泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1.docx

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泰山煤矿防隔水煤柱专项设计1

矿井防隔水煤（岩）柱专项设计

二0一三年三月

矿井防隔水煤（岩）柱专项设计

设计编制单位：

枣庄市薛城区泰山煤矿技术科

设计主编：

许敦山总工程师工程师

设计编制人员：

徐恩深副总工程师高工

胡乐刚副总工程师工程师

张延亮技术科长助工

前言

一、概述

（一）企业位置及隶属关系

矿井东距枣庄10Km、西距薛城约15Km，南邻有泰山火车站，枣薛公路在井田南部1km处，交通十分方便。

隶属于枣庄市薛城区政府直属企业，原属薛城区泰山镇集体企业，根据省政府要求淘汰乡镇办矿产业政策及省煤炭局[2009]112号，按薛城区薛政[2009]69号文件精神于2009年12月16日改制后隶属于区政府管理。

（二）矿井生产建设情况

泰山煤矿于1994年10月开工建设，1998年3月投产。

1998年由山东省煤炭工业局煤碳设计院进行开采设计，设计开采煤层14、16、17层，矿井设计生产能力为9万t/a，2003年核定为12万t/a。

矿井“五证一照”齐全、有效、合法。

目前，14层煤开采已经结束，现开拓开采16、17层煤，6、18层煤未开采。

2008年10月委托山东科技大学资源与环境工程学院编制了资源整合后的《南翼采区建筑物下开采设计方案》。

该矿采用一对立井开拓，暗斜井下山开采。

主井进风，风井回风，中央并列抽出式通风方式。

主井担负提升煤炭、矸石、物料、人员提升。

采用走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。

第一章采区概况及地质特征

第一节采区概况

一、井田位置及范围

泰山煤矿位于枣庄市薛城区泰山镇庄头村西，陶枣煤田的中部，北与陶庄煤矿为邻，东与甘霖煤矿接壤，南面和西面分别是天然焦煤矿和山家林煤矿。

二、地形地貌

区内地形较平坦，地面标高一般在+62～+66m，最大高差约4m，属第四系山前地势北低南高，冲积平原地形。

与地面对应的村庄有龚庄、第五中学、镇政府及西泰山村，采区回采时将对其产生不同程度的影响，按设计方案加强对地表移动观测，严格控制下沉量。

三、主要河流及水体

井田北部山区为天然分水岭，有一条季节性南北向冲沟，成为雨后向南泄洪的自然渠道。

蟠龙河支流从采区内穿过，属季节性河流，洪水期一般发生在每年的七月份。

积水流入井田西部约18Km有南四湖中的昭阳湖和微山湖，湖面辽阔，常年积水。

四、区内煤矿开采情况

采区东、西与甘霖矿、山家林矿相接，两矿均未开采16煤；南侧与关闭的市中区利民矿相邻，已开采16层煤，距本采区500m；北侧为本矿北翼161采空区。

第二节　地质构造

一、相邻采区地质及水文地质情况

与南翼163采区相邻的采区为北翼161采区，北翼161采区现在正在开采，从实际揭露的地质及水文地质情况看，16层煤厚度稳定在0.55m左右。

与下层的17层煤（厚0.5-0.8m）之间距12-16m，平均13m，上距14层煤45-58m，平均55m。

地质构造条件简单，无褶皱构造，断层多以小断层出现，落差最大均在0.5m以下。

构造发育相对简单，仅在洪支二断层附近区域，遇见断层0.6m，煤层顶板以十层灰岩为其顶板，厚约5.7m，较完整，仅在采区中下部见二处断裂，但断裂带不连0.3m破碎带。

煤层瓦斯含量较低，瓦斯涌出量少，相对瓦斯涌出量0.31m3/t，煤层倾角较小，近水平5-8°左右，地质条件简单，在采掘过程中，有煤层顶板二合顶时有少量涌水，再者是断裂带裂隙水，但一般在二月内疏干，最大涌水8m3/h，采区最大涌水量8m3/h，正常5m3/h。

二、地质构造

1、地层

泰山井田地层属华北平原型沉积，矿井范围内均被第四系冲积层覆盖，地层自老到新依次有：

奥陶系、石炭系、二叠系和第四系。

石炭、二叠系是本区的含煤地层。

按岩石地层划分，依次为：

奥陶纪马家沟组、石炭——二叠纪月门沟群（包括本溪组、太原组、山西组）、二叠纪石盒子组和第四纪监沂组，现将岩石地层由下到上简述如下：

（1）奥陶纪马家沟组（OM）

马家沟组（OM）为含煤地层基底，岩性为厚层状灰岩和中厚层白云岩组成，岩溶裂隙发育，厚约800m。

（马家沟组以下地层不再叙述）。

（2）石炭纪本溪组（CYB）

本溪组（CYB）厚24.9米，由杂色铁铝质泥岩组成，顶部为青灰色铝质岩，厚0.8米左右，致密状，鲕粒状结构，相当于G层铝土矿层位，为滨海相古风壳残余沉积。

本组与下伏马家沟组地层假整合接触。

（3）石炭—二叠纪月门沟群太原组（C-PYT）

太原组（C-PYT）厚约188米。

由灰～灰黑色泥岩、砂质泥岩、砂岩、石灰夹煤层组成，含灰岩15层（一～十五灰），其中三、五、八、十下、十四灰（即徐家庄灰岩）较稳定，是煤岩层对比的标志层；含煤15层，（4~18层煤）经勘探和采矿生产验证，6、14、16、17、18层煤为可采或局部可采煤层。

本组属海陆交互含煤沉积，与下伏本溪组整合接触，属连续沉积。

（4）二叠纪月门沟群山西组（PYS）

山西组（PYS）厚约110米，主要岩性为浅灰～深灰色砂岩，粉砂岩夹煤层组成。

含煤3层，其中2层煤是陶枣煤田范围内主要可采煤层，但在本井田范围内，大部已被冲刷缺失，只有井田西部少量2层煤，已被山家林矿开采。

与下伏太原组整合接触，过渡沉积。

（5）二叠纪石盒子组（PS）

石盒子组（PS）厚150~180米，平均170米左右。

岩性以灰白色砂岩、灰绿、杂色砂质泥岩、泥岩等为主。

中部夹一层绿灰色铝质岩（A层铝土矿），厚3.9米左右。

中上部偶见一厚0.1~0.5米的薄煤层。

本组为陆相沉积。

（6）第四纪临沂组（QL）

临沂组（QL）为含煤地层的盖层。

厚2~14米，由黄土、砂质粘土、粘土及砂、砾层组成。

含铁、锰质结核。

属第四纪冲洪积。

2）井田构造

1、井田内主要褶曲

矿区大地构造位置属于鲁西地块（II）鲁中隆起区（III）枣庄—韩庄凹陷（Ⅵ）之枣庄凹陷（Ⅴ）内。

褶皱构造：

地层走向在矿井北侧为北西～南东向，倾向南西。

在矿井南侧，地层走向渐变为北东~南西向。

倾向北西。

因而，在本矿井范围，属倾伏向斜构造，向斜轴走向近东西，且倾向西，倾角4—8°。

两翼倾角均为4—10°。

断裂构造：

该井田断裂构造不发育，在井田东北部有一洪村断层，走向52°，倾向南东，倾角70°，落差10~20米，到本井田已基本尖灭。

主副井东北有Z1号小断层，走向55°，倾向南东，倾角80°，落差3米。

井田东南部有“洪村支二断层”，走向63°，倾向南东，倾角70°落差20~50米。

井田西侧，原邹F2断层在本矿开采中未发现。

在16、17、18层煤的南侧开采边界处，有Z2号小断层，走向80°，倾向南东，倾角75°，落差2.5米。

见表3-1

表3-1断裂构造统计一览表

名称

构造产状

性质

位置

备注

走向、倾向，倾角，落差

洪村断层

NE52°∠75°H=10~20m

正断层

矿界东侧

Z1号断层

NE55°∠80°H=3m

正断层

主副井东北200m处

14层煤落差大

16层煤未发现

洪村支2断层

NE63°∠70°H=20~50m

逆断层

主副井南300m

Z2号断层

NE80°∠75°H=2.5m

正断层

16、16、18层煤的南边界处

在开采过程中，未发现断距大于3米的其他断层，地层产状单一，很少有波状起伏的褶皱。

本井田含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，本井田开采可采煤层6、14、16、17、18层煤，可采平均厚度3.2m，可采含煤系数1.8%。

矿井井田属于隐伏煤田，煤田地层全部被第四系覆盖。

近几年来开采资料表明，本井田构造是一个以井田中央为向斜轴部，向西倾伏向斜构造。

就地质构造复杂程度而言，本井田属于简单类型。

2、采区163采区，为单斜构造，走向北东70度，倾角西北倾角6-8度。

本矿开采实际揭露，本采区主要断层为采区北侧洪支二断层。

走向北东85°，倾向北西，倾向80°，落差30-50m。

北翼161采区已有1618运巷、1618下材料巷已揭露伴生断层，断层东侧原青年三矿-270米水平石门已揭露此断层，落差50m。

第三节　　煤层

一、含煤岩系及煤层

据以往地质勘探和甘霖、陶庄矿开采资料，区域含煤地层为石炭纪—二叠纪月门沟群山西组和太原组，厚度280～330m，共含煤18层，含煤系数5.5％。

山西组含煤3层，即1～3煤，其中2煤是陶枣煤田的主要可采煤层，俗称大槽煤，但在本区范围内尘灭为不可采煤层；太原组含煤15层，编号4～18煤。

其中，厚度≥0.5m的可采或局部可采煤层有5层，即6、14煤、16煤、17煤和18煤，其中6、18层煤为不稳定，局布可采。

二、可采煤层

本区域厚度≥0.5m的可采和局部可采煤层为6煤、14煤、16煤、17煤和18煤。

各可采和局部煤层厚度变化情况详见表1-3-1。

表1-3-1区域可采、局部可采煤层特征一览表

煤层名称

煤　　层

夹　　石

见煤点厚度　

可采范围平均厚度

稳定

程度

结构

间距

层数

两极厚

及岩性

最小－最大

见煤点个数

最小－最大

平均（m）

6

0.4-0.80

（0.5）

0.5

不稳定

简单

39-48

（45）

14

0.7-1.20

（0.98）

0.98

较稳定

较简单

0.05-0.1黄铁矿

泥岩

45-58

55

16

0.4-0.77

（0.55）

0.55

稳定

简单

同上

炭质砂岩

9.6-15

13

17

0.5-0.90

（0.66）

0.66

稳定

简单

分布

0.02-0.06

8-13

9

18

0.32-0.84

（0.5）

0.50

不稳定

复杂

分层夹矸为延平巷

（1）6煤层

位于含煤层上部，三层灰岩之上7.6m，下距14层煤39-48m。

顶板为泥岩，夹薄层石灰岩厚6.9-13.8m，底板为灰色中细砂岩，厚4-8m，平均7.6m。

本层为主可采煤层之一，井田内有17点穿过该层，正常见煤10点，其他因钻探技术上没要求，未计算其该层厚度。

按点计数，可采系数为54%，按面积计算可采系数81%，全层煤厚度变异系数为30%。

煤层厚度0.4-0.8m，平均0.5m，据周边陶庄矿、肖桥煤矿、泰山东矿揭露该层煤，厚度都在0.5-0.8m之间。

本煤层结构简单，属稳定-较稳定可采煤层。

（2）14煤层

俗称小槽煤，位于太原组八灰之下约1.5-3.4m，平均2.7m，上距2煤层（本区尘灭，有层位）82.98－141.86m，平均125.00m；下距九灰12m左右，距十上灰约55m左右。

区域为主要可采煤层，煤层厚度0.72-1.20m，平均0.98m；该煤层多为上下两个分层，偶见三个分层，结构复杂；下分层为主要可采煤层，夹有一层厚0.05-0.10m串珠状的黄铁矿结核，层位相当稳定，可作为14层煤的对比标志层。

顶板为黑灰色页岩及砂质泥岩，含大量植物化石和硫铁矿。

底板为黑灰色页岩及砂质泥岩，含较多的植物根部化石、少量硫化铁结核及透镜体。

局部见天然焦，岩浆岩对煤层影响不大。

（3）16煤层

位于太原组十灰之下，上距14煤45－58m，平均55m，下距17煤层9.6-15m,平均13m。

是区域主要可采煤层，厚度0.40～0.77m，平均0.52m，一般稳定在0.50～0.60m；结构简单，含一层炭质粉砂岩夹矸。

底板大多为中粒砂岩，局部直接底板为黑灰色页岩，砂岩为老底。

在163采区内全区可见，采用见煤点3个，煤层厚度0.47～0.68m，稳定在0.50－0.55m左右；属薄层稳定煤层。

矿采区断层北为本矿161采空区，采空区内该层煤厚度稳定在0.55m左右。

（4）17煤层

位于太原组十一灰之下，上距16煤层13m，下距18煤层9m左右。

区域内主要可采煤层，煤层厚度0.5～0.9m，平均0.66m。

煤层稳定，结构简单。

直接顶板为十一灰（局部相变为砂岩或砂质泥岩，偶有黑灰色页岩为顶板）。

底板为灰黑色页岩及砂质泥岩。

新采区内全区可见，采用见煤点3个，煤层厚度稳定在0.5－0.72m之间，平均厚度0.66m。

在新采区的北部略厚，厚度在0.66－0.82m，结构简单无夹石。

属薄层稳定煤层。

（5）18煤层

位于太原组底部，上距17煤层平均9m，下距十四灰（徐家庄灰岩）一般18m左右，距奥陶纪马家沟组灰岩约50m左右。

区域上为局部可采煤层，厚度0.32～0.84m，平均0.50m，有分层现象，结构复杂。

顶板为砂岩、砂质泥岩或泥岩，易冒落。

底板为粘土岩和页岩，厚2m，遇水膨胀。

第四节　水文地质

一、区域水文地质概况

陶枣煤田北部边界为北山断层，断层走向65°，倾向155°，倾角75°，断距1500－2000m，为正断层。

破碎带主要由泥岩、砂泥岩、石灰岩、断层泥等组成，遇水膨胀，具良好的隔水性；南部边界为含煤岩系露头，地下水为接受地表水及大气降水补给，矿井涌水量受降雨量的影响明显。

各主要含水层的富水性随埋藏深度的增加而逐渐减弱，含水性受岩溶裂隙发育程度影响明显。

陶枣煤田有一百多年的开采历史，区域内古井、老窑密布，矿井开采受老窿积水威胁。

区域含水层大部分为厚度不大的第四系松散层所覆盖，降雨及地表水渗透补给各基岩含水层，通过风化裂隙或构造裂隙各含水层间水力联系。

奥陶系灰岩从南山至煤田边缘面积约230km2，接受大气降水、地表水的补给量最大，在煤田边缘以乘压水形式通过第四纪地层补给其他含水层的风化带，但第四系除局部砂层透水性好、补给条件佳外，一般为粘土及砂质粘土，透水性弱，补给速度慢，故区内含水层一般静储量大而动储量小，从几个矿井对第三、八层石灰岩防水可看出，初期水量很大，但随时间延长水量减弱的趋势明显，以静储量为主。

二、井田水文地质条件

1、概况

各含水层在浅部裂隙岩溶较发育，与地表水、大气降水联系密切，富水性较强，但随埋深增加，其富水性减弱。

本井田矿井充水水源主要为大气降水、地表水、地下潜水、老窿水等，通过含水岩层露头、风化裂隙带、灰岩溶隙及未封闭、封闭不良钻孔、采空冒落裂隙等不同通道进入矿井，造成矿井充水。

北部边界断层北山断层为阻水断层，井田及其附近区域断层由于NNE向新华夏系扭动影响和多次构造活动，多具扭性和张扭性，总的来说断层导水性较差。

2、主要含水层

泰山井田主要含水层有：

第四系冲积层、二叠纪石盒子组奎山砂岩、太原组灰岩、奥陶系灰岩，对矿井有影响的：

第四系松散层、第三层灰岩、第五层灰岩、第八层灰岩、第十层灰岩、第十四层灰岩、中奥陶世灰岩。

（1）第四系砂质含水层

井田内第四系为河湖相沉积，厚度1-16m。

平均9m，假整合于基岩之上，该层以黄褐粘土、砂质粘土及下部砂层组成，组织松散，透水性强，直接受大气降水补给，富水性不均一。

抽水试验最大单位涌水量1.732L/S.m，水质类型多为重碳酸盐型。

（2）第三层石灰岩

厚6.2-16m，平均约9m，致密坚硬、质纯，含隧石，裂隙溶洞发育，裂隙率9.6%，富水性在浅部较强，随埋深增加而减弱，含水性取决于埋藏深度及裂隙岩溶的发育程度。

在裂隙带、破碎带、断层交叉部位及断层影响带，地下水溶蚀作用强烈，利于地下水活动，含水丰富。

抽水试验资料，单位涌水量0.005-1.79L/s·m，渗透系数0.095-24.74m/d。

水质类型为HCO3-Ca·Mg，PH值7.1-7.3，含水类型为孔隙裂隙水。

（3）第五层石灰岩

厚2-3m,平均约2.3m,质纯致密，密易赋存隙岩溶水，但含水量较三灰弱，充水含水层为裂隙岩乘压水类型，单位涌水量0.61L/s.m，渗透系数0.026m/d。

该层不是矿井的直接充水含水层，对矿井充水影响微弱。

（4）第八层石灰岩

厚2.6-5m，平均约3m，是14煤层的老顶，为矿井的直接充水含水层。

在浅部含水较丰富，东黄贝风井浅部揭露此层灰岩见溶洞最大直径达0.8m，-70m见溶洞直径不超过0.4m，-110m以下溶洞渐少，裂隙增多。

表明主要以静储量为主。

据邻区抽水资料,单位涌水量0.12L/s·m，浅层部位裂隙岩溶发育，并与地表水有密切水力联系，其蓄水性随埋深的增加而减弱。

本层含水类型为裂隙岩溶乘压水，浅部水质属HCO3-Ca.Mg型。

（5）第十八层石灰岩

厚4-7m，平均一般约5.6m，是16煤层的顶板，致密质纯，为矿井直接充水含水层。

据浅部水文资料和矿井揭露资料分析，含水较丰富。

黄贝井实测涌水量表明其富水性随埋深增加而减弱，48开孔61m处9=0.68L/s·m，涌水量0.337m3/min，-200m涌以下，第16、20孔9=0.002L/s·m。

本层含水类型为裂隙岩溶乘压水。

（6）第十四层石灰岩

厚9-26m，平均10m，灰白色，致密，此层含水较其它含水层弱，含水类型属裂隙岩溶乘压水。

本含水层距煤系最下18煤层仅18m左右，为本矿重要含水层。

（7）中奥陶世马家沟组石灰岩

厚约800m，是井田基底含水层。

一般赋存较浅时富水性强，深部裂隙不发育富水性较差。

含水类型为裂隙岩溶乘压水。

上距煤系最下部的18煤层约50m。

虽然在矿区内埋藏较深，径流和富水性差，但当受构造因素影响，使奥灰与煤系地层间距变小或对口接触时，会使矿井的水文地质条件复杂化。

太原组含水层厚度与本组厚度比为0.1，组内各含水层因岩性、厚度、埋深及裂隙岩溶发育程度不同而富水性各异。

其共同规律：

浅部岩溶裂隙发育，含水丰富，达到一定深度时（补给水平）随着埋藏深度的增加其富水性逐渐减弱。

在井田及附近区域，断层交叉部位、破碎带、构造裂隙带、强含水层间一般均有泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、粘土岩等隔水层和弱隔水层相隔，在正常情况下不会发生水力联系。

各含水层与主要可采煤层的距离见表1-4-1。

含水层与主要可采煤层间距表

含水层

名称

奎山砂岩

6煤

三灰

14煤

16煤

18下煤

14灰

奥灰

间距（m）

140～280

7.6

37

55

22

18

50

3、断层导水性

（1）洪支二断层

从邻区和井巷揭露洪支二断层属压扭性断层，走向，倾向有少量变化，但不透水。

4、水文地质类型

根据以上井田水文地质条件，按矿井水文地质规定分类标准，综合确定本井田的水文地质类型为中等类型。

第五节防水煤柱的 计算

根据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水规定》及《做好------矿井防隔水煤柱专项设计----通知要求》，我矿在认真总结建矿以来矿井水实际状况的基础上，结合周边矿井的开采、水文资料、及我矿断层、构造类型，认为：

最深部矿井边界保护煤柱、断层保护煤柱、14层采空区开采16层煤的安全高度煤柱应认真做好专项设计。

具体如下。

一、设计依据

1、泰山煤矿采掘工程平面图，1:

2000

2、煤矿安全规程

3、煤矿防治水规定

4、泰山煤矿底层、水文地质综合柱状图

二、矿井煤柱设计实际参数

1、矿井最低开采深度H=430m;

2、16层煤厚度m=0.67m；

3、14层煤距16层煤的层间距h=55m；

4、洪村支2断层：

5、矿井西邻的山家林煤矿最高水位线为-150m；

三、矿井边界隔水煤柱、设计计算

分析周边矿煤层、地质及开采情况，唯有矿井西部边界与山家林矿的隔水煤柱是矿井隔水煤柱的重点，（理由：

山家林矿积水水位线高在-150m），为此选定16层煤矿井边界防隔水煤柱。

采用公式：

L=0.5KM=0.5×5×0.67=3.159m

式中：

L-煤柱留设的宽度m

K-安全系数，取5

M-煤层厚度（取采高0.67m）

P-水头压力，根据出界（临矿）实际

16层煤最高点标高为-287m最低点标高-430m

最大水头标高为-157m

最大水头压力=最大水头标高-煤层最低点标高

=-157-（-440）=283m=2.81MP按采矿手册中：

公式

L=0.5km（3P/KP）=0.5×5×0.67×3×2.81/2.37=5.96m

 矿井实际留设安全隔离煤柱为20m，满足安全规程要求。

 四、洪村支2隔水煤柱计算

采用公式：

L=0.5KM=0.5×5×0.67=3.159m

式中：

L-煤柱留设的宽度m

K-安全系数，取5

M-煤层厚度（取采高0.67m）

Kg-煤的抗拉强度，取2.37Mpa

矿井实际留设安全隔离煤柱为20m，满足安全规程要求。

五、14层采空积水区下开采

16层煤的安全高度计算

根据《建筑物、水体、铁路三下开采地面保护规程》、《煤矿防治水规定》及枣陶地区14、16层煤开采、岩（煤）层变形规定，用“三带”设计计算，16层煤开采的安全高度，14层煤田采后，底板松动为12m/实。

1、垮落带高度计

采用公式：

或

2、裂隙带计算:

hL:

采用公式：

或

取最大值hL=19.9m

3、14层煤底板变形带hR=12m

上述三带之和：

即为16层煤的安全开采高度han

即：

han=hk+hL+hB

=5.22m+19.9+12=37.12m

实际14层煤与16层煤的层间距为55m

即55m＞37.12m 

设计演算证明开采14层煤积水压下的16层煤是安全的。

综合上述专题设计计算。

泰山煤矿现留的矿井保护煤柱均为20m，断层煤柱是20m,是安全的。

14层煤距16层煤的层间距为55m，层间距大于安全深度，是安全的。