留设防隔水煤岩柱设计方案.docx
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留设防隔水煤岩柱设计方案
留设防隔水煤柱设计方案
山西陆合集团基安达煤业有限公司
二〇一四年二月
基安达煤业留设防隔水煤（岩）柱设计方案
一、巷道防隔水煤柱留设
（一）、可采煤层概况
根据《山西陆合集团基安达煤业有限公司兼并重组整合矿井地质报告》第三章资料显示：
井田内共含有11层煤，其中含可采煤层3层。
根据勘探程度及井田开拓布置根据勘探程度及井田开拓布置，3号煤层作为矿井的一个辅助水平，划分为一个采区；10号煤层划分为两个采区；井下11号煤层根据巷道布置共分为四个采区。
矿井首期开采地段位于井田西部的11号煤层，将该区域划为一采区（1101采区）。
全井田共划分为7个采区，采区编号为0301（3号煤层）；1001、1002（10号煤层）；1101、1102、1103、1104（11号煤层）。
采区接替顺序如下：
1101采区（先期开采地段）→1001采区→1102采区→1002采区→1103采区→0301采区→1104采区。
①山西组的3号煤层为稳定全区可采煤层。
②太原组的10号煤层为较稳定大部可采煤层。
③太原组的11号煤层为稳定全区可采煤层。
现分述如下：
1、3号煤层
下距K7砂岩底5.30—10.70m，平均8.92m左右。
煤层厚度1.28—2.80m，平均2.39m；不含夹矸，结构简单。
属全区稳定可采煤层。
煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、局部为粉、细砂岩；底板大都为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩。
2、10号煤层
位于太原组下部，上距7号煤层35.30—44.20m，平均39.06m。
厚度0—1.60m，平均1.29m，一般不含夹矸，结构简单。
煤层顶板为砂质泥岩、细砂岩，底板为泥岩、砂质泥岩。
在603号钻孔见该煤层，井田东南部矿井在开拓11号煤层时见该煤层，厚度在1.20—1.30m左右，属较稳定大部可采煤层。
3、11号煤层
位于太原组下部，上距10号煤层5.32—9.83m，平均7.36m。
厚度2.60—3.65m，平均3.17m，一般不含夹矸，局部含1层夹矸，结构简单。
煤层顶板为中、粉砂岩、砂质泥岩，底板为铝质泥岩、泥岩。
见11号煤层钻孔8个，均可采，可采指数100%，属全井田稳定可采煤层。
（二）各可采煤层特征表
可采煤层特征表
地层单位
煤层号
厚度（m）
最小-最大
平均
间距（m）
最小-最大
平均
煤层结构（夹矸）
稳定性
可采情况
底板岩性
顶板岩性
备注
山西组
P1s
3
1.28-2.80
2.39
20.40-27.10
22.92
简单（0）
稳定
赋煤区
可采
粉、细砂岩
泥岩
砂质泥岩
泥岩
砂质泥岩
粉砂岩
现开采
煤层
太原组C3t
10
0-1.60
1.29
50.40-77.10
60.76
简单
（0）
较稳定
大部
可采
砂质泥岩
细砂岩
泥岩
砂质泥岩
11
2.60-3.65
3.17
5.32-9.83
7.36
简单
（0-1）
稳定
赋煤区
可采
中、粉砂岩
砂质泥岩
泥岩
铝质泥岩
现开采
煤层
（三）各煤层巷道留设煤柱设计
（1）、3号煤层：
式中：
S1—4号煤层巷道保护煤柱的水平宽度，m；
H—巷道的最大垂深，m；（取？
m）
M—煤层厚度，m；（取最大厚度2.8m）
f—煤的强度系数,MPa。
（取值2）
因此，3号煤层巷道防隔水煤柱取30m。
（2）、10号煤层：
式中：
S2—10号煤层巷道保护煤柱的水平宽度，m；
H—巷道的最大垂深，m；
M—煤层厚度，m；
f—煤的强度系数。
巷道煤柱取25m。
（3）、11号煤层：
式中：
S3—11号煤层巷道保护煤柱的水平宽度，m；
H—巷道的最大垂深，m；
M—煤层厚度，m；
f—煤的强度系数。
11号煤层巷道煤柱取35m。
二、断层防隔水煤柱设计
含水或导水断层防隔水煤柱的留设可参照下列经验公式计算：
≥20m
式中：
L--煤柱留设的宽度，m；
K--安全系数，一般取2-5;（留设时取5）；
M--煤层厚度或采高，m;（留设时取煤层在断层附近的煤层最大厚度或最大采高）；
p--水头压力，MPa；
Kp--煤的抗拉强度，。
根据以上参数计算结果为：
4、5、8号煤层断层煤柱宽度均取20m。
《煤矿防治水规定》规定矿井防隔水煤（岩）柱应当由矿井地测机构组织编制专门设计，经矿井总工程师组织有关单位审查批准后实施，矿井防隔水煤（岩）柱一经确定，不得随意变动，严禁在各类防隔水煤（岩）柱中进行采掘活动。
为确保我矿安全生产，特对我矿的防隔水煤柱进行设计。
一、煤矿简介及相关水文地质情况
基安达煤矿为山西陆合集团有限公司所属的大型矿井，2009年11月6日，由山西省煤矿企业兼并重组整合工作领导组办公室晋煤重组办发[2009]76号文件；2009年11月23日由山西省国土资源厅核发《采矿许可证》，证号C1400002009111220045158，批准开采2号—11号煤层，批准设计规模120万t/a，矿区面积15.6413km2。
现为基建矿井，设计主采11号煤层，西区为生产区，现开采水平为+980m。
本井田11号煤层开采期间顶板主要受太原组灰岩、砂岩含水层影响，具有3层灰岩（K4、K3、K2）和数层中—粗砂岩。
其中K4、K3灰岩较稳定，裂隙较发育。
K2灰岩不稳定，多相变为中—粗砂岩，其下距11号煤层约15m左右，是11号煤层主要充水含水层。
砂岩由灰白色中—粗粒石英砂岩组成，胶结致密，坚硬，为弱含水层。
该含水层受区域四周出露地带大气降水补给，属含水性中等的溶隙含水层。
井田上石盒子组，下石盒子组及山西组含水层，富水性相对较弱。
太原组K2灰岩富水性中等，由于11号煤层开采历史悠久，对太原组灰岩水长期疏放，灰岩溶隙含水层富水性已大大减弱。
关于奥灰水，推测本井田内奥灰水位在660m—666m左右，远低于11号煤层最低底板标高910m，因此，在无构造破坏的情况下，奥灰水对开采井田内各煤层均无影响。
综上所述，本次按国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局新颁发的《矿井防治水规定》评价，考虑到由于本矿存在采空区积水，威胁今后安全生产，存在隐患，且各煤层的采空积水均会通过导水裂隙带导入下层煤，故本井田内3号、10号、11号煤层矿井水文地质类型均为中等型。
二、防隔水煤（岩）柱的留设设计
根据煤矿防治水规定中第二章第四节“防隔水煤（岩）柱的留设”规定及附录三“防隔水煤（岩）柱的尺寸要求”，具体对我矿的防隔水煤岩柱留设设计如下：
1、《煤矿防治水规定》第五十一条规定：
相邻矿井的分界处，应当留防隔水煤（岩）柱。
矿井以断层分界的，应当在断层两侧留有防隔水煤（岩）柱。
根据《煤矿防治水规定》附录三第八条第一点规定：
水文地质简单型到中等型的矿井，可采用垂直法留设，但总宽度不得小于40m。
我矿3#、11#煤层水文地质属复杂型，矿井边界没有断层，因此采用垂直法留设，设计井田边界留设20m的防水煤柱，但相邻矿井之间的井田边界煤（岩）总宽度不得小于40m。
2、《煤矿防治水规定》第五十二条规定：
受水害威胁的矿井，有下列情况之一的，应当留设防隔水煤（岩）柱：
（一）煤层露头风化带；
我矿井田内东部存在煤层露头风化带，已进行了设计。
（二）在地表水体、含水冲积层下和水淹区邻近地带；
矿区内不存在地表水体及含水冲积层，此二项不进行设计。
根据附录三第五条第二项规定：
在水淹区或老空积水区的界限已基本查明，防隔水煤柱的尺寸应按含水或导水断层的防隔水煤（岩）柱的留设方法进行留设。
《防治水规定》附录第二条规定：
含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设，可参照下列经验公式计算：
≥20m
式中L--煤柱留设的宽度，m；
K--安全系数，一般取2-5；本设计取4
M--煤层厚度或采高，m；本矿煤层厚度6米
p--水头压力，MPa；设计取0.5
Kp--煤的抗拉强度，MPa。
设计取0.6
计算结果约等于17米，不得低于20米，设计防隔水煤（岩）柱为20米。
（三）与富水性强的含水层间存在水力联系的断层、裂隙带或者强导水断层接触的煤层；
根据地质报告及实际采掘情况，我矿没有与富水性强的含水层间存在水力联系的断层，因此本次不进行设计，将来如发现断层要及时进行补充设计。
（四）有大量积水的老窑和采空区；
参照水淹区邻近地带防隔水（煤）岩柱设计进行设计，设计防隔水煤（岩）柱为20米。
（五）导水、充水的陷落柱、岩溶洞穴或地下暗河；
根据地质报告及实际采掘情况，我矿没有未导水、充水的陷落柱、岩溶洞穴或地下暗河，因此本次不进行设计，将来如发现要及时进行补充设计。
（六）分区隔离开采边界；
参照水淹区邻近地带防隔水（煤）岩柱设计进行设计，设计防隔水煤（岩）柱为20米。
三、采掘工程所采取的防治水措施
1、必须密切观察矿井内的淋水、涌水情况，必须坚持“预测预报、有掘必探，先探后掘、先治后采”的原则，同时必须坚持“有疑必停”的原则。
2、定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑情况，并在井上、下对照图及采掘工程图上标出其位置、开采范围、积水情况、探水红线等。
3、针对主要含水层（段）建立地下水动态观测系统，进行地下水动态观测、水害预报，并制定相应的“探、防、堵、截、排”综合防治措施。
4、井巷在掘进过程中必须先探后掘，掌握前方水文情况，若发现有水患时，应及时采取措施，待确认安全后才向前掘进，并将出水点位置标于井上下对照图及采掘工程图上。
井巷揭露的主要出水点或地段，必须进行水温、水量、水质等地下水动态和松散含水层涌水含砂量综合观测和分析，防止滞后突水。
5、采掘工作面或其他地点发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等突出预兆时，必须停止作业，采取措施，立即报告矿调度室，发出警报，撤出所有受水威胁地点的人员。
6、井下和地面排水设施保证完好，所设沉淀池、水沟要及时进行清理，每年雨季前必须清理一次。
每年雨季前对矿井防治水工作进行一次全面检查，成立防洪抢险队伍，并储备足够的防洪抢险物资。
7、对于巷道破碎和淋水段特别加强支护，并采取导水等措施以免淋水直接淋至电缆上腐蚀电缆，巷道排水沟按规定设置并及时清理，巷道要保证排水坡度，对于巷道局部地段低洼集水段要设潜水泵或泥浆泵及时排水。
8、以后掘进的开拓、准备巷道应根据井下地层情况选择稳定、淋水小的岩层，尽量避免穿过断层等构造带。
9、要加强水文地质预测预报工作，提前预测和查清采掘工作面前方“断层、裂隙、陷落柱等构造导水性”的基本情况，以便提前采取针对性的防治水措施。
10、矿井生产过程中，严禁在各种防隔水煤柱中进行采掘，严禁破坏各种防隔水煤柱，并加强水文地质观察和资料编录工作。
11、煤矿企业应编制矿区水害防治规划、年度水害防治计划和水害应急预案，建立水害预测预报制度。
12、矿井雨季前必须进行水泵排水联合试运转，并编制联合试运转报告。
13、根据防治水计划及地下水动态观测查明矿区和矿井中的水文地质条件，编制中长期防治水规划和年度防治水计划，并组织实施。
14、定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑小窑情况，并在井上、下工程对照图上标出其老窑位置、开采范围、开采年限、积水情况，对本矿的采掘情况要及时测量和填图。
15、每年雨季前必须对防治水工作进行全面检查。
雨季前制定防治水措施，并组织抢险队伍，储备足够的防洪抢险物资。
对排水能力要进行核定，各排水系统要组织检修。
采空区设隔水墙，水沟及时进行清理。
16、采掘工程要有专人测量，准确填图，巷道掘进要按设计的中腰线施工，防止误穿采空区。
17、采区浅部巷道或采面风巷掘进必须先探后掘，其他巷道做到“预测预报、有掘必探，先探后掘、先治后采”。
四、防水安全煤（岩）柱留设
1、防水煤（岩）柱的种类
由于井田各含水层之间的垂直水力联系通道不很清楚，含水层的裂隙发育情况以及含水层的水力补给情况有待查明，含水层横向富水性及块段间的差异也不明，断层的含水性及与含水层的水力联系也有待进一步查明，因此防水煤（岩）柱的留设尤为重要，根据该矿的实际情况，设计需要留设的防水煤（岩）柱主要有以下几种：
①断层两侧或四周留设防水煤（岩）柱；
②煤层露头防水煤（岩）柱；
③采空区防水煤（岩）柱；
④井田边界防水煤（岩）柱；
⑤水平及采区边界煤（岩）柱；
⑥井筒、上、下山等主要巷道防隔水煤（岩）柱
2、防水煤（岩）柱的留设原则：
①在有突水威胁但又不宜疏放或注浆堵水（疏放或注浆很不经济时）的地区采掘时，必须留设防水煤（岩）柱。
②防水煤柱一般不能再利用，故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度，以提高资源利用率。
为了多采煤炭，充分利用资源，也可以用采后充填，疏水降压、改造含水层（充填岩溶裂隙）等方法，消除突水威胁，创造少留煤柱的条件。
③留设防水煤（岩）柱必须与矿井的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学特性、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合，还要与采煤方法、开采强度、支护方式等人为因素相适应。
④一个井田或一个水文地质单元的防水煤（岩）柱应该在它的总体开采设计中确定。
即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难，甚至无法留设。
⑤在多煤层块段，各煤层的防水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤（岩）柱，致使整个防水煤（岩）柱失效。
⑥在同一地点有两种或两种以上留设煤（岩）柱的条件时，所留设的煤（岩）柱必须满足各留设煤（岩）柱的条件。
⑦对防水煤（岩）柱的维护要特别严格，因为煤（岩）柱任何一处被破坏，必将造成整个煤（岩）柱无效。
防水煤（岩）柱一经留设即不得破坏，巷道必须穿过煤柱时，必须采取加固巷道、修建防水闸门和其他防水措施，保护煤（岩）柱的完整性。
⑧留设防水煤在（岩）柱需要的数据必须在本地区取得。
邻区或外地的数据只能参考，如果需要采用，应适当加大安全系数。
⑨防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水层或裂隙不发育、含水层极弱的岩层，否则防水岩柱将无隔水作用。
3、防水煤（岩）柱的留设
①断层防水煤（岩）柱的留设
断层破坏了岩层的完整性，常常成为含水层间的联系通道。
断层的某一区段是否导水、导水性强弱等情况取决于断层两侧岩层的接触关系、含水层的水压以及采矿活动对断层的重复破坏作用。
·含水或导水断层防隔水煤柱的留设
煤层直接和富含水层、导水断层接触，顶底板无突水可能，即煤柱主要是顺层受压时，可参照下述公式计算煤柱宽度：
L＝0.5KM
式中：
L——顺层防水煤柱宽度（m）；
M——煤厚或采高，M11、M10煤层的平均厚度依次为2.8m、2.6m；
KP——煤的抗张强度（kgf/cm2），KP取8kgf/cm2；
P——水头压力（kgf/cm2），P＝50kgf/cm2；
K——安全系数，一般取2～5，本设计取5。
M11煤层开采时L＝0.5×5×2.8×
＝6.5×4.33＝28.1（m）
M10煤层开采时L＝0.5×5×2.6×
＝6.2×4.33＝26.8（m）
根据上述计算，如果井巷施工中发现有含水或导水断层，则在含水或导水断层两侧各留设30m防水煤柱。
②井田边界煤（岩）柱的留设
该矿井水文地质条件属复杂类型，根据《矿井水文地质规程》，采用垂直法留设，设计井田边界留设20m的防水煤柱，但相邻矿井之间的井田边界煤（岩）总宽度不得小于40m。
③煤层露头防水煤（岩）柱
H防=H裂+H保≮20m
式中：
H防——防水煤（岩）柱高度（m）
H裂——垂直煤层的导水裂隙带最大高度（m）；
H保——保护层厚度（m）；
·M11煤层露头防隔水煤柱高度为：
:
H防＝H裂+H保
H裂＝100×1.46÷（3.3×2.8+3.8）+5.1＝16.3
H保＝3×2.8＝8.4
H防＝16.3+8.4＝24.7（m）
·M10煤层露头防隔水煤柱高度为：
:
H防＝H裂+H保
H裂＝100×1.4÷（3.3×2.6+3.8）+5.1＝16.4
H保＝3×2.6＝7.8
H防＝16.4+7.8＝24.2（m）
L＝H/cosα
式中：
L—防水煤柱，m；
H—防水煤柱高度，m；
α—煤层倾角，α＝10°
M11煤层露头防隔水煤柱宽度为：
L＝24.7÷cos22°＝27m
M10煤层露头防隔水煤柱宽度为：
L＝24.2÷cos22°＝26.3m
根据上述计算，并结合实际情况，M11煤层露头防隔水煤柱为27m，M10、煤层露头防隔水煤柱为26.3m。
④采空区防水煤（岩）柱；
·在采空区或老空积水区下掘进时，巷道与水体之间的最小距离不得小于巷道高度的10倍，经计算为：
10×3.5＝35m。
（巷道最大高度为3.5m）
·采空区或老空积水区下同一煤层中进行开采时，若采空区或老空积水区的界线已基本查明，隔水煤柱的尺寸应按含水或导水断层防隔水煤柱的留设要求留设。
故采空区防水煤（岩）柱按20m留设，计算详见断层防水煤（岩）柱的留设。
·在采空区或老窑积水区下的煤层进行回采时，防水煤（岩）柱的尺寸不得小于导水裂隙带最大高度与保护带厚度之和。
故采空区防水煤（岩）柱按30m留设。
根据上述计算分析，并结合实际情况，采空区边界留设35m的防水煤（岩）柱。
⑤井筒及井下主要巷道隔水煤柱
结合该矿的实际情况，设计井筒及井下主要巷道两侧各留设20m防水煤柱，各煤层按σ=δ=55°、β=65°的岩层移动角推算至所采煤层连线形成的区域，即为井筒及井下主要巷道保护煤柱。
⑥钻孔防水煤（岩）柱
为确保矿井安全生产，在无确切的钻孔积水资料时，必须对钻孔留设防水煤（岩）柱。
由于无钻测斜资料，钻孔防水煤（岩）柱按下述公式留设防水煤（岩）柱：
L＝0.5KB
式中：
L——防水煤柱宽度（m）；
B——巷道的跨度（宽或高取其大者）（m），B＝3.8m；
KP——煤的抗张强度（kgf/cm2），KP＝8kgf/cm2；
P——水头压力（kgf/cm2），P＝100kgf/cm2；
K——安全系数，一般取2～5，本设计取5。
L＝0.5×5×3.8×
＝58.1（m）
根据上述计算，并结合实际情况，钻孔防水煤（岩）柱按60m的半径进行留设。
⑦地面水体、建筑物保护煤柱
矿区范围内无地表水体的存在，因此，无需留设保护煤柱。
矿区内地面建筑物保安煤柱留设原则：
首先在地形图上均以边界外推划出20m围护带，然后按煤层倾向向下方向移动角65°、向上方向按70°移动角投影到煤层上圈定压覆面积，然后计算煤柱。
地面没有重点保护的建筑物、公路，无需留设保护煤柱。
各种煤（岩）柱尺寸见下表。
各种煤（岩）柱尺寸表
序号
名称
M11
M10
1
断层防水煤（岩）柱（m）
20
20
2
井田边界煤（岩）柱
20
20
3
煤层露头防水煤（岩）柱
26
26
4
采空区防水煤（岩）柱
35
35
5
水平及采区边界煤（岩）柱
20
20
6
井筒及井下主要巷道
20
20
7
钻孔防水煤柱
60
60
矿井生产过程中，严禁在各种防隔水煤柱中进行采掘，严禁破坏各种防隔水煤柱。
防治水办公室
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