浅部煤层露头防水煤柱计算
露头区域防水煤（岩）柱设计研究
露头区域防水煤（岩）柱设计研究摘要：矿井水害是煤矿生产中非常典型的安全事故之一,矿井防治水工作对维持矿井生产作业正常进行的意义显著。
当前,矿井防治水可采取的方法与手段众多,防水煤柱的应用范围尤为广泛。
红阳二矿结合实际合理计算红阳二矿西一采区三煤层开采对顶板岩层产生的影响，合理确定防水煤（岩）柱尺寸，保证矿井安全高效开采煤炭资源；准确评估上覆含水岩层对三煤层开采的影响，有效防治矿井水害发生，进而最大限度地充分利用有限的煤炭资源。
关键词：煤矿；煤柱留设；节约资源；矿井早期根据生产实际需要，优先开采了7煤层以下的煤炭资源，但随着开采工作的不断持续，可采资源紧缺问题也日益凸显出来。
根据储量核实报告数据，三煤层资源量为13630千吨，占全矿保有资源量的17%。
解决三煤采出问题对于提高煤炭回收率，充分利用矿产资源具有重要意义。
因此，对红阳二矿西一采区三煤开采是必要的。
1红阳二矿西一采区概况西一采区三煤位于红阳二矿西翼-550水平。
北起煤层露头线（三煤），南至F19断层，西至井田边界线，东至F19断层保护煤柱线。
采区上界至煤层露头，下界至三煤-700米；南北平均长3.5km，东西平均宽0.9km，面积3.15km2。
北沙河从井田上方通过，流经矿区9公里。
该河终年流水，但流量随季节变化较大。
由于红阳二矿井田处于北沙河下游，河道弯曲，治理较差，每到汛期河水猛涨，历史矿井最高洪水位32.40m，对矿井安全有一定威胁。
西一采区地层由第四系、侏罗系、二迭系、石炭系、奥陶系地层组成。
本区含煤地层为山西组和太原组，地层平均总厚度约228.40m，共含煤14层，其中山西组含煤7层，由上而下层号是1～7号；太原组含煤7层，由上而下层号是8～14号。
煤层平均总厚度为9.40m,含煤系数为4.12%。
2采区涌水量预计采区的涌水量主要来源于岩层裂隙水、断层水，和工业用水。
分析多年的生产中有较系统的水文观测资料，选用比拟富水系数法来预计涌水量。
防水煤(岩)柱常用计算公式
防水煤（岩）柱常用计算公式
1、对于煤层厚度小于3.5m，倾角小于30°，可按下列经验公式计算：d=5m+0.05H+0.002L 式中：d—防水煤柱宽度（m）， m—煤层厚度（m）， H—开采深度（m），L—由最近的井筒到需设防水煤柱之间的距离（m）如上式计算结果小于20m，要用20m，大于20m则用计算数，防水煤柱未经上级主管部门批准，不允许损坏。
2、井下一些区段受水威胁时，也常用煤柱给予隔离，其计算公式为：
L=0.5km√3P/kp 式中：L—煤柱留设宽度（m），k—安全系数（一般取2～5），m—煤层采高（m），P—作用在煤上的压力（MPa），kp—煤的抗张强度（MPa）、软煤3～5（MPa）、硬煤17～40（MPa）
3、多煤层矿井，倾角小，上煤层已开采且积有老空水，下煤层开采时就需计算上下煤层之间岩层能否构成安全隔水层厚，其计算公式为：h=nB√[（kp×b×L×m）/r¹cosα+H×m/（kp+ r¹m）]
式中：h—矿山压力和静水压力对隔水层的破坏深度（m），n—待定系数（一般采用1.5～1.6，集中压力段采用1.8），B—采空冒落体的体积常数，kp—底板岩石平均抗张强度（T/m²），b—第一次来压的控顶距（m），m—煤层开采厚度（m），r¹—隔水层岩石平均容重（T/m³），α—煤层倾角，H—工作面底板含水层静水压力（水柱高m）
探水超前距和帮距经验值（参考数）。
最全的煤矿防治水计算公式汇总，工作学习起来soeasy！
最全的煤矿防治水计算公式汇总，工作学习起来soeasy！含水层富水性的等级标准计算：按钻孔单位涌水量（q），含水层富水性[注]分为以下4级：1.弱富水性：q≤0.1 L/(s·m)；2.中等富水性：0.1 L/(s·m)＜q≤1.0 L/(s·m)；3.强富水性：1.0 L/(s·m)＜q≤5.0 L/(s·m)；4.极强富水性：q＞5.0 L/(s·m)。
注：评价含水层的富水性，钻孔单位涌水量以口径91 mm、抽水水位降深10 m为准；若口径、降深与上述不符时，应当进行换算后再比较富水性。
换算方法：先根据抽水时涌水量Q和降深S的数据，用最小二乘法或图解法确定曲线，根据Q-S曲线确定降深10 m时抽水孔的涌水量，再用下面的公式计算孔径为91 mm时的涌水量，最后除以10 m便是单位涌水量。
防隔水煤（岩）柱的尺寸要求：一、煤层露头防隔水煤(岩)柱的留设煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按下列公式计算：1.煤层露头无覆盖或被黏土类微透水松散层覆盖时：H f= H k H b2.煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时（图3-1）：H f=H L H b式中 Hf--防隔水煤（岩）柱高度，m；Hk--采后垮落带高度，m；HL--导水裂缝带最大高度，m；Hb--保护层厚度，m；α--煤层倾角，（°）。
根据式(3-1)、式(3-2)计算的值，不得小于20 m。
式中Hk、HL的计算，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。
二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设（图3-2）可参照下列经验公式计算：三、煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（图3-3），防隔水煤（岩）柱的留设要求如下：本矿区如无实际突水系数，可参考其他矿区资料，但选用时应当综合考虑隔水层的岩性、物理力学性质、巷道跨度或工作面的空顶距、采煤方法和顶板控制方法等一系列因素。
峰峰矿区煤层开采防水煤柱计算留设方法
峰峰矿区煤层开采防隔水煤（岩）柱计算留设方法冀中能源峰峰集团科技发展部关永强前言安全技术措施是指运用工程技术手段消除物的不安全因素，实现生产工艺和机械设备等生产条件本质安全的措施。
防止事故发生的安全技术措施是指为了防止事故发生，采取的约束、限制能量或危险物质，防止其意外释放的安全技术措施。
常用的防止事故发生的安全技术措施有：①消除危险源。
②限制能量或危险物质。
③隔离。
④故障——安全设计。
⑤减少故障和失误。
留设防隔水煤（岩）柱是目前最经济、最安全、效果最好、操作最简单、最常用的一种防治水安全技术措施，留好防隔水煤（岩）柱对保障矿井安全具有十分重要的意义，由于对防水煤柱的留设认识不足和管理不到位等多种原因导致的水害事故，是有着深刻的教训的，这里举2个峰峰集团的例子。
事例一：一矿奥灰突水淹井及损失情况：1960年6月4日一矿1532野青工作面，因接近断层，防水煤柱留设不足，加之采掘破坏，导致断层下盘奥灰强含水层突出，突水量达150m3/min，致使一矿淹井，造成停产9年零5个月，仅堵排水费用高达1660.22万元，损失极为严重。
事例二：孙庄矿奥灰突水淹井及损失情况：1996年11月24日23时40分，因峰峰矿区界城镇北界城小煤矿非法越层越界开采孙庄矿井田边界F6断层防水煤柱，引发断层下盘奥灰强含水层突出，突水量达150m3/min，造成孙庄矿淹井，停产1年零8个月，直接经济损失2.24亿元。
之所以介绍这2个例子无非是提醒在座的各位，从理念上提高对留设防水煤柱安全重要性和巨大经济价值以及对矿井安全的巨大危害的认识程度，提升安全警觉性，做好矿井防治水工作，确保矿井安全正常运转。
下面我就给大家讲一讲防隔水煤（岩）柱的有关问题。
1、防隔水煤（岩）柱的概念在受水害威胁的地段，预留一定宽度和高度的煤层不采，使工作面和水体保持一定的距离，以防止地下水溃人工作面，这部分不采的煤层称为防隔水煤（岩）柱。
2、防隔水煤（岩）柱的类型防隔水煤（岩）柱分为：冲积层防隔水煤（岩）柱，地表水体防隔水煤（岩）柱，煤层露头防隔水煤（岩）柱，水淹区和老空积水区防隔水煤（岩）柱，相邻井田边界防隔水煤（岩）柱、上下水平，相邻采区或相邻工作面防隔水煤（岩）柱，断层防隔水煤（岩）柱，陷落柱防隔水煤（岩）柱、封闭不良钻孔防水隔离煤柱等。
保护煤柱留设与防水安全煤岩柱计算规范标准
天健矿业集团股份保护煤柱留设及防水安全煤岩柱计算规天健矿业集团股份二0一二年七月十五日目录一、保护煤柱的留设 (3)（一）基本概念和参数 (3)1、岩层移动角 (3)2、下沉系数（η） (4)3、围护带宽度 (5)（二）保护煤柱的留设方法 (5)二、防水安全煤岩柱的计算 (7)1、目的和意义 (7)2、计算公式 (8)一、保护煤柱的留设（一）基本概念和参数1、岩层移动角指在充分采动情况下，采空区上方地表最外侧的裂缝位置和采空区边界的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角。
符号为：下山移动角β；上山移动角γ；走向移动角δ；急倾斜煤层底板移动角λ；表土移动角ψ。
详见附图一。
附图一岩层移动角参数表附表1 序号名称符号取值围备注1 下山移动角ββ=δ-（0.6-0.7）αβ与煤层倾角成反比。
α为煤层倾角2 上山移动角γ55-60°3 走向移动角δ55-60°4 底板移动角λ55-60°用于急倾斜煤层5 表土移动角ψ45-50°干燥土层取大值，含水土层取小值说明：因本公司下属煤矿暂无实测岩移数据，表中数据仅供参考。
2、下沉系数（η）指在充分采动情况下，开采水平煤层时的地表最大下沉量与采高（多煤层开采时取累计采高）之比。
在开采倾斜煤层时，由于上覆岩层大致沿岩层法线方向弯曲，最大下沉区的移动基本上是法向移动，最大下沉量应为法向移动量的垂直分量，因此，下沉系数等于最大下沉量除以煤层倾角余弦值与采高的乘积。
下沉系数的大小与上覆岩层的坚固性系数成反比，与采煤方法、顶板管理方式和开采面积有关，与采深关系不大。
下沉系数表附表23、围护带宽度指建筑物边界与保护边界线之间的安全距离，一般取10-15m。
（二）保护煤柱的留设方法1、当建筑物、水体或其它保护对象的保护边界线与煤层走向基本平行时，可直接参照附表1中的参数确定保护煤柱边界。
作图方法如附图二。
2、当保护边界线与煤层走向斜交时，应根据附表1中的基岩移动角求得垂直于保护边界线方向（伪倾斜）的上山移动角γ＇和下山移动角β＇，然后再确定保护煤柱边界。
防隔水煤岩柱的尺寸要求-最新《煤矿防治水规定》煤矿防治水工作条例试行
附录三防隔水煤（岩）柱的尺寸要求（摘自《煤矿防治水规定点此查看全文》）一、煤层露头防隔水煤(岩)柱的留设煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按下列公式计算：1.煤层露头无覆盖或被黏土类微透水松散层覆盖时：Hf= Hk+Hb (3-1)2.煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时（图3-1）：Hf=HL+Hb (3-2)式中 Hf--防隔水煤（岩）柱高度，m；Hk--采后垮落带高度，m；HL--导水裂缝带最大高度，m；Hb--保护层厚度，m；α--煤层倾角，（°）。
根据式(3-1)、式(3-2)计算的值，不得小于20 m。
式中Hk、HL的计算，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。
图3-1 煤层露头被松散富水性强含水层覆盖时防隔水煤（岩）柱留设图二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设（图3-2）可参照下列经验公式计算：≥20 m式中 L--煤柱留设的宽度，m；K--安全系数，一般取2-5；M--煤层厚度或采高，m；p--水头压力，MPa；Kp--煤的抗拉强度，MPa。
图3-2 含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设图三、煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（图3-3），防隔水煤（岩）柱的留设要求如下：图3-3煤层与富水性强的含水层或导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设图1.当含水层顶面高于最高导水裂缝带上限时，防隔水煤（岩）柱可按图3-3a、图3-3b留设。
其计算公式为：L=L1+L2+L3=Hacscθ+HLcotθ+HLcotδ (3-3)2.最高导水裂缝带上限高于断层上盘含水层时，防隔水煤（岩）柱按图3-3c 留设。
其计算公式为：L=L1+L2+L3=Ha(sinδ－cosδcotθ)+(Hacosδ+M)(cotθ+cotδ) ≥20 m (3-4)式中 L--防隔水煤（岩）柱宽度，m；L1，L2，L3--防隔水煤(岩)柱各分段宽度，m；HL--最大导水裂缝带高度，m；θ--断层倾角，（°）；δ--岩层塌陷角，（°）；M--断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m；Ha--断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m。
各类防隔水煤(岩)柱的尺寸要求计算
各类防隔水煤（岩）柱的尺寸要求一、煤层露头防隔水煤(岩)柱的留设煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，按下列公式计算：1.煤层露头无覆盖或被黏土类微透水松散层覆盖时：H f =Hk+Hb(3-1)2.煤层露头被松散富水性强的含水层覆盖时（图3-1）：H f =HL+Hb(3-2)式中Hf—防隔水煤（岩）柱高度，m；Hk—采后垮落带高度，m；HL—导水裂缝带最大高度，m；Hb—保护层厚度，m；α—煤层倾角，（°）。
根据式(3-1)、式(3-2)计算的值，不得小于20m。
式中Hk 、HL的计算，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定。
图3-1煤层露头被松散富水性强含水层覆盖时防隔水煤（岩）柱留设图二、含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设含水或导水断层防隔水煤（岩）柱的留设（图3-2）可参照下列经验公式计算：L=0.5KMP3K P ≥20m 式中：L —煤柱留设的宽度（m ）；K —安全系数（一般取2～5）；M —煤层厚度或采高（m ）； P —水头压力（MPa ）；K P —煤的抗拉强度（MPa ）。
图3-2含水或导水断层防隔水煤（岩）柱留设图三、煤层与强含水层或导水断层接触防隔水煤（岩）柱的留设煤层与强含水层或导水断层接触，并局部被覆盖时（图3-3），防隔水煤（岩）柱的留设要求如下：图3-3煤层与富水性强的含水层或导水断层接触时防隔水煤（岩）柱留设图1.当含水层顶面高于最高导水裂缝带上限时，防隔水煤（岩）柱可按图3-3a 、图3-3b 留设。
其计算公式为：L=L1+L2+L3=Hacsc θ+HLcot θ+HLcot δ(3-3)2.最高导水裂缝带上限高于断层上盘含水层时，防隔水煤（岩）柱按图3-3c留设。
其计算公式为：L=L1+L2+L3=Ha(sin δ－cos δcot θ)+(Hacos δ+M)(cot θ+cot δ)≥20m(3-4)式中 L —防隔水煤（岩）柱宽度，m ；L1，L2，L3—防隔水煤(岩)柱各分段宽度，m ；HL —最大导水裂缝带高度，m ；θ—断层倾角，（°）；δ—岩层塌陷角，（°）；M —-断层上盘含水层层面高出下盘煤层底板的高度，m ；Ha--断层安全防隔水煤（岩）柱的宽度，m 。
防隔水煤岩柱的留设
三、防隔水煤〔岩〕柱的留设原则
4. 防隔水煤（岩）柱一般不能再利用，故应在安全可靠的基础上 把煤柱的宽度和高度降低到最低限度，以提高资源利用率。也可 以采用充填法、条带法，疏水降压和含水层改造等方法，消除水 患威胁，创造少留煤柱的条件。 5. 煤矿防隔水煤（岩）柱一经确定，不能随意变动，严禁在各类 防隔水煤（岩）柱中进行采掘活动。在水体下开采，提高采煤上 限的必须经省级煤炭行业管理部门审批。 6. 防隔水煤（岩）柱留设和计算所需要的数据，必须在本地区通 过试验确定，邻区或外地的数据只能参考。如果需要采用，应结 合本地情况适当加大安全系数。
二、防隔水煤〔岩〕柱的种类
根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》，防隔水煤 （岩）柱主要有以下7种。 1. 煤层露头防隔水煤（岩）柱； 2. 断层防隔水煤（岩）柱； 3. 水淹区和老空积水区下防隔水煤（岩）柱； 4. 地表水体防隔水煤（岩）柱； 5. 钻孔和陷落柱防隔水煤（岩）柱； 6. 相邻井田边界防隔水煤（岩）柱； 7. 上下水平、相邻采区或相邻工作面防隔水煤（岩）柱。
a
M 〔17-6〕
tan sin tan
三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防 隔水煤〔岩〕柱的留设和计算
图17-5 防隔水煤〔岩〕柱尺寸L计算示意图
❖ Ha值应当根据矿井实际观测资料来确定，即通过总结本矿区在断层附 近开采时发生突水和平安开采的地质、水文地质资料来确定。
三、煤层与强含水层或导水断层或不导水断层接触防 隔水煤〔岩〕柱的留设和计算
——隔水层的平均重度， MN/m3；
Kp——隔水层的平均抗拉强度，MPa； p——隔水层承受的水头压力，MPa。
四、煤层位于含水层上方且断层导水和不导水时防隔水 煤〔岩〕柱的留设和计算
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露头防水煤柱及奥陶系灰岩含水层隔水煤柱计算书
一、浅部煤层露头防水煤柱计算：
根据《矿井水文地质规程》煤层露头防隔水煤（岩）柱的留设，应按以下公式计算：
1、当煤层露头无覆盖或被粘微透水松散层覆盖时：
H
防=H
冒
+H
保
2、当煤层露头被松散富含水层覆盖时；
H
防=H
裂
+H
保
根据上两式计算的值，不得小于20米。
式中 H
防
-----防水煤（岩）柱高度（m）
H
冒
-----采报冒落带高度（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）；
a------煤层倾角（°）。
冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式表
注：1、表中：M—累计采厚（m）；n---煤分层层数；m----煤层厚度（m）；h---
采煤工作面小阶段垂高（m ）。
2、冒落带、导水裂隙带最大高度，对于缓倾斜和倾斜煤层，系指从煤层顶面算起的法向高度；对于急倾斜煤层系指从开采上限首起的垂向高度。
3、岩石抗压强度为饱和单轴极限强度。
本矿井根据勘中间报告本矿井内各煤层均有隐伏露头存在，有风氧化带存在，推测风氧化带宽度为100m 。
本矿井浅部煤层风化带处于，该含水层主要由第三系和第四系孔隙含水层下部，由大气降水的垂直入渗补给。
因此煤层浅部风化带防水保护煤柱按式H 防=H 裂
+H 保进行计算。
导水裂隙带（包括冒落带最大高度）：
1.52
.5n 1.5100H ++=
M
裂
其中：M —累计采厚（m ），4煤取1.19m ，6煤取0.95m ，8煤取2.37m ，13煤
取12.21m
n —煤分层层数，4、6、8煤取1，13煤取2
经计算，4煤裂隙带H 裂=16.65m ；6煤裂隙带H 裂=14.32m ；8煤裂隙带H 裂
=28.11m ；13煤裂隙带H 裂=84.39m 。
H 保—保护层厚度（m ），取20m ；
则：露头防水煤柱4煤H 防=H 裂+H 保=16.65+20=36.65m
6煤H 防=H 裂+H 保=14.32+20=34.32m 8煤H 防=H 裂+H 保=28.11+20=48.11m 13煤H 防=H 裂+H 保=84.39+20=104.39m
注：以上计算煤柱厚度为垂高
二、13煤层突水系数值及安全防水岩柱计算
1、突水系数计算
根据《矿井水文地质规程》，“突水系数”计算公式为：
s P p
T M C =
-
式中 Ｔｓ-----突水系数〔kgf/(cm 2.m)〕; P-------隔水层承受的水压（kgf/cm 2）; M-------底板隔水厚度（m ）；
C P ------采矿对底板隔水层扰动破坏厚度（m ）。
根据国内常用底板绕道破坏深度经验公式计算C P ：(开采标高+500) C P =0.0085×开采深度+0.165×煤层角度+0.1079×工作面宽度-4.3579 =0.0085×600+0.165×10+0.1079×300-4.3579 =34.76m
本矿井13煤层底板距奥陶系灰岩含水层的平均厚度为40m 。
取隔水层厚度40m ，底板隔水层（+500m 水平）承受水压取为4.4MP 。
经计算本矿井13煤层突水系数为：
839.076.34404
.4=-=-=
p
S C
M p T
2、安全防水岩柱计算
根据《矿井水文地质规程》，“安全防水岩柱厚度”计算公式为：
(
)p
P K rL
H K L r L t 4822-+=
式中：t----安全隔水厚度（m ）；
L----采掘工作面底板最大宽度（m ）；取12m r----隔水层岩石的容重（t/m 3）；取2.59 K P ---隔水层岩石的抗张强度（t/m 3）；取273 H----隔水层底板承受的水头压力（tf/m 2）。
根据地质勘探报告，13煤层底板直接充水含水层为奥陶系灰岩含水层岩溶裂隙发育，富水性强，水位标高+900m 。
开采-+500m 水平以上，矿井开采范围内，底板水压为H=900-500+40m=440m ，即4400tf/m 2。
经计算，矿井初期+500m 水平开采范围内安全防水岩柱的厚度为：t=34.07m ； 本矿井13煤层底板距离奥陶系灰岩含水层平均厚度为40m 。
大于34.07m 的安全厚度。
基本能保证矿井安全生产，但本计算系根据隔水层平均厚度计算，最
小隔水层厚度没有数据可供参考。
3、计算隔水层底板的临近水压值
rt L
t K H p +=22
2临
t 取实际隔水层厚度40m ，则
H 临=2×273（402/122）+2.59×40=6170.2（t/m 2）
本矿井+500水平，水压为4400 t/m 2，低于临近突水水压值，基本保证安全。
结论：
1、根据矿区突水经验，一般突水系数达到0.6以上，当具有导水构造时，有发生突水的可能，根据以上计算本矿井开采+500突水系数为0.839kg/cm 2，因此在开采+500水平时有奥陶系灰岩含水层突水的可能。
2、根据《矿井水文地质规程》，“安全防水岩柱厚度”计算公式（斯列沙辽夫公式），计算矿井+500m 水平13煤安全隔水厚度为34.07m ，实际平均隔水厚度为40m ，从数值上看，基本能保证开采安全，但该数值接近隔水层平均厚度，由于没有最小隔水层厚度值的资料，不能确定+500m 水平开采的安全性。
3、采用隔水底板临近水压值公式计算出的临界水压为6170.2 t/m 2，而+550m 水平实际水压值为4400 t/m 2，小于临界水压值，但也接近临界水压。
综上，本矿井开采+500m 水平时，奥陶系灰岩含水层的水对开采安全有较大的威胁。