带压开采安全技术措施

登封市XX煤业带压开采

安全技术措施

登封市XX煤业有限公司

二0一二年三月

一、矿井及井田基本概况

XX煤业有限公司为2005年资源整合的矿井，是由原登封市宣化镇岳爻煤矿、岳窑联营煤矿、富民煤矿和登封市大龙山～禹州市桃园勘探区进行整合而成。该矿井设计生产能力21万吨╱年，现今实际生产能力21万吨╱年，主要开采二1煤层，现在开采+5m水平。

矿井开拓方式为斜井片盘开拓，采用走向长壁炮采放顶煤采煤法，一次采全高，全部陷落法管理顶板，中央并列式机械通风。主斜井井口地面标高+317.10m，皮带运输，作为提煤、进风和安全出口；斜风井井口地面标高+317.10m，担负升降人员、回风兼安全出口。

二、矿井水文地质

5.1井田边界及其水力性质

井田四周边界主要有南部的郭寨正断层、西部张毛坡正断层、白沙水库及人为边界。

郭寨正断层，为井田南部边界隐伏断层，落差150～250m，断层走向近E～W，倾向S，倾角70°。该断层使井田内二1煤层与对盘二叠系下石盒子组砂泥岩地层对接，视为矿区南部相对阻水的自然边界。

张毛坡正断层，为井田西部边界断层，正断层，走向NW～SE，倾向NE，倾角70°，落差100m左右，对七2煤层有影响。白沙水库

紧邻矿区西界，有可能通过断裂构造对矿区内各个含水层进行补给。故井田西部边界视为补水边界。

井田北部、东部均为人为边界，对含水层之间的水力联系无大的影响。

5.2含水层

井田内地层有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。地下水类型可分为岩溶裂隙水、碎屑岩裂隙水和孔隙水三类，主要有9个含水层组，由新到老分述如下：

⑴第四系松散层孔隙潜水含水层

仅在北部颖河一级阶地（河漫滩）下部砂、卵石层中含丰富地下潜水。含水层的厚度、水位埋深及其富水性差别较大，其水源主要以大气降水为主，其水位、水量动态不稳，具有明显的季节性变化特征。对开采其下部浅埋煤层有一定影响。

⑵三叠系刘家沟组砂岩孔隙裂隙承压水含水层

为碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层，主要指金斗山砂岩，岩性为紫红色、暗紫色中粒石英砂岩，其层位稳定，中厚层状，井田内有出露，该层储水条件差，含水性弱，且不均一。

⑶二叠系石千峰组砂岩孔隙裂隙承压水含水层

为碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层，主要指平顶山砂岩，其层位稳定，分布广泛，岩性主要为粗、中粒长石石英砂岩，厚—巨厚层状，孔隙裂隙及小溶洞发育。该含水层富水性中等且较均匀，具有一定的供水意义，因距下部煤层较远，对采煤影响不大。

⑷二叠系上统上石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水含水层

为碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层，主要由中、粗粒砂岩组成，其中七煤组底部田家沟砂岩比较稳定，厚度2.22～8.60m，平均5.73m。区外东南的2592孔，见该层位漏水，漏水深度352.69m，漏水标高-113.38m，近似稳定水位深度14.20m，近似稳定水位标高+225.11m，漏失量2.40m3/h。该含水层与下部含水层水力联系较弱，一般富水性较差。

⑸二叠系下统下石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水含水层

为碎屑岩孔隙裂隙承压水含水层，由下石盒子组粗～细粒砂岩组成，中隔泥岩、砂质泥岩，是一些互不发生联系的含水层。其中各煤组底部的砂岩较稳定，特别是三煤组底部砂锅窰砂岩发育较好，层位稳定，厚度2.07～17.85m，平均8.85m，其余常在短距离内尖灭或相变。该含水层补给条件差，一般富水性较差，与下部含水层水力联系较弱。

⑹二叠系下统山西组砂岩孔隙裂隙承压水含水层

位于二1煤层之上，一般由2～3层中、粗粒砂岩组成，以大占砂岩和香炭砂岩为主，层位较稳定，区内无涌、漏水钻孔，在区外东部的2591孔漏水，漏水深度83.32m，漏水标高+154.05m，近似稳定水位深度7.15m，近似稳定水位标高+230.22m，漏失量4.80m3/h，据普查区CK2孔抽水试验资料，单位涌水量0.0151l/s.m，渗透系数0.0273m/d，静止水位深度7.86m，静止水位标高+248.76m，地下水化学类型为HCO3～K+Na型，该含水层为孔隙裂隙承压水，是二1煤层

顶板直接充水含水层，对二1煤层有直接影响。其导水性、富水性较差，多以顶板淋水为主，一般不会威胁二1煤层的开采，但雨季或遇到破碎带时水量会增大。

⑺石炭系太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水含水层

由L7～L8石灰岩组成，平均厚度9.07m，其中L7石灰岩较发育，分布广泛。据钻孔资料统计，L7石灰岩厚度2.70～9.96m，平均厚度6.76m，为岩溶裂隙承压水。本区该含水层段无钻孔漏水，北部区外的2501孔在该段有两层灰岩漏水：①漏水深度201.42m，漏水标高49.03m，近似稳定水位深度23.50m，近似稳定水位标高+226.95m，无漏失量资料。②漏水深度211.58m，漏水标高+38.87m，近似稳定水位深度22.72m，近似稳定水位标高+227.73m，无漏失量资料。据区内2565孔L7～L8层段抽水成果：静止水位标高+208.20m，单位涌水量0.0029l/s.m，渗透系数0.02516m/d，属小水量、高压力含水层。

由于该含水层段具有富水不均的特点，在岩溶和裂隙发育地段或断层带附近，水量容易富集，水量大，而且距二1煤层很近，是二

1

煤层底板直接充水含水层，对二1煤层开采有直接影响，在生产过程中应引起高度重视。

⑻石炭系太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水含水层

由L1～L4石灰岩组成，其中L1和L4灰岩相对稳定，该含水层为岩溶裂隙承压水，导水性和富水性强，但不均一，本区有5孔揭露，钻孔简易水文地质观测结果：仅2563孔漏水，漏水深度646.19m，漏水标高-416.61m，为石灰岩岩溶裂隙水，近似稳定水位深度9.00m，

近似稳定水位标高+220.58m，无漏失量资料（见表5-1）。据普查区ZK8404孔放水资料，单位涌水量5.25l/s.m，渗透系数0.295m/d，静止水头高度+1.00m，水位标高267.80m，该含水层在断层带处其岩溶裂隙水可能会沿断层上涌。对二1煤层开采具有较大威胁。

太原组灰岩岩溶裂隙承压水含水层漏水钻孔统计表

表5-1

⑼寒武、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水层

岩性为灰白色白云质灰岩、白云岩，裂隙多被方解石充填。钻孔简易水文地质观测结果，未见涌、漏水钻孔，据邻区钻孔抽水试验资料，水位标高+206.06m，渗透系数0.00782m/d，单位涌水量0.00304l/s·m，水质化学类型为HCO3～Ca和HCO3～Ca·Mg型。该含水层在局部地段岩溶、裂隙较发育，富水性强，在较大落差的断层影响下，对二1煤层开采具有较大潜在威胁。

5.3隔水层

井田内主要隔水层由新到老为二叠系砂岩含水层之间的层间隔水层、二1煤层底板细碎屑岩隔水层、石炭系太原组中段砂泥岩隔水层、石炭系本溪组铝土质泥岩隔水层。

⑴二叠系砂岩含水层之间的层间隔水层

二叠系砂岩含水层之间，均分布有厚度不等的泥岩、砂质泥岩等泥质岩层，其岩性比较致密，不透水，阻隔了各含水层之间的水力联系，起到了层间隔水作用。

⑵二1煤层底板细碎屑岩隔水层

指二1煤层底板至太原组上段灰岩顶界之界的岩层，岩性主要由深灰色砂质泥岩、炭质泥岩等组成，为二1煤层直接底板隔水层。厚4.02～11.56m，平均6.71m。由于底板有效隔水层厚度很小，在采动过程中易发生隔水层破坏现象，隔水性能较差。特别是遇厚度较薄地段或受构造破坏地段，隔水能力将会大大降低，甚至起不到隔水作用。二

1

煤层局部地方和下部奥陶系灰岩含水层之间仅有几米厚的隔水

层，生产中应加以注意。

⑶石炭系太原组中段砂泥岩隔水层

指L4灰岩顶界至L7灰岩底界间的碎屑岩段，主要由泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成，除2553孔厚度仅有3.13m较薄之外，多数厚度在6～31m之间，层位稳定，裂隙不发育，透水性差。正常情况下，能起到良好的隔水作用，可阻隔太原组上、下段灰岩含水层之间的水力联系。

⑷石炭系本溪组铝土质泥岩隔水层。

由本溪组铝土质泥岩组成，沉积连续，层位稳定，平均厚度5.55m，岩石致密，裂隙不发育，正常情况下可阻隔寒武系、奥陶系灰岩含水层和太原组下段灰岩含水层的水力联系，但遇厚度较薄或构

造破坏地段，隔水能力将会降低或失去隔水作用。

5.4断层水文地质特征

区域主体构造为白沙向斜，轴向北西，区内主要发育两期断裂构造（走向断裂、斜交断裂）及两个主要滑动构造，构造条件中等。为地下水的储存，运移创造了条件，同时也使部分含水层之间发生了水力联系。由于受断裂构造的影响，使原本完整连续的岩层变成了互不连续的阶梯式的断块，导致了地层的重新组合，甚至局部导致奥陶系马家沟组灰岩含水层与主要可采煤层（二1煤层）对接，使该含水层中的地下水直接补给煤层，据对区外生产矿井调查，在生产矿井中其突水原因多系断层勾通二1煤层或下伏间接充水含水层中的地下水所致。本井田内影响二1煤层的断层主要有郭寨断层、郭寨支断层、张庄正断层、钟家楼正断层、岳F1正断层及桃园断层，其水文地质特征见表5-2。

影响二1煤层断层水文地质特征一览表

5.5矿井充水条件

5.5.1充水水源

5.5.1.1大气降水、地表水

本区大气降水多集中在每年7～9月份，大气降水在煤层埋深较浅地段通过不同成因的基岩裂隙及松散堆积物空隙在裂隙沟通的情况下进入矿坑，成为矿坑充水的间接但重要的补充来源。

矿区西部的颖河，属淮河水系，发源于玉寨山南麓，向东南流入白沙水库，经由矿区南缘，注入淮河，河水流量受大气降雨控制。颖河最大洪峰流量为1020m3/s（1970年7月31日），属季节性河流。因本区较厚的隔水层存在，地表水排泄条件较好，不易进入矿床。

白沙水库位于矿区西部，紧邻矿区西界，是本区乃至区域上最大的地表水体，总库容为2.95×108m3，正常蓄水位高程为+221m，最高回水位高程为+225.90m，是本区开采二1煤层等的最大隐患。据分析，库水对矿床充水的可能途径有两条：其一，由于采动的影响导致库水渗漏或库水直接渗漏而对矿床大量充水；其二，库水通过断裂构造等对矿床直接充水或通过断层与二1煤层顶、底板直接充水含水层发生水力联系而间接对矿床充水。目前尚不清楚其有无渗漏情况，所以西部靠近其开采时应特别慎重，防止水库水进入矿床而造成淹井事故。

5.5.1.2地下水

⑴第四系松散层潜水

本区为低山丘陵区，地面坡度较大，冲沟发育，第四系地层沉

积较薄，底部的黄土夹砾石为其含水层，发育不连续，稳定性差，富水性不均一，但导水性较好，是大气降水下渗充入二1煤矿坑的中介含水层和导水通道之一，故在浅部应积极做好地面防、排水工作。

⑵二叠系砂岩裂隙水

为碎屑岩孔隙裂隙承压含水层水，包括石千峰组砂岩孔隙裂隙承压水含水层、上石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水含水层、下石盒子组砂岩孔隙裂隙承压水、山西组砂岩孔隙裂隙承压水。在二1煤层回采落顶产生的导水裂缝带中的含水层水，都会向矿井充水，是矿坑顶板直接充水水源。在矿井生产中，多以渗水、淋水形式向矿坑充水，水量较小，生产中易于疏排。

⑶石炭系太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水

二1煤层底板直接充水水源，其含水层由L7～L9三层灰岩组成，其中L7和L8两层灰岩较发育，岩石裂隙及导、突水性极不均一。因二1煤层底板隔水层厚度很小，平均厚6.71m，在采动过程中易发生隔水层破坏而发生底板突水。特别是在断裂构造作用下，使其与下部强含水层产生水力联系时，突水性则会相应增加，是二1煤层开采过程中的主要底板突水水源，要做好防治水工作。

⑷石炭系太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水

二1煤层底板间接充水水源，其含水层由L1～L4灰岩组成，含水性及透水性较好。其间夹有太原组中段碎屑岩隔水层，正常情况下该含水层水不能进入二1煤层矿床，但如果遇到断层等构造时，往往是与下部寒武系、奥陶系灰岩水同时经L7-8灰岩含水层突入矿井，造成

严重的水害事故。

⑸寒武系、奥陶系石灰岩岩溶裂隙承压水

二1煤层底板主要突水水源，其含水层为井田内灰岩岩溶裂隙承压强含水层，岩溶裂隙发育，补给径流条件好，富水性强、水量大、水压高。伴随着开采深度的增加，二1煤层采过之后，降低了底板岩层的抗压强度，寒武系、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水往往通过底板裂隙突入采空区，对矿井生产产生一定威胁。特别是在岩溶发育带、隔水层薄和受构造破坏的地段，寒武系、奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水将连通上部灰岩含水层充入矿井，威胁矿井正常生产。 5.5.1.3老窑、老空水

本区北部二1煤层露头附近老窑甚多，开采历史悠久，现大部分老窑已废弃。由于老窑顶板长时间淋水和底板渗水，推测其废弃井巷内会积存一定量的老窑、老空水。老空水对矿井充水具有很大的随机性，其充水的可能性与危害取决于井下防治水工作的效果。老窑水水量集中，水势较猛，因此对老窑水要引起高度重视，必须加强掘进的探防水工作，留足煤柱，防止老窑水进入生产矿井。 5.5.1.4塌陷区积水

区内老窑及小煤矿较多，对煤层顶板破坏较严重，浅部老窑及生产矿井废弃井巷冒落塌陷形成断裂破碎带，并在地表形成沉陷凹地和地裂缝，在雨季则因洪水汇集而积水，再通过导水裂缝带、地裂缝向矿坑充水，故在地表沉陷区应及时回填塌陷凹地和地裂缝，开挖疏排洪渠道或其它防、排水基础设施，以避免发生洪水倒灌造成淹井等

事故。 5.5.2充水通道

⑴断裂构造带

发育于煤层顶、底板岩层中天然构造裂隙是地下水运移和赋存空间，也是造成煤层开采突水的导水通道，一旦巷道掘进或工作面回采过程中遇到该类导水裂隙就会造成矿井出水。

区域主体构造为白沙向斜，轴向北西，区内主要发育两期断裂构造（走向断裂、斜交断裂）及两个主要滑动构造。矿区内对二1煤层影响较大的断层主要有郭寨支断层、张庄正断层、钟家楼正断层、岳F1正断层及桃园断层。由于受断裂构造的影响，使原本完整连续的岩层变成了互不连续的阶梯式的断块，导致了地层的重新组合，局部导致寒武系、奥陶系灰岩含水层与二1煤层对接，使该含水层中的地下水直接补给煤层，据对区外生产矿井调查，在生产矿井中其突水原因多系断层沟通二1煤层下伏间接充水含水层中的地下水所致。

另外区内其它断层还有十几条，由于断层破坏了地层的连续性，使煤层上下各含水层间产生了一定的水力联系，是地下水、大气降水和地表水向矿坑充水的主要通道，采掘中有突水危险。故生产中当井巷采掘工程接近断层时，均应打超前探、放水钻，并留设足够的防水保安煤柱，以避免遇断裂突水淹井。

⑵导水裂隙带

工作面回采后产生的顶板岩层导水裂隙带会直接导通顶板含水层水、老窑水和地表水，是矿井突水的主要导水通道之一。若导水裂

隙带高度达到水体（或富含水层）时，则会引起矿井涌水量急剧增加。其导水裂隙带高度采用国家安全生产监督管理总局发布的《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》（MT/T1091-2008）中的公式进行计算。

井田内煤层倾角较缓，二1煤层顶板主要为砂质泥岩，导水裂隙带高度计算公式为：

H式中：

Hf—导水裂隙带高度m；

M—煤层累计采厚m，取井田内钻孔揭露煤层平均厚度2.69m； n—煤分层层数；

按上式计算，全井田二1煤层一次采全高开采时，产生的导水裂隙带高度为42.99m。

综合分析，二1煤层赋存标高+290m～-660m，埋深10～865m。 二1煤层埋藏较浅地段，开采时产生的导水裂隙带，有可能导通第四系松散层含水层及地表水体，可能成为二1煤层的直接充水含水层，大气降水也会沿导水裂隙带直接进入矿井，而使矿井涌水量增大。在矿井生产中，应加强顶板管理，采用充填法充填采空区，可以减轻围岩的破坏，减小对矿井涌水量的影响。

⑶底板岩层破坏突水

煤层底板以下含水层中，赋存的地下水是具有一定压力水头的承压水。由于采掘工作破坏了岩层的天然受力状态，一定条件下底板水

f

=

100M3.3n+3.8

+5.1

在水压和矿山压力作用下突破底板进入矿井，造成矿井突水。

本区现采二1煤层底板标高在+290m～-660m之间，该煤层底板直接充水含水层为太原组上段L7-8灰岩，间接充水含水层为太原组下段L1-4灰岩水和奥陶系灰岩水。据区内2565孔抽水试验资料L7-8灰岩水静止水位标高+208.20m，普查区ZK8404孔放水资料L1-4灰岩水静止水位标高+267.80m。故开采二1煤层，大部分地段为带压开采。带压开采是个复杂的问题，影响的因素较多，本次采用突水系数法进行评价。采用《煤矿防治水规定》〔国家安全生产总局监督管理总局（第28号）〕附录四中的公式，计算奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙承压水突水系数。其公式为：

T=

PM

式中T—突水系数，MPa/m；

p—隔水层承受的水压，MPa/m；

M—底板隔水层厚度，（取区内二1煤层底板以下各隔水层的平均厚度）。

根据煤矿防治水规定，煤层底板受构造破坏块段突水系数临界值取0.06MPa/m，正常块段突水系数临界值取0.1 MPa/m，本次确定以下带压开采分区标准：

T＜0.06 相对安全区 0.06≤T＜0.1 临界区 T≥0.1 危险区

二1煤层安全开采标高计算表

表5-3

水位 标高 （m） +208.20

隔水层 隔水层底板厚度 距二1煤层（m） 底板距离 6.71

6.71

隔水层承受的

水压临界值（MPa） 构造破坏块段 0.4026

正常 块段 0.671

二1煤层安全开采 标高临界值（m） 构造破 坏块段 +173.83

正常 块段 +146.44

含水层

L7-8灰岩

L1-4灰岩及奥

+267.80

陶系灰岩

29.75

38.82

1.785

2.975

+124.48

+3.05

对于L7-8灰岩水，当突水系数取0.06 MPa/m，反算得出隔水层承受的其水压（P）为0.4026MPa，煤层底板标高为+173.83m；当突水系数取0.1 MPa/m，反算得出隔水层承受的其水压（P）为0.671MPa，煤层底板标高为+146.44m，见表5-3。

对于L1-4灰岩及奥陶系灰岩水，当突水系数取0.06 MPa/m，反算得出隔水层承受的其水压（P）为1.7850MPa，煤层底板标高为+124.48m；当突水系数取0.1 MPa/m，反算得出隔水层承受的其水压（P）为2.9750MPa，煤层底板标高为+3.05m，见表5-3。

故当本区二1煤层开采标高在+173.83m以上时，突水系数均小于0.06 MPa/m ，属相对安全区；二

1

煤层开采标高在+146.44m～

+173.83m之间时，L7-8灰岩水突水系数大于0.06 MPa/m，而小于0.1 MPa/m，属临界区，构造破坏块段发生L7-8灰岩水突水的可能性较大，构造不发育块段仍是相对安全的；二

1

煤层开采标高在+124.48m～

+146.44m之间时，L7-8灰岩水突水系数大于0.1 MPa/m，L1-4灰岩及奥陶系灰岩水突水系小于0.06MPa/m，属危险区，发生L7-8灰岩水突水

的可能性极大；二1煤层开采标高在+3.05m～+124.48m之间时，L7-8灰岩水突水系数大于0.10 MPa/m ，L1-4灰岩及奥灰系灰岩水突水系数大于0.06 MPa/m，而小于0.1 MPa/m，L7-8灰岩水突水可能性极大并且在构造破坏地段还会存在L1-4灰岩及奥陶系灰岩水突水的可能；二

1

煤层开采标高在+3.05m以下时，L7-8灰岩水突水系数和L1-4灰岩及奥

灰系灰岩水突水系数均大于0.1 MPa/m，属危险区，L7-8灰岩水和L1-4灰岩及奥灰系灰岩水突水可能性极大，L1-4灰岩及奥陶系灰岩水往往会经L7-8灰岩含水层突入矿井，造成水害事故（见表5-4）。

二1煤层突水性评价表

表5-4 开采标高 +173.83m以上 +146.44m～+173.83m +124.48m～+146.44m +3.05m～+124.48m

突水系数MPa/m

L1-4灰岩及奥陶

L7-8灰岩水

系灰岩水

小于0.06 小于0.06 大于0.06，小于0.1

大于0.1

小于0.06

突水性

相对安全

构造破坏块段发生L7-8灰岩水突水的可能性较大，构造不发育块段仍是相对安全的

发生L7-8灰岩水突水的可能性极大

小于0.06

大于0.1

L7-8灰岩水突水的可能性极大并且在

大于0.06，小于

构造破坏地段还会存在L1-4灰岩及奥

0.1

陶系灰岩水突水的可能

大于0.1

L7-8灰岩水、L1-4灰岩及奥陶系灰岩水突水的可能性极大

+3.05m以下 大于0.1

本次评价所用突水系数临界值只是全国实际资料的综合数据，不一定适合本矿区，另外本次评价所用L7-8灰岩水和L1-4灰岩水水位标高时间较久，与现在井田内实际情况会有一定误差，本次计算的数值