K取5；
②M--煤层厚度或采高，按本矿井二1煤层F6断层附近9个煤厚点厚度3.38～6.30m，平均5.00m，本次取5.00m；
③p--水头压力，取上述提及的水井寒灰水观测资料，即标高+151m。
祖师庙（F6）断层上盘二1煤底板最低标高大致为+125m，按降深每百米1MPa计算的上盘压力p为（151-125）/100=0.26MPa；
④Kp--煤的抗拉强度，根据2009年12月国家煤矿安全监察局编写的《煤矿防治水规定释义》附录三中最后有一条提及“目前国内各矿采用的煤的Kp值大多在0.2-1.4MPa之间”，本次采用0.2MPa。
将上述参数代入公式
（1）得：
=25m
5.2按煤层与强含水层相接计算
（1）计算公式选取
为安全起见，由于该断层也符合了另一种情况，即二1煤层与寒灰强含水层相接，因此本次同时采取了与强含水层相接的进行计算公式，因此，祖师庙正断层（F6）符合防水煤柱计算符合《煤矿防治水规定》中附录三第三款公式：
L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ
（2）
图２煤层与强富水含水层接触时防隔水煤（岩）柱留设图
式中L--防隔水煤（岩）柱宽度，m；
L1，L2，L3--防隔水煤（岩）柱各分段宽度，m；
HL--最大导水裂缝带高度，m；
θ--断层倾角，（°）；
δ--岩层塌陷角，（°）；
M--断层含水层层面高出煤层底板的高度，m；
Ha--断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m。
Ha值也可以按下列公式计算：
式中p--防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力，MPa；
Ts--临界突水系数，MPa／m；
10--保护带厚度，一般取10m。
（2）计算参数选取及防水煤柱宽度计算
①θ--断层倾角，采用A-B剖面线附近F6断层与煤层夹角70°；
②δ--岩层塌陷角，岩层塌陷角δ采用2006年8月许昌钧州煤炭咨询设计研究院提交了《禹州市文湾煤业有限公司二1、一4、一5煤层开发利用方案》中的70°；
③Ha--断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，祖师庙（F6）断层二1煤底板最低标高大致为+125m，煤层静水压力p为（151-125）/100=0.26MPa，Ts临界突水系数取0.06MPa/m，可知Ha值为14.3m；
④HL--最大导水裂缝带高度，二1煤顶板为砂岩，岩性中硬，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采用
公式，累计采厚M按本区平均煤厚5.49m；计算得出HL最大导水裂缝带高度为49m。
将上述选取的参数分别代入公式
（2）得
L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ=51m
6、结论与建议
经计算，本矿井二1煤层祖师庙正断层（F6）上盘防水煤柱宽度为25～51m。
原则上应按计算最大宽度留设，即51m，做为本矿井二1煤层祖师庙正断层（F6）上盘防水煤柱留设宽度。
见表1。
按本次计算的祖师庙正断层（F6）煤柱留设51m，可基本不影响矿井22080采面的布置开采。
表1二1煤层F6断层防水煤柱宽度计算结果表
公式
（1）
计算参数
K
M（m）
P（MPa）
Kp（MPa）
计算结果（防水煤柱宽度）L（m）
推荐结果
平均值（m）
5
5.00
0.26
0.2
25
51
公式
（2）
计算参数
θ（°）
δ（°）
Ha（m）
HL（m）
51
70
70
14.3
49
由于该矿井二1煤水文地质条件中等偏复杂，主要以底板岩溶裂隙水充水为主，长观孔观测资料不足，且二1煤层直接与下盘寒灰水接触，不确定因数较多，建议采掘至断层时留足防水煤柱，并严格按照2009年颁布的《煤矿防治水规定》等相关规定作好矿井防治水工作，以保障煤矿的安全生产。
（1）鉴于祖师庙正断层（F6）位置为目前22080运输巷最大探水孔78m外留20m确定的，本次的防水煤柱也是在此基础上计算的，建议待F6断层在二1煤层底板平面位置准确确定后，按51m煤柱留设。
（2）要成立防治水专门机构，配备足够数量的地质测量及水文地质专业技术人员，重点加强生产一线的观测和管理，分解防治水目标责任，落实岗位责任；建立稳定的安全专项资金投入机制。
同时，还要大力使用先进成熟的物探探测技术，建立健全水害预测预报体系和水灾快速救援体系。
（3）做好矿井日常水文地质调查，查明与浅部矿井（特别是下盘含水层至断层导水情况）的实际接界关系，以便为防治水提供必要的基础资料和科学决策依据；同时做好“探、放水”工作。
要坚持“有疑必探，先探后掘，先探后采”工作原则，定期进行矿井水害因素分析和预测，认真编制并组织实施矿井防治水规划和年度防治水计划。
（4）鉴于二1煤层浅部老空水水量不清，在留足祖师庙正断层（F6）的同时，对在老空区及钻孔附近，提前做好探放水工作，确保煤矿安全生产。
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