劉莊煤礦東區(qū)煤開(kāi)采可行性分析

1、劉莊煤礦東區(qū)1煤開(kāi)采可行性分析胡明宏 中煤新集劉莊煤礦 東區(qū)地測(cè)科 安徽 阜陽(yáng)摘要：劉莊煤礦開(kāi)采1煤將面臨底板太灰和奧灰水安全威脅，由于區(qū)內(nèi)未疏放灰?guī)r水，灰?guī)r水位較高，高水壓、較薄隔水層是影響1煤安全開(kāi)采的主要不利因素之一。圍繞1煤首采區(qū)安全開(kāi)采，礦井開(kāi)展了井上下的物探、鉆探和相關(guān)研究工作，本文通過(guò)分析研究礦井東區(qū)1煤底板隔水層隔水性，1煤開(kāi)采的底板預(yù)測(cè)破壞深度，灰?guī)r的富水性，各含水層的水力聯(lián)系，1煤開(kāi)采的安全水頭值，地質(zhì)構(gòu)造因素對(duì)1煤安全開(kāi)采的影響等，對(duì)東區(qū)1煤開(kāi)采的可行性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。礦井東區(qū)1煤底板直接隔水層平均厚度15.67m，1煤底板至C33層灰?guī)r頂板之間的巖層可作為1煤底板的相對(duì)隔

2、水層，厚度20.9933.45m，平均27.31m，1煤開(kāi)采底板破壞深度預(yù)測(cè)值為18m，1煤底板相對(duì)隔水層平均厚度大于底板破壞深度預(yù)測(cè)值。C3組灰?guī)r與C3、C3組灰?guī)r及奧灰間無(wú)顯著的水力聯(lián)系，1煤底板太灰、奧灰以及寒灰頂部弱富水性，C3組灰?guī)r偶見(jiàn)中等富水性，地質(zhì)邊界條件為阻水或弱給水邊界，礦井處于封閉半封閉水文地質(zhì)單元，地下水以儲(chǔ)存量為主，1煤底板灰?guī)r弱富水性，是制約斷層和巖溶陷落柱含、導(dǎo)水性的有利條件。東區(qū)-762m水平C3組灰?guī)r水頭壓力為7.07 MPa，采用相對(duì)隔水層平均厚度計(jì)算的突水系數(shù)為0.26MPa/m，正常塊段安全水頭值為2.731MPa，水壓面標(biāo)高需降至-488.90m；受構(gòu)造

3、破壞塊段安全水頭值為1.639MPa，水壓面標(biāo)高需降至-598.10m。在采掘過(guò)程中，針對(duì)具體情況分別采取留設(shè)斷層防水煤柱、按臨界突水系數(shù)0.06MPa/m疏水降壓到安全水頭值、注漿加固、對(duì)三維地震數(shù)據(jù)二次處理精細(xì)解釋的7個(gè)異常區(qū)超前進(jìn)行綜合探測(cè)等防范措施，可以保證1煤安全開(kāi)采。關(guān)鍵字：1煤；開(kāi)采可行性；底板隔水層；隔水性；地質(zhì)構(gòu)造1. 地質(zhì)概況中煤新集劉莊煤礦位于淮南煤田西部，井田東西走向長(zhǎng)16km，南北寬3.58km，面積約82km2。井田位處淮河沖積平原，地形平坦，地面標(biāo)高+24+26m左右。濟(jì)河流經(jīng)井田東北部，屬季節(jié)性河流。1.1 地層 淮南煤田位于華北石炭二疊紀(jì)聚煤區(qū)的南緣，區(qū)內(nèi)地層

4、除缺失上奧陶統(tǒng)及中、上三疊統(tǒng)至中侏羅統(tǒng)外，從下元古界至第四系均有不同程度發(fā)育，絕大部分地層被新生界地層覆蓋。劉莊煤礦位于淮南煤田西部，地層自老而新發(fā)育有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、古近系、新近系和第四系等，基巖均被新生界所覆蓋。礦井主要含煤地層為二迭系山西組和上、下石盒子組，可采煤層13層，其中13-1、11-2、8、5、1煤為主要可采煤層。1.2 地質(zhì)構(gòu)造1.2.1 基本構(gòu)造特征淮南煤田總體呈復(fù)向斜形態(tài)，軸向北西西東西。復(fù)向斜軸部地層平緩，由一系列寬緩褶曲組成，謝橋古溝向斜、陳橋背斜、潘集背斜為其主要構(gòu)造單元。東西向構(gòu)造和北北東向構(gòu)造組成了本區(qū)的基本構(gòu)造格局。劉莊煤礦位于淮南復(fù)向

5、斜中的次一級(jí)褶皺陳橋背斜之南翼，為一軸向北西西向的略有起伏的不完整寬緩向斜，即謝橋向斜。礦井位于謝橋向斜北翼，地層傾向南，傾角10°20°，以F5、F12斷層分別為東、西部邊界，區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖侵入，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等。見(jiàn)圖1-1。圖1-1 礦井構(gòu)造示意圖1.2.2 褶曲井田主體構(gòu)造屬謝橋向斜的兩翼，次一級(jí)褶曲不甚發(fā)育，僅在F1推覆體的斷夾塊內(nèi)褶曲發(fā)育，呈不對(duì)稱緊密褶曲。1.2.3 斷層斷層主要有三組：北東向正斷層組：是本區(qū)最主要的斷層。北西向正斷層組：較發(fā)育。北西西向逆斷層組：系本區(qū)推覆構(gòu)造。北西向斷層組與北東向斷層組均系斜切斷層，兩者呈銳角相交，F(xiàn)1斷層組與區(qū)域主導(dǎo)構(gòu)造平行

6、，可見(jiàn)三組斷層是在統(tǒng)一的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)中，受由南向北的側(cè)向擠壓而先后形成的推覆構(gòu)造、謝橋向斜、陳橋背斜及其配套的共軛剪切斷層。1.3 水文地質(zhì)條件淮南煤田位于華北平原南緣，為近東西向的復(fù)向斜構(gòu)造盆地，水文地質(zhì)條件受區(qū)域構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，深、淺層地下水存在明顯的差異。煤田基巖水文地質(zhì)條件受淮南復(fù)向斜南北兩翼阜風(fēng)斷層、舜耕山斷層和尚塘集明龍山斷層等三條走向逆沖斷層控制，將復(fù)向斜盆地切割成南、北、中三個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)(見(jiàn)圖1-2)。中區(qū)包括潘謝礦區(qū)與新集礦區(qū)，是復(fù)向斜的主體，二疊系及其下伏老地層均被厚松散層覆蓋。因南北兩翼逆沖斷層的阻水作用，加之斜切斷層的分割，使本區(qū)成為封閉半封閉水文地質(zhì)單元。除潘

7、集、丁集和顧橋北部新生界底部砂礫層直接覆蓋在基巖之上、對(duì)基巖含水層有一定補(bǔ)給外，其余地區(qū)地下水基本處于停滯狀態(tài)，水質(zhì)具有礦化度高，硬度大，水溫高，大多為Cl-Na型水等特點(diǎn)。圖1-2 淮南煤田水文地質(zhì)分區(qū)略圖劉莊煤礦位于淮南煤田水文地質(zhì)分區(qū)中區(qū)的西部，礦井水文地質(zhì)條件受區(qū)域條件所控制。 1.3.1含、隔水層（組）新生界松散層含、隔水層（組）：礦井新生界松散層沉積厚度52.45550.70 m，平均厚度為396.56 m。其中東區(qū)新生界松散層沉積厚度52.45（1901孔）509.40m（ E3 O1+2孔），平均厚度為 388.39 m。厚度變化總趨勢(shì)為自東向西、自南向北增厚，受古地形控制局部

8、起伏很大：在井田南部，發(fā)育有以19線1901孔（松散層總厚52.45 m）和11線1101孔（松散層總厚61.60m）為中心的古潛山以及29線155孔（松散層總厚535.50m）為中心的古洼地；在井田北部，發(fā)育有以35線143孔（松散層總厚550.70m）為中心的古洼地。新生界松散層分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔上段、三隔下段和“紅層”等8個(gè)含隔水層（組）二疊系砂巖裂隙含水層（組）：該含水層(組)分布于主要可采煤層及泥巖之間，除1煤頂板砂巖較穩(wěn)定外，其余均屬不穩(wěn)定型。砂巖以中細(xì)粒為主，硅質(zhì)膠結(jié)，少量為鐵鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育分布不均勻，一般在構(gòu)造復(fù)雜地段裂隙較發(fā)育。補(bǔ)給水源貧乏，以儲(chǔ)存量為

9、主。 灰?guī)r含隔水層組：1煤底板含水層主要為石炭系太原組、奧陶系、寒武系灰?guī)r。太原組由薄層石灰?guī)r與泥巖、砂巖和薄煤等相間組成。該組所含砂巖層薄而且裂隙不發(fā)育，為灰?guī)r間的隔水層。太原組地層真厚平均為105.57m，含薄層灰?guī)r1213層。根據(jù)灰?guī)r厚度和間距分布，礦井東區(qū)太原組劃分為三個(gè)含、隔水層組。1、C3組灰?guī)r:含C31、C32、C33、C34灰?guī)r4層。組厚24.6235.76m,平均30.47m；灰?guī)r總厚7.2423.79m，平均18.61m，各層灰?guī)r中，以C33、C34層灰?guī)r較厚、C32分布不穩(wěn)定。C3組與C組灰?guī)r之間隔水層（C34底板至C35層灰?guī)r頂板），厚0.597.38m，平均3.51m

10、。巖性為鋁土巖、鋁質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部見(jiàn)砂巖，偶見(jiàn)煤線和炭質(zhì)泥巖。2、C組灰?guī)r:含C5、C6、C7、C8、C9、C10灰?guī)r6層。組厚23.6835.26m ，平均27.08m；灰?guī)r總厚11.2818.26m,平均總厚14.58m。C組與C組灰?guī)r之間隔水層（C310底板至C311層灰?guī)r頂板）,厚14.6031.30m，平均21.46m。巖性主要為灰色細(xì)粗粒砂巖、泥巖及粉砂巖。為太原組內(nèi)厚度較大且分布較穩(wěn)定的區(qū)域性隔水層組。3、C3組灰?guī)r:含C311、C312、C313灰?guī)r3層。組厚 13.0424.80 m，平均 17.00m；灰?guī)r總厚12.7423.70m,平均16.17m，。各層灰?guī)r中，以

11、C312為最厚，C313賦存不穩(wěn)定。C組灰?guī)r與奧灰之間隔水層（C313底板至奧灰頂板）, 厚2.3518.44m，平均6.64m。巖性為紫紅色、灰綠色鐵鋁鋁質(zhì)泥巖、含礫砂質(zhì)泥巖, 局部富含黃鐵礦結(jié)核。此段相當(dāng)于本溪組。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層巖溶裂隙不發(fā)育。寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層巖溶裂隙不發(fā)育。1.3.2 灰?guī)r巖溶發(fā)育及富水性特征 劉莊煤礦1煤底板灰?guī)r巖溶現(xiàn)象不發(fā)育，鉆孔未見(jiàn)溶洞，僅局部見(jiàn)溶隙，少見(jiàn)小的溶孔，不同層(組)灰?guī)r抽水試驗(yàn), 單位涌水量q=00.239 L/(S.m)?？傮w為弱富水性但不均一，偶見(jiàn)中等富水性。太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層 單位涌水量q=00.239 L/(S.m),抽水

12、試驗(yàn)資料表明: 太原組具有C3組、C3組灰?guī)r弱富水性、C3組灰?guī)r弱中等富水性的特征。 C3組灰?guī)r 單位涌水量q=00.0866L/(S.m)，弱富水性。 C3組灰?guī)r 單位涌水量q=0.023L/(S.m) ，弱富水性。 C3+ C3組灰?guī)r 單位涌水量q=0.0002480.097 L/(S.m)，弱富水性。 C3組灰?guī)r 單位涌水量q=0.0000740.239L/(S.m)，弱中等富水性。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層 礦井奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育，未見(jiàn)溶洞和漏水。單位涌水量q=0.001550.0109L/(S.m)，弱富水性。寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層 灰?guī)r巖溶裂隙不發(fā)育，鉆孔未見(jiàn)溶洞和漏水。單位

13、涌水量q=0.00236-0.018444L/(S.m)，弱富水性。1.3.3 地下水補(bǔ)、逕、排條件及各含水層之間的水力聯(lián)系(1)、新生界松散層第一含水層（組）受大氣降水和地表水垂直入滲補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化，地下水垂直循環(huán)與水平運(yùn)動(dòng)兼有，主要排泄途徑為蒸發(fā)和民用水井開(kāi)采。第二含水層（組）受一含越流及局部滲透補(bǔ)給，水平運(yùn)動(dòng)為主，逕流條件好，主要排泄途徑為供水水源井開(kāi)采。第三含水層（組）除在局部二隔粘土變薄缺失地段會(huì)產(chǎn)生二含越流或滲透補(bǔ)給外，一般無(wú)直接水力聯(lián)系，補(bǔ)給、排泄條件較差。三隔上段與三含之間、三隔下段與三隔上段之間均有厚度不等的粘土相隔，其間僅可局部存在越流形式的水力聯(lián)系，補(bǔ)給條件差。井田

14、南部古地形隆起處，新生界厚度減小，下部地層缺失，二含、三含直接與老地層接觸。由于遠(yuǎn)距煤系及底部灰?guī)r，其間無(wú)水力聯(lián)系。(2)、三隔下段底部粘土與紅層組合成新生界底部覆合隔水層組，阻隔了三隔上段砂層和三隔下段砂層與基巖間的水力聯(lián)系。但在三隔下段砂層直接覆蓋于煤系的“天窗”，與煤系砂巖存在著水力聯(lián)系但聯(lián)系程度較弱,抽水資料表明二者之間關(guān)系并不密切。當(dāng)基巖含水層（水4、水5、115、水1、114、137孔）抽水時(shí)，三隔下部砂層觀測(cè)孔水位（水2、水3孔）均無(wú)影響。另就基巖含水層本身而言，流量、水位均呈單一方向衰減，為補(bǔ)給水源不充分所致，也可說(shuō)明基巖古風(fēng)化殼在漫長(zhǎng)的沉降過(guò)程中，經(jīng)過(guò)水的溶融和后期沉積物的充

15、填膠結(jié)作用之后，形成相對(duì)的阻水層，在自然狀態(tài)下二者之間的水力聯(lián)系不明顯。建礦后，由于礦井排水，使二者之間的水位差增大，將產(chǎn)生滲入補(bǔ)給，但補(bǔ)給量受基巖含水層的滲透性能所控制而很弱，如水2孔2011年7月31日觀測(cè)水位標(biāo)高為12.601m，3年多時(shí)間累計(jì)下降水位0.27m。(3)、二疊系煤系砂巖含水層之間，分布有厚度較大的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤層等, 其間無(wú)水力聯(lián)系。(4)、太原組灰?guī)r含水層與1煤頂板砂巖含水層之間，太原組與奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層之間，在正常情況下無(wú)水力聯(lián)系，但構(gòu)造影響處將可能會(huì)發(fā)生水力聯(lián)系。生產(chǎn)中應(yīng)該注意灰?guī)r與煤層“對(duì)口”部位。1.3.4 灰?guī)r水文地質(zhì)邊界條件分析礦井位于淮

16、南煤田水文地質(zhì)分區(qū)中區(qū)的西段，區(qū)域上屬封閉半封閉水文地質(zhì)單元。根據(jù)含隔水層和邊界構(gòu)造的分布及其水文地質(zhì)特征, 對(duì)水文地質(zhì)邊界作如下劃分: (1)、頂部和北部邊界礦井1煤及其底板灰?guī)r露頭新生界松散層總厚399.05550.70m，新生界底部復(fù)合隔水層(三隔底部粘土+紅層)總厚8.7087.60 m。其中礦井東區(qū)1煤及其底板灰?guī)r露頭新生界松散層總厚408.25509.40m，新生界底部復(fù)合隔水層總厚8.7087.60m。另外，礦井東邊界F5斷層下盤(pán)灰?guī)r露頭新生界松散層總厚345.65427.10m，新生界底部復(fù)合隔水層總厚3.1053.30m。為礦井及東區(qū)的頂部和北部相對(duì)阻水邊界。(2)、東部邊界

17、F5斷層為劉莊礦井東界。謝G2、F5補(bǔ)2、F5補(bǔ)3等孔穿過(guò)F5斷層并未發(fā)現(xiàn)漏水。從巖性、層厚等綜合分析，F(xiàn)5補(bǔ)2和F5補(bǔ)3孔抽水主要反映的是寒灰富水性，而F5斷層則不含、導(dǎo)水。該斷層造至東區(qū)太灰、奧灰與下盤(pán)謝橋礦奧灰、寒灰相對(duì)接，具有產(chǎn)生水力聯(lián)系的條件，可受到下盤(pán)奧灰、寒灰的側(cè)向補(bǔ)給。受兩盤(pán)灰?guī)r弱富水性所限，補(bǔ)給和水力聯(lián)系程度較弱。從地層接觸關(guān)系分析，為礦井及東區(qū)的東部弱給水邊界。(3)、西部邊界 F12斷層為劉莊礦井西界。該斷層下盤(pán)即本礦井太灰、奧灰與上盤(pán)即口子?xùn)|礦煤系對(duì)接，為礦井的西部阻水邊界。F25斷層位于1525線，相當(dāng)于礦井東、西區(qū)的分界構(gòu)造。根據(jù)斷層含、導(dǎo)水性分析，該斷層對(duì)C3+

18、C3組灰?guī)r相對(duì)阻水，為礦井東區(qū)的西部局段相對(duì)阻水邊界。(4)、南部邊界F1逆沖斷層在23線以西進(jìn)入劉莊礦井范圍。礦井東區(qū)，煤系及灰?guī)r地層延展于-1000m以下，即灰?guī)r地層延傾向連續(xù)分布，為弱給水邊界。2. 礦井東區(qū)1煤底板隔水層隔水性分析2.1 1煤底板隔水層劃分隔水層是1煤開(kāi)采阻隔下伏承壓灰?guī)r水的主要屏障。2.1.1 1煤底板直接隔水層為1煤底板至C31層灰?guī)r頂板之間的巖層。礦井1煤底板直接隔水層厚度 11.9520.93m，平均16.14m; 其中東區(qū)厚度11.9519.20 m，平均15.67m。巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖為主，次為砂巖。2.1.2 1煤底板相對(duì)隔水層為1煤底板至C33

19、層灰?guī)r頂板之間的巖層?；茨厦禾镏袇^(qū)潘集、朱集、丁集、顧橋、張集、謝橋、口孜東和新集一礦、二礦等多個(gè)礦井地面勘探資料表明，C31層灰?guī)r賦存較穩(wěn)定并基本無(wú)水，C32層灰?guī)r賦存不穩(wěn)定且無(wú)水。在確認(rèn)該條件的基礎(chǔ)上，近幾年來(lái)，潘二、潘北、張集和新集二礦在開(kāi)釆1煤時(shí)，將井下疏水巷道直接布置在C31層灰?guī)r中，僅局部出現(xiàn)少量滴淋水并很快干涸；石門穿過(guò)C31、C32層灰?guī)r至C33灰?guī)r頂，基本無(wú)水；證明C31、C32層灰?guī)r基本不含水。據(jù)新集二礦1煤首采面測(cè)試，1灰平均抗?jié)B性至少大于等于3.5Mpam。劉莊礦井東區(qū)有46個(gè)鉆孔穿過(guò)C31層灰?guī)r，平均厚度2.85m；9線九O1+2、13線114等3個(gè)孔至基巖面25.4

20、050.25m處短時(shí)漏水，表明該層灰?guī)r淺部局部有巖溶裂隙但發(fā)育程度弱，儲(chǔ)水空間小。區(qū)內(nèi)無(wú)C31層灰?guī)r單層抽水資料，114孔C3組灰?guī)r抽水單位涌水量0.00929 L/(S.m) ，為漏水孔抽水單位涌水量最小孔之一，其比較見(jiàn)表2-1。表2-1 灰?guī)r漏水孔抽水單位涌水量比較表勘探線別孔號(hào)漏水抽水試驗(yàn)深度(m)層位至基巖面(m)層位含水層深度(m)單位涌水量L/(S.m)東區(qū)5-7E3O1+2531.65太原組10灰21.25太7-10灰+奧灰515.00621.880.000279九C3565.36太原組4灰84.66太4-10灰558.35627.600.02311西十一西C3520.58太原組

21、12灰44.98太11-12灰522.40539.000.23913114508.8太原組1灰50.25太1-4灰506.75541.200.0092919水1461.25太原組4灰34.85太1-7灰442.83486.830.097西區(qū)31137578.25太原組3灰85.55太11-12灰564.18592.870.0866東區(qū)有19個(gè)鉆孔穿過(guò)C32層灰?guī)r，平均厚度1.37m，層薄且賦存不穩(wěn)定；巖溶裂隙不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)漏水。礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范規(guī)定，一般將鉆孔單位涌水量小于0.001L/（s·m）的巖層視為隔水層。綜合分析認(rèn)為，礦井及東區(qū)C31與C32層灰?guī)r可劃為相對(duì)隔水

22、層。由于C31與C32、C32與C33層灰?guī)r間為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等隔水巖性，因此1煤底板至C33層灰?guī)r頂板之間的巖層可作為1煤底板的相對(duì)隔水層。據(jù)礦井東區(qū)揭露1煤至C33層灰?guī)r的19個(gè)鉆孔統(tǒng)計(jì)資料，1煤底板相對(duì)隔水層（1煤底板至C33層灰?guī)r頂板）厚度20.9933.45m，平均27.31m。詳見(jiàn)表2-2。2.2 1煤開(kāi)采底板破壞深度預(yù)測(cè)分析底板破壞深度是1煤采動(dòng)條件下圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生改變、在動(dòng)礦表2-2 1煤底板相對(duì)隔水層厚度統(tǒng)計(jì)表 單位: m線別孔號(hào)1煤底板直接隔水層厚度1至3灰厚度、間距1煤底板至3灰頂板間距C31C32C33mrmrmr1-3線F5補(bǔ)114.653.00 6.8

23、5 1.10 1.45 6.05 0.60 27.05 3線十二2414.903.55 7.39 1.67 0.98 7.59 1.18 28.49 3-5線水3C3416.543.36 7.06 1.58 1.28 5.48 3.21 29.82 5線E3覆巖113.403.14 8.81 6.62 1.89 21.76 5-7線東風(fēng)井檢119.203.35 7.45 1.28 1.62 5.12 3.19 32.90 5-7線E3覆巖214.053.39 6.44 1.37 1.31 6.74 1.72 26.56 7-9線七西C3I12.612.76 7.58 1.38 1.67 5.2

24、2 6.60 26.00 9線十六2614.362.92 8.47 1.9625.75 9線九O1+216.600.69 8.66 0.99 1.38 6.11 1.77 28.32 9線九C3I14.532.51 8.69 1.06 1.50 5.65 4.03 28.29 9線九C3II16.352.36 10.14 0.98 1.72 5.51 2.95 31.55 9線九C3III18.682.36 9.06 1.97 1.38 6.89 2.76 33.45 9-11線水9O1+213.813.35 7.75 1.00 1.20 6.45 1.45 27.11 13線11515.79

25、3.39 6.64 1.82 4.14 4.28 9.11 31.78 13線11417.713.20 6.80 0.68 1.39 7.63 8.67 29.78 15線11812.563.05 6.64 0.84 1.35 6.97 0.39 24.44 17線水15(11-2)114.822.59 5.97 13.22 1.09 23.38 17線170115.273.45 4.33 1.43 1.08 6.25 0.59 25.56 19線16014.061.29 2.62 1.53 1.49 10.05 2.87 20.99 最小11.950.69 2.62 0.68 0.98 4.

26、28 0.39 20.99 最大19.203.55 10.14 2.27 4.14 13.22 9.11 33.45 平均15.672.85 7.08 1.34 1.55 6.73 3.05 27.31 山壓力作用下底板巖層產(chǎn)生變形破壞的最大深度，是評(píng)價(jià)底板隔水層安全度的主要指標(biāo)。類比新集二礦模擬、試驗(yàn)資料成果和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算對(duì)礦井東區(qū)-762m水平1煤開(kāi)采底板破壞深度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。2.2.1 類比新集二礦模擬資料成果2012年，國(guó)投新集公司與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，在新集二礦1煤首采面（210108工作面）采用巖土工程分析軟件RFPA2D和FLAC對(duì)1煤層開(kāi)采底板破壞特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。首采面

27、開(kāi)采標(biāo)高-591.4-644.9m，平均傾向長(zhǎng)148m，煤層傾角約為116°，模擬煤層厚度為5m和4m。RFPA2D和FLAC模擬底板破壞深度分別為19m和19.5m，與經(jīng)驗(yàn)公式（見(jiàn)下列經(jīng)驗(yàn)公式一）計(jì)算結(jié)果18.3m相近。1、RFPA2D數(shù)值分析模擬結(jié)果表明：工作面推進(jìn)初期，底板的破壞深度較小，后隨推進(jìn)距離增加而變化：工作面推進(jìn)到40m左右時(shí)發(fā)生初次來(lái)壓；工作面推進(jìn)到60m時(shí)，底板破壞深度達(dá)到12m；工作面推進(jìn)到100m時(shí)，底板破壞深度達(dá)到18.5m左右；工作面推進(jìn)到110m時(shí)，底板破壞深度達(dá)到19m左右。此后基本平衡，破壞深度基本不隨推進(jìn)距離增加而變化，見(jiàn)圖2-1。 圖2-1 1煤

28、底板破壞深度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線2、 FLAC數(shù)值模擬通過(guò)FLAC數(shù)值模擬，煤層底板破壞主要有如下規(guī)律： (1）隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)引起的應(yīng)力集中區(qū)不斷擴(kuò)大，工作面前端圍巖的最大剪應(yīng)力不斷增加，到達(dá)40m左右后趨于平穩(wěn)，最大剪應(yīng)力穩(wěn)定在4.55MPa左右，相當(dāng)于老頂初次來(lái)壓位置。(2）工作面推進(jìn)初期，底板破壞深度較小，隨工作面推進(jìn)距離增加而逐漸增加，破壞深度達(dá)19.5m、推進(jìn)距離達(dá)100m后達(dá)到平衡，基本不隨推進(jìn)距離增加而變化。詳見(jiàn)表2-3和圖2-2。表2-3 1煤底板破壞深度隨工作面推進(jìn)的變化數(shù)據(jù)表推進(jìn)距離（m）5m 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m 破壞深度（m

29、）2.0 6.0 8.5 10.0 11.5 13.0 14.5 15.5 推進(jìn)距離（m）80m 90m 100m 110m 120m 130m 140m 150m 破壞深度（m）16.5 18.0 19.0 19.5 19.5 19.5 19.5 19.5 圖2-2 1煤底板破壞深度隨工作面推進(jìn)的變化曲線 2.2 .2 類比新集二礦1煤底板注水試驗(yàn)資料成果2012年12月至2013年4月，國(guó)投新集能源股份有限公司與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，在新集二礦1煤首采面（210108工作面）開(kāi)展了底板注水試驗(yàn)，以實(shí)測(cè)工作面采后底板破壞深度。注水試驗(yàn)鉆孔布置在210108工作面風(fēng)巷下幫11#、19#鉆場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)

30、鉆場(chǎng)各布置5個(gè)鉆孔。1、注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析1)19#鉆場(chǎng) 1#鉆孔在12月18日泄壓時(shí)間由56min降到1min以內(nèi)，可見(jiàn)1#鉆孔終孔位置已經(jīng)被破壞，此時(shí)工作面距19#鉆場(chǎng)19m，距1#鉆孔終孔水平位置26.7m，裂隙點(diǎn)到工作面角度在3045度之間，符合底板裂隙破壞規(guī)律（圖2-3）。圖2-3 19#鉆場(chǎng)的1#鉆孔泄壓時(shí)間突變時(shí)注水試驗(yàn)鉆孔位置及導(dǎo)裂帶高度示意圖 2#、3#、5#鉆孔的泄壓時(shí)間并沒(méi)有明顯的突變，大致在10min鐘以上。故裂隙帶沒(méi)有破壞到2#、3#、5#孔，其中5#孔的18日、21日的泄壓時(shí)間只有9分鐘和8分鐘，說(shuō)明可能有微小裂隙破壞到5#孔終孔位置，但鑒于2#、3#孔較穩(wěn)定，所以5

31、#孔的終孔位置仍認(rèn)定未產(chǎn)生大量裂隙。 4#鉆孔預(yù)注水試驗(yàn)直到工作面推進(jìn)前都沒(méi)有達(dá)到泄壓時(shí)間10min以上，故數(shù)據(jù)無(wú)效，不參與最后的數(shù)據(jù)分析。2)11#鉆場(chǎng) 1#、2#鉆孔在4月17日觀測(cè)時(shí)泄壓時(shí)間發(fā)生突變，從5min以上到1min左右，以后觀測(cè)始終保持在1min左右，可見(jiàn)1#、2#鉆孔的終孔位置已經(jīng)被破壞，此時(shí)工作面距11#鉆場(chǎng)67.8m，距1#鉆孔終孔水平位置17.8m，裂隙點(diǎn)到工作面角度在45度左右，符合底板裂隙破壞規(guī)律（圖2-4）。 3#、4#、5#鉆孔的泄壓時(shí)間并沒(méi)有明顯的突變，大致在5min鐘左右。推斷導(dǎo)裂帶未達(dá)到20m以上。 4月19日3#鉆孔數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)，后續(xù)觀測(cè)回歸正常，按統(tǒng)計(jì)

32、學(xué)原理，去除該觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖2-4 11#鉆鉆場(chǎng)的1#、2#泄壓時(shí)間突變時(shí)注水試驗(yàn)鉆孔位置及導(dǎo)裂帶高度示意圖2、試驗(yàn)結(jié)論綜合以上分析，結(jié)合兩次注水試驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)1煤首采210108工作面底板擾動(dòng)深度達(dá)到18m左右。2.2 .3 經(jīng)驗(yàn)公式法選擇兩種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了礦井東區(qū)-762m水平1煤開(kāi)采底板破壞深度。1、經(jīng)驗(yàn)公式1)經(jīng)驗(yàn)公式一 式中，h底板破壞深度（m）；L開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)（m）；H開(kāi)采深度（m）；開(kāi)采煤層傾角（°）。2)經(jīng)驗(yàn)公式二h=0.0021H+0.0956L+0.4186M式中，h底板破壞深度（m）；L開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)（m）；H開(kāi)采深度（m）；M工作面回采高度（m）。2、采用參數(shù)

33、及計(jì)算結(jié)果采用礦井東區(qū)地面標(biāo)高平均為25.56m，煤層傾角平均為15°，計(jì)算第一生產(chǎn)水平(-762m)1煤回采工作面平均斜長(zhǎng)200m，回采高度5m時(shí)底板破壞深度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2-4。表2-4 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的底板破壞深度對(duì)比表 單位:（m）經(jīng)驗(yàn)公式地面標(biāo)高開(kāi)采標(biāo)高開(kāi)采深度煤層傾角(°)工作面斜長(zhǎng)回采高度底板破壞深度公式一25.56-762787.5615°20026.41公式二522.87差值3.55上述幾種方法得出的底板破壞深度比較如表2-5。表2-5 底板破壞深度對(duì)比表 單位:m方法礦別工作面名稱開(kāi)采標(biāo)高煤層傾角工作面斜長(zhǎng)回采高度底板破壞深度RFPA2D數(shù)值分析

34、新集二礦210108-644.91-16°1484.0-5.019FLAC數(shù)值模擬19.5經(jīng)驗(yàn)公式一18.3注水試驗(yàn)18經(jīng)驗(yàn)公式一劉莊礦東區(qū)-76215°200526.41經(jīng)驗(yàn)公式二22.872.2 .4 1煤開(kāi)采底板破壞深度預(yù)測(cè)新集二礦1煤首采面由RFPA2D和FLAC分別模擬煤層厚度5m和4m，底板破壞深度分別為19m和19.5m；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式一計(jì)算的1煤底板開(kāi)采破壞深度為18.3m。注水試驗(yàn)結(jié)果與上述模擬和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果較接近?？紤]到劉莊礦1煤開(kāi)采地質(zhì)條件與新集二礦類似，因此建議礦井東區(qū)1煤開(kāi)采底板破壞深度預(yù)計(jì)值采用注水試驗(yàn)的結(jié)果，即-762水平1煤工作面采高

35、45m時(shí)底板破壞深度為18m。礦井東區(qū)1煤底板直接隔水層平均厚度15.67m，小于底板破壞深度預(yù)測(cè)建議采用值；1煤底板相對(duì)隔水層（1煤底板至C33層灰?guī)r頂板）平均厚度平均27.31m，大于底板破壞深度預(yù)測(cè)建議采用值，尚余有效保護(hù)層平均厚度9.31m。 2.3 -762m水平突水系數(shù)根據(jù)煤礦防治水規(guī)定附錄七的公式計(jì)算。T=P/MP底板隔水層承受的水壓，MPa；式中 T突水系數(shù)，MPam； M底板隔水層厚度，m。采用礦井東區(qū)C3組灰?guī)r觀測(cè)孔2017年12月31日實(shí)測(cè)的水位標(biāo)高：3w線水3C34孔(14灰)-44.558m，13線114孔(14灰)-77.14m、9線九C3孔(14灰) -42.42

36、m，取3個(gè)孔水位標(biāo)高的平均值-54.706m為C3組灰?guī)r初始水位標(biāo)高。礦井東區(qū)1煤底板直接隔水層平均厚度15.67m，-762m水平C3組灰?guī)r水頭壓力平均為7.41 MPa，突水系數(shù)為0.45MPa/m；1煤底板相對(duì)隔水層平均厚度27.31m，突水系數(shù)為0.27MPa/m；見(jiàn)表2-6。表2-6 突水系數(shù)計(jì)算成果表開(kāi)采標(biāo)高（m）水位標(biāo)高（m）底板隔水層承受的水壓（Mpa)底板隔水層平均厚度（m）突水系數(shù)（MPa/m）直接隔水層相對(duì)隔水層直接隔水層相對(duì)隔水層-762-54.717.0715.6727.310.450.262.4 -762m水平安全水頭值根據(jù)煤礦防治水規(guī)定附錄八的公式計(jì)算。P=Ts&

37、#215;M式中 P安全水壓，MPa；M底板隔水層厚度，m；Ts臨界突水系數(shù)，MPam。1、采用臨界突水系數(shù)0.06MPam計(jì)算底板直接隔水層厚度15.67m，安全水頭值為0.94 MPa，安全水壓面標(biāo)高為-668.00m。底板相對(duì)隔水層厚度27.31m，安全水頭值為1.639MPa，安全水壓面標(biāo)高為-598.10m。2、采用臨界突水系數(shù)0.1MPam計(jì)算底板直接隔水層厚度15.67m，安全水頭值為1.567MPa，安全水壓面標(biāo)高為-605.30m。底板相對(duì)隔水層厚度27.31m，安全水頭值為3.571MPa，安全水壓面標(biāo)高為-488.90m。其比較見(jiàn)表2-7。表2-7 安全水頭值計(jì)算成果比較

38、表開(kāi)采標(biāo)高（m）臨界突水系數(shù)（MPam)底板隔水層平均厚度（m）安全水頭值（MPa）安全水壓面標(biāo)高（m）直接隔水層相對(duì)隔水層直接隔水層相對(duì)隔水層直接隔水層相對(duì)隔水層-7620.0615.6727.310.941.639-668.00-598.100.101.5672.731-605.30-488.902.5 1煤底板隔水層隔水性評(píng)述1、礦井東區(qū)-762水平1煤開(kāi)采底板破壞深度預(yù)計(jì)值采用新集二礦1煤首采面注水試驗(yàn)的結(jié)果為18m。東區(qū)1煤底板直接隔水層平均厚度15.67m，小于底板破壞深度預(yù)測(cè)值；1煤底板相對(duì)隔水層（1煤底板至C33層灰?guī)r頂板）平均厚度平均27.31m，大于底板破壞深度預(yù)測(cè)值，尚余

39、有效保護(hù)層平均厚度9.31m。 2、東區(qū)-762m水平C3組灰?guī)r水頭壓力為7.07 MPa，采用相對(duì)隔水層平均厚度計(jì)算的突水系數(shù)為0.26MPa/m。據(jù)煤礦防治水規(guī)定：“底板受構(gòu)造破壞塊段突水系數(shù)一般不大于0.06MPa/m,正常塊段不大于0.1 MPa/m”?；?guī)r水頭壓力大，計(jì)算結(jié)果大于0.1 MPa/m。3、安全水頭是影響1煤安全開(kāi)采的關(guān)鍵指標(biāo)。東區(qū)-762m水平1煤開(kāi)采底板C3組灰?guī)r的安全水頭為:采用底板相對(duì)隔水層厚度，正常塊段安全水頭值為2.731MPa，水壓面標(biāo)高需降至-488.90m；受構(gòu)造破壞塊段安全水頭值為1.639MPa，水壓面標(biāo)高需降至-598.10m。4、以上分析計(jì)算結(jié)果

40、均為礦井東區(qū)-762水平的平均值，但1煤開(kāi)采底板破壞深度、突水系數(shù)、安全水頭值等受多種因素和參數(shù)影呴而變化。3. 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)1煤安全開(kāi)采影響的分析3.1 主要斷層對(duì)1煤安全開(kāi)采影響的分析斷層是造成煤礦充水的主要導(dǎo)水通道。由于斷層的性質(zhì)、規(guī)模、兩盤(pán)巖性、后期改造等因素不同，其含、導(dǎo)水性不同。決定斷裂含（富）水性主要包括兩個(gè)因素，一為斷裂帶的儲(chǔ)水能力，二是斷裂兩盤(pán)巖石的巖性及富水性。據(jù)礦井地面勘探和井下采掘工程資料，未發(fā)現(xiàn)含、導(dǎo)水?dāng)鄬?。分析礦井東區(qū)斷層對(duì)1煤安全開(kāi)采的影響主要為：1、1煤與灰?guī)r含水層對(duì)接。2、斷層帶及其附近裂隙發(fā)肓，受采動(dòng)影響裂隙擴(kuò)張和延伸，連通性增強(qiáng)并導(dǎo)水。3、受采動(dòng)影響，斷層活

41、化而含導(dǎo)水。圍巖巖層的富水性是控制斷層含導(dǎo)水性的關(guān)鍵因素，它決定著斷層帶的富水程度，直接影響斷層的導(dǎo)水性。1煤底板灰?guī)r弱富水性，是制約斷層含導(dǎo)水性的有利條件。分析認(rèn)為: 礦井東區(qū)主要斷層對(duì)1煤開(kāi)采不會(huì)造成較大充水危害。3.2 巖溶陷落柱對(duì)1煤安全開(kāi)采影響的分析3.2.1 劉莊礦東區(qū)120601工作面實(shí)見(jiàn)陷落柱概況120601工作面為東二采區(qū)6-1煤首個(gè)回采工作面，開(kāi)采標(biāo)高-559.0-633.7m。對(duì)應(yīng)工作面上方為8煤、11-2煤、13-1煤采空區(qū)。該面于2013年3月10日開(kāi)始回采，4月15日出現(xiàn)構(gòu)造異常: 工作面71#89#架全巖，巖石主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、薄層狀粉細(xì)砂巖，巖石層理清晰，巖

42、層傾角13°左右；90#104#架全巖，巖石主要為泥巖、細(xì)砂巖，局部含破碎的煤層，為6-1煤頂板巖石，巖層紊亂，層理不清，破碎的砂巖混雜在泥巖中，局部巖層近直立。巖層裂隙非常發(fā)育，被方解石充填。如圖3-1。圖3-1 工作面實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面此后采用多種手段進(jìn)行了綜合物探和鉆探驗(yàn)證:由公司物探隊(duì)利用電法對(duì)工作面構(gòu)造發(fā)育和頂、底板富水性情況進(jìn)行了初步探查，初步分析該構(gòu)造帶總體富水性較弱。由安徽惠州地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院采用瞬變電磁及并行電法對(duì)工作面頂、底板富水性情況進(jìn)行了探查，結(jié)果表明:在深部表現(xiàn)為橢圓形態(tài)的高阻異常區(qū)，垂直發(fā)育的深度超過(guò)50m,說(shuō)明內(nèi)部巖石松散破碎，并以f120601-10(24

43、6°78°H=04m)斷層和f120601-11(114°33°H=01.2m)斷層為地質(zhì)異常體的邊界。揭露的斷層與該陷落柱在探測(cè)深度50m范圍內(nèi)不富水。由青島地博礦山科技有限公司采用大功率坑透儀進(jìn)行了坑透，圈定了工作面構(gòu)造位置及范圍。1#異常位于工作面附近，為較大衰落異常，異常在平面圖上表現(xiàn)為近圓形，直徑約50m，為可靠異常，推斷為煤層陷落柱引起。由安徽省煤田地質(zhì)局物測(cè)隊(duì)就120601工作面構(gòu)造異常區(qū)對(duì)相關(guān)三維地震資料進(jìn)行了再分析，發(fā)現(xiàn)6-1煤及下伏煤層對(duì)應(yīng)區(qū)地震波異常，為煤層缺失。在120601軌道順槽布置了3個(gè)鉆孔對(duì)物探結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。邀請(qǐng)有關(guān)專家論

44、證認(rèn)為：120601工作面實(shí)際揭露的異常構(gòu)造為隱伏陷落柱；該陷落柱充填物膠結(jié)程度較好，不含、導(dǎo)水。經(jīng)實(shí)測(cè)資料分析，該陷落柱在6-1煤層平面形態(tài)為橢圓形，長(zhǎng)軸48.5 m，短軸25.4 m，在6-1煤層附近陷落距離45m。陷落柱實(shí)測(cè)平面見(jiàn)圖3-2。3.2.2 礦井及東區(qū)三維地震解釋的異常區(qū)中油油氣勘探軟件國(guó)家工程研究中心有限公司于2014年6月提交了劉莊煤礦三維地震數(shù)據(jù)二次處理精細(xì)解釋報(bào)告。該次解釋范圍內(nèi)存在7個(gè)地震反射波異常區(qū)，其東區(qū)5個(gè) ，西區(qū)2個(gè)。XL2異常區(qū)：位于東二采區(qū)的東北部，其平面展布形態(tài)為近橢圓形，圖3-2 120601工作面陷落柱實(shí)測(cè)平面圖長(zhǎng)軸長(zhǎng)141米，短軸長(zhǎng)88米，影響到5

45、煤。該異常區(qū)已證實(shí)為不含（導(dǎo)）水陷落柱。其余六個(gè)三位地震反射波異常體長(zhǎng)軸長(zhǎng)148308m，短軸長(zhǎng)103196m劉莊礦東一、東二采區(qū)淺部三維地震補(bǔ)充勘探工程未發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)直徑20m的陷落柱和疑似陷落柱。3.2.3 巖溶陷落柱對(duì)1煤開(kāi)采的影響分析巖溶陷落柱是煤系下伏可溶巖系中的溶洞發(fā)生持續(xù)向下塌陷的產(chǎn)物。巖溶是塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)，地下水運(yùn)動(dòng)是巖溶塌陷形成中十分重要的動(dòng)力因素。淮南煤田水文地質(zhì)分區(qū)的中區(qū)為封閉半封閉水文地質(zhì)單元，地下水以儲(chǔ)存量為主。這種水文地質(zhì)環(huán)境，是影響陷落柱含、導(dǎo)水性的重要因素。劉莊煤礦位處該區(qū)西部。灰?guī)r巖溶不發(fā)育，灰?guī)r總體為弱富水性，制約了巖溶陷落柱的含、導(dǎo)水性。巖溶陷落柱對(duì)礦井東區(qū)1煤開(kāi)采不致造成重大充水危害。4. 結(jié)論與建議（1） 礦井東區(qū)1煤底板直接隔水層（1煤底C31層灰?guī)r頂）厚度11.9519.20 m，平均15.67m。巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，次為砂巖。 （2） 確定了1煤底板相對(duì)隔水層。