458工作面采前水文地质条件评价报告.docx
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458工作面采前水文地质条件评价报告
恒源公司恒源煤矿
458工作面采前水文地质条件评价报告
生产技术部
2015年1月5日
一、工作面概况
工作面位于我矿-400m水平，45采区北翼西部。
工作面东部外段为于2013年6月份回采结束的457工作面，东部里段为采区边界及恒源煤矿2#陷落柱附近；南部为45轨道和运输上山；西部为于2014年6月份回采完毕的459工作面；北部切眼外侧为45采区辅助回风巷和泄水巷。
458工作面设计为倾斜长壁、综采工作面，走向宽为140m，倾斜长1810m（到设计收作线位置）。
工作面煤层无夹矸，厚度0.5～2.8m，平均厚1.60m，可采性指数为94%，煤厚变异系数为34%，为较稳定的中厚煤层，可采储量58.2万吨；另外，从工作面掘进情况和周围钻孔揭露情况看，工作面内3煤层不发育。
工作面风巷标高-336.5m～-489.4m；机巷标高为-331.7m～-498.5m，切眼标高为-489.4m～-498.5m。
458工作面对应地表整体处在65下部及Ⅱ61采区开采形成的采煤塌陷区内，标高为+29.1m～+
0.5m，无村庄，其它为复垦耕地、养鱼塘以及乡村小路等，切眼附近有季节性河流——丁河自东向西流过，预计458工作面地回采将进一步加剧地表沉降。
二、工作面煤层顶底板岩性及物理、力学特征
1、煤层顶底板岩性
根据458工作面掘进实际揭露及内外部钻孔揭露资料情况分析，将煤层顶底板岩性统计如下：
（1）伪顶
工作面伪顶基本不发育，但在工作面机巷泥岩直接顶趋于缺失或厚度变薄到0.5m以下时，稳定性变差，形成伪顶。
（2）直接顶
从工作面掘进实际揭露情况看，机、风两巷直接顶岩性差异较大，机巷基本为泥岩直接顶，仅在其中下段局部顶板为细砂岩；风巷直接顶全部为细砂岩层。
其中泥岩直接顶为灰～深灰色，水平层理，泥质结构，断口平坦，略含粉砂质，具黄铁矿结核，可见少量植物化石碎片，下部含炭质，层厚0～2.76m，平均1.35m；细砂岩为浅灰色，成分以长石为主，局部砂岩粒径较粗,相变为中砂岩,薄层～中厚～厚层状,张性裂隙发育,充填少量方解石，导水性、连通性较好，层厚2.74～7.07m，平均4.9m。
（3）老顶
工作面老顶自下而上分别为粉砂岩、细砂岩，厚1.47～21.92m，平均9.92m。
其中粉砂岩为深灰色，厚层状，局部有菱铁质鲕粒及条带，下部含细砂岩，见少量化石，此层粉砂岩基本随下部的细砂岩逐渐变薄而增厚，层厚1.47～8.22m，平均5.21m；细砂岩为厚浅灰色，成分以长石为主，局部粒径较粗，相变为中砂岩，层理由薄层逐渐变化到厚层状，张性裂隙发育，充填少量方解石，导水性、连通性较强，层厚2.01～13.7m，平均4.71m。
（4）直接底
工作面直接底为泥岩，深灰色，中厚层状，层厚1.02～18.66m，平均6.43m，偶见滑面及张扭性裂隙、炭化植物化石和少量镜煤条带。
（5）老底
工作面老底由粉砂岩、细砂岩组成，厚0.78～19.13m，平均8.59m。
其中粉砂岩为深灰色，上部含泥质，且植物化石丰富，下部含黄铁矿晶体，碳纹显示水平层理，层厚0～3.56m，平均1.91m；细砂岩为浅灰色，上部含较多碳纹及黄铁矿晶体，高角度裂隙发育，方解石不完全充填，层厚0～15.80m，平均6.68m。
2、煤层顶底板岩石物理、力学性质
45采区范围内，没有钻孔做过煤层顶、底板岩石物理、力学性质测试，现把《恒源煤矿修编地质报告》中统计的4煤层顶、底板岩石物理、力学性质，测试成果列表如下：
4煤层顶底板岩石物理、力学性质测试成果表表1
顶底板
岩性
物理性质
岩石力学性质
密度
Kg/m3
含水率
（%）
孔隙率
（%）
单向抗压强度MPa
最小～最大/平均
单向抗拉强度MPa
最小～最大/平均
凝聚力
泊松比
普氏硬度系数
顶
板
泥岩
2720
2.72
5.1
10.7～71.8/37.3
0.8～5.1/2.29
2.4
0.54
3.6
粉砂岩
/
/
/
43.4～74.8/59.1
1.19
3
/
4.04
细砂岩
2680
1.31
2.2
31.5～150.8/78.9
5.3～30.3/7.02
7.26
0.16
16.6
底板
泥岩
2663
2.67
4.2
7.3～46.7/18.8
0.6～3.77/1.52
3.68
3.05
1.56
粉砂岩
2696
2.64
2.5
16.3～121/56.2
/
3.38
/
/
细砂岩
2620
1.18
2.76
2.32～7.18/4.75
2.3～7.18/4.75
8.9
0.14
12.8
三、工作面地质构造情况分析
根据工作面掘进实际揭露及三维地震物探、钻探资料分析，工作面内部发育有褶曲、断层及煤层变薄区3类地质构造，不存在其它类型地质构造，而在工作面风巷外侧80m左右处发育了恒源煤矿2#陷落柱，现分述如下：
1、恒源煤矿2#陷落柱
此陷落柱为我矿在6煤实际掘进中揭露的第二个陷落柱，随后采用三维地震、井下物探及钻探手段，查明该陷落柱在6煤中长轴长218m，短轴长150m，面积60725m2，其柱体上边界处不导水，下边界存在一定的导水裂隙。
在458工作面掘进前，运用三维地震动态解释软件系统，对此陷落柱附近的4煤层进行切片研究，通过16条时间剖面上煤层反射波的追踪对比，重新解释圈出了该陷落柱在4煤层中的平面位置，柱体呈不规则的多边形，长轴长144m，短轴长140m，面积17301m2。
而后，在458风巷掘进过程中，又对其实施了2次钻探探查、验证工程，累计施工钻孔10个，进尺743.9m，注浆22.6m3，探明了该陷落柱发育边界（距458风巷外侧80m左右），钻探中各孔出水均小于1m3/h，并进行了水质化验，结果为砂岩裂隙水，因此确定了此陷落柱在4煤层中和太灰、奥灰水不存在水力联系。
2、褶曲
458工作面位于丁河向斜西翼，工作面风巷中段基本沿向斜轴部施工，受地层纵弯作用影响，其附近煤层顶底板纵向裂隙较发育，煤岩层倾角变化较大，影响岩层的完整性，同时也给砂岩裂隙水提供储水空间和导水通道。
工作面风巷在向斜轴部掘进施工期间，巷道顶板局部出现淋滴水现象，单点出水量小于0.5m3/h，总涌水量在2m3/h左右。
3、断层
458工作面掘进过程中揭露断点22个，组成断层20条，三维地震资料显示工作面中部存在掘进中未揭露的断层1条，因此判断，工作面回采过程中将揭露已查明的断层21条，但不排除其内部仍存在落差较小、尚未查出的隐伏断层。
在已查明的21条断层中，逆断层仅有2条，其余均为正断层；从断层规模上看，落差在5～6m的有2条，分别为DF5逆断层（H=5m）和F458-8正断层（H=6m），由于断层落差较大，造成工作面破岩范围较大，存在空顶煤现象，将给回采带来较大困难，特别是DF5逆断层还造成风巷中下部、靠近机风联巷段存在一段长约40m的低洼区，使积水不能自流至切眼，给排水工作带来一定困难；除此，其余均为落差3m及以下断层，对回采不会带来太大影响。
从巷道实际揭露情况看，21条断层均为不导水断层。
具体掘进揭露断层情况见下表：
序号
断层
编号
断层
性质
倾向
（°）
倾角
（°）
落差（m）
断层揭露位置
预计断层
延展长度（m）
1
F458-1
正
280
45
1.6
458风巷Q2点前30m
10～30
2
F458-2
正
206
45
2.0
458风巷F2点前63m
20～40
3
F458-3
正
345
50
1.0
458风巷F5点前24.5m
横穿工作面
4
F458-4
正
75
40
2.0
458风巷L4点前9m
20～40
5
F458-5
逆
55
28
2.0
458机巷J6点前9m
20～40
6
F458-6
正
10
70
0.8
458风巷L11点前64.5m
10～20
7
F458-7
正
340
40
1.3
458风巷L12点前9m
10～30
8
F458-8
正
345
50
6.0
458机巷J9点前38m
横穿工作面
9
F458-9
逆
52
30
5.0
458风巷L16点前9m
50～100
10
F458-10
正
210
60
1.0
458风巷L17点前10.5m
10～15
11
F458-11
正
330
60
0.4
458风巷L23点前13m
10～20
12
F458-12
正
6
45
1.5
458机巷J11点前19m
10～30
13
F458-13
正
6
45
2.0
458机巷J13点前29m
20～40
14
F458-14
正
318
40
1.3
458机巷J15点前13m
10～30
15
F458-15
正
355
40
0.7
458机巷J15点前71m
10～20
16
F458-16
正
345
40
1.5
458机巷J22点前5m
10～30
17
F458-17
正
140
40
1.8
458机巷J25点前25m
20～40
18
F458-18
正
130
40
1.5
458机巷J25点前60m
10～30
19
F458-19
正
140
40
2.0
458机巷J27点前15m
20～40
20
F458-20
正
5
40
1.0
458机巷J29点前45m
10～20
21
F458-21
正
195
40
1.0
458机巷J29点前62m
10～20
458工作面掘进期间揭露的断层情况一览表表2
4、煤层变薄区
在458工作面风巷中下段实际掘进过程中，揭露一段长约205m的煤层变薄区（自L18点后20m～L21点前30m之间），揭露4煤层厚度仅为0.5～1.1m，后通过三维地震动态解释软件系统，对工作面中下部的煤层反射波进行追踪对比，解释出一处向面内延伸呈不规则圆形煤层变薄区，面积约为58032m2，由于变薄区范围相对较大，给工作面回采将带来较大影响，被迫造成工作面进行改造。
四、工作面水文地质条件分析
458工作面整体位于丁河向斜西翼，水文地质单元与相邻的457、459等工作面基本相同，而457、459工作面在回采期间只受到4煤层顶底板砂岩裂隙水（7含）影响，因此判断，458工作面回采过程中存在的水患主要为4煤层顶底板砂岩裂隙水（7含）影响，不存在老空水、陷落柱导水、断层导水、钻孔出水等其它类型水害威胁，具体分述论证如下：
1、老空水
458工作面相邻的工作面为457、459工作面，其中457工作面回采中砂岩水出水量在4m3/h以下，在回采结束后，位于其切眼附近有一处老空积水区，但在458风巷掘进期间已进行疏放完毕，现已无老空积水；459工作面自回采向前推进40m左右时，顶板砂岩裂隙水最大涌水量为40m3/h，回采3个月后，水量逐渐衰减至20m3/h左右，目前459工作面内尚存在一处老空积水区，积水面积约2000m2，推算积水量在860m3左右，积水高度5m左右，但积水区距离458工作面较远（80m外），且标高比458工作面低近10m，对458工作面回采没有安全威胁。
2、陷落柱导水性分析
458工作面风巷外侧发育有恒源煤矿2#陷落柱，经钻探验证，此陷落柱在4煤层中不导水，和下伏灰岩含水层、奥灰含水层没有水力联系，且458工作面和该陷落柱之间留设了约80m的保护煤柱，现采用以下公式对保护煤柱留设的安全距离进行论证。
假设陷落柱导通奥水含水层，沿煤层方向上使用如下公式计算：
d1：
理论安全煤柱长度；
k：
安全系数（2～5），取3.5；
m：
巷道宽度，取3.6m；
p：
奥灰水压，取4.9MPa；
kp：
煤柱抗张强度，取0.２MPa。
计算得出d1＝54.01m
沿陷落柱法线方向上使用如下公式计算:
d2：
理论安全煤柱长度；
p：
奥灰水压，取4.9MPa；
V：
临界突水系数MPa/m,取刘一矿六煤工作面灰岩含水层临界突水系数0.103MPa/m
10：
保护带厚度，一般取10m。
计算得出d2＝57.57m
458工作面与陷落柱间实际留设的防水煤柱值水平方向上大于80m,法线方向上为75m（陷落柱塌陷角按73°计算），两者均大于理论要求的安全临界计算值，因此，工作面回采过程中不会受到陷落柱导水造成的水害威胁。
3、断层导水性分析
从458工作面两巷掘进揭露断层构造情况看，均无出水现象，所有断层均不导水，相邻的457工作面在回采揭露断层构造时也未出现出水现象，但459工作面在初期回采揭露断层构造时，由于其顶板砂岩裂隙水赋水较丰富，造成局部顶板出现较大集中淋出水现象（涌水量最大时为40m3/h左右），因此，预计458工作面在回采期间揭露落差较大断层，且局部顶板砂岩层赋水较丰富时，可能导致顶板淋水现象，但由于459工作面的回采，使458工作面顶板砂岩裂隙水得到了较充分的疏放，因此估计出水量不大，并能很快疏干。
4、不良钻孔出水性分析
458工作面内存在17-B6、16-5共2个地面钻孔，且均已封闭。
根据钻孔封孔资料，17-B6钻孔封孔用料超过30Kg/m，属封闭优良钻孔；16-5为水文长观孔，进行了全孔封闭，钻孔评级为甲级孔，且458风巷从其附近穿过时（距离该孔2m左右），也无异常出水现象，因此，判断458工作面回采中不存在封闭不良钻孔引起的突水威胁。
5、4煤层顶底板砂岩裂隙水（7含）
4煤层顶底板砂岩裂隙水（7含）是458工作面回采期间的主要充水水源，其主要储存在和运移在4煤层上30m、下20m左右的砂岩裂隙中，以静储量为主，赋水程度取决于裂隙的发育程度和砂岩含水层的厚度。
458工作面顶底板砂岩层发育较厚（厚22.6m），工作面风巷在掘进至中下部时，局部顶板略有淋滴水现象，单点出水量均小于0.5m3/h，总出水量在2m3/h左右，证明了工作面局部顶板岩层裂隙较发育，但工作面顶板岩层整体赋水性较弱，且458工作面周围基本为采空区，其顶底板砂岩裂隙水得到了较充分地疏放，因此，判断458工作面回采过程中的主要充水水源虽然为砂岩裂隙水，但仅限于局部地点，且水量较小，能很快疏干。
现采用“比拟法”、“大井法”对工作面4煤层顶、底板砂岩裂隙水涌水量进行预测：
“比拟法”：
Q=Q0×
×（㏑S/㏑S0）
Q：
预计458工作面回采期间砂岩裂隙水最大涌水量，m3/h；
Q0：
被比拟的459工作面回采过程中实测最大砂岩水涌水量，取40m3/h；
F:
458工作面面积，253400m2；
F0:
被比拟的459工作面面积，283635m2；
S:
458工作面顶底板砂岩裂隙水最大降深，166.8m（458工作面最高处标高为-331.7m，最低处为-498.5m）；
S0:
被比拟的459工作面顶底板砂岩裂隙水最大降深，173.6m（459工作面最高处标高为-328.8m，最低处为-502.4m）。
458工作面顶底板砂岩裂隙水“比拟法”涌水量计算表表3
F（m2）
F0（m2）
S（m）
S0（m）
Q0（m³/h）
Q（m³/h）
253400
283653
166.8
173.6
40
37.5
“大井”法:
Q=2.73KMS/（lgR0-lgr0），R0=R+r0，r0=
，
Q：
预计砂岩裂隙水涌水量，m3/h;
K：
渗透系数，m/d;（利用水12钻孔抽水实验资料，0.1583m/d）；
M：
含水层厚度，22.6m;（取顶板30m内砂岩层平均厚14.9m，底板20m内砂岩层平均厚7.7m）。
S：
458工作面最大水位降深值，166.8m（458工作面最高处标高为-331.7m，最低处为-498.5m）；
R：
影响半径，663.6m;
R0：
“大井”引用影响半径，675.57m；
r0：
“大井”引用半径，11.97m;根据2006年修编的矿井地质报告,淮北地区各矿工作面突水面积一般采用长a=30m,宽b=15m,计算得出r0＝11.97m。
K（m/d）
M（m）
S（m）
R0（m）
r0（m）
R（m）
Q（m3/h）
0.1583
22.6
166.8
675.57
11.97
663.6
38.8
458工作面砂岩裂隙水“大井法”涌水量计算表表4
五、工作面水文地质探查成果
为查明458工作面顶板砂岩裂隙水赋水程度，在工作面下段实施了井下瞬变电磁物探探查工作，共发现4个C级富水裂隙水文异常区，等值线数值小于4Ωm,为相对低阻异常反应，对应煤层顶板局部富水裂隙发育，赋水层位位于4煤顶板上20～50m范围之内，向上富水性减弱，但这4个异常区富水性比459工作面要弱，物探建议工作面回采过程中注意顶板淋水，加强排水。
而459工作面回采推过和458工作面物探异常区邻近区域时，也未出现出水现象，因此判断，这些物探水文异常区对回采不构成安全威胁。
具体探查情况见下图：
458工作面瞬变电磁物探水文异常区分布图图3
六、工作面水害分析结论
1、综合以上分析，认为458工作面回采期间受到的水文地质影响主要是4煤层顶底板砂岩裂隙水影响，不存在其它类型水害威胁，预计工作面回采期间4煤层顶底板砂岩裂隙水（7含）最大涌水量为38.8m3/h，且工作面基本为仰采，出水可顺老塘自流，对工作面回采不构成安全威胁。
2、工作面风巷中下部、靠近机风联巷段存在一段长约40m的低洼区，需安装排水设施进行排水。
七、工作面排水
1、工作面机巷内出水可自流至切眼直到二水平南大巷水沟内，无安全威胁。
2、针对风巷内存在的低洼段，已施工了一个集中排水水仓，并安装了有效排水能力不小于60m3/h的排水泵，铺设了一趟4寸排水管路至工作面下段水能自流处，可确保风巷排水通畅，将出水排至二水平南大巷水沟内。
八、水害防治措施
1、地测部门根据工作面回采进度及回采过程中实际水文情况，认真分析和预测推进前方水文地质情况，每月月末及时下发水文地质预报，遇到条件突然变化时，及时补充临时预报，以防范于未然。
2、458工作面下段机巷末端在施工封闭墙时，要预留排水孔，确保排水孔疏水能力不小于60m3/h。
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