1.地质概况
中煤新集刘庄煤矿位于淮南煤田西部，井田东西走向长16km，南北宽3.5～8km，面积约82km2。井田位处淮河冲积平原，地形平坦，地面标高+24～+26m左右。济河流经井田东北部，属季节性河流。
1.1地层
淮南煤田位于华北石炭二叠纪聚煤区的南缘，区内地层除缺失上奥陶统及中、上三叠统至中侏罗统外，从下元古界至第四系均有不同程度发育，绝大部分地层被新生界地层覆盖。
刘庄煤矿位于淮南煤田西部，地层自老而新发育有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系、新近系和第四系等，基岩均被新生界所覆盖。
矿井主要含煤地层为二迭系山西组和上、下石盒子组，可采煤层13层，其中13-1、11-2、8、5、1煤为主要可采煤层。
1.2地质构造
1.2.1基本构造特征
淮南煤田总体呈复向斜形态，轴向北西西～东西。复向斜轴部地层平缓，由一系列宽缓褶曲组成，谢桥古沟向斜、陈桥背斜、潘集背斜为其主要构造单元。东西向构造和北北东向构造组成了本区的基本构造格局。
刘庄煤矿位于淮南复向斜中的次一级褶皱——陈桥背斜之南翼，为一轴向北西西向的略有起伏的不完整宽缓向斜，即谢桥向斜。矿井位于谢桥向斜北翼，地层倾向南，倾角10°～20°，以F5、F12断层分别为东、西部边界，区内无岩浆岩侵入，构造复杂程度属中等。见图1-1。
1.2.2褶曲
井田主体构造属谢桥向斜的两翼，次一级褶曲不甚发育，仅在F1推覆体的断夹块内褶曲发育，呈不对称紧密褶曲。
1.2.3断层
断层主要有三组：
北东向正断层组：是本区最主要的断层。北西向正断层组：较发育。北西西向逆断层组：系本区推覆构造。北西向断层组与北东向断层组均系斜切断层，两者呈锐角相交，F1断层组与区域主导构造平行，可见三组断层是在统一的区域应力场中，受由南向北的侧向挤压而先后形成的推覆构造、谢桥向斜、陈桥背斜及其配套的共轭剪切断层。
1.3水文地质条件
淮南煤田位于华北平原南缘，为近东西向的复向斜构造盆地，水文地质条件受区域构造及新构造运动的控制，深、浅层地下水存在明显的差异。煤田基岩水文地质条件受淮南复向斜南北两翼阜风断层、舜耕山断层和尚塘集～明龙山断层等三条走向逆冲断层控制，将复向斜盆地切割成南、北、中三个水文地质分区(见图1-2)。中区包括潘谢矿区与新集矿区，是复向斜的主体，二叠系及其下伏老地层均被厚松散层覆盖。因南北两翼逆冲断层的阻水作用，加之斜切断层的分割，使本区成为封闭～半封闭水文地质单元。除潘集、丁集和顾桥北部新生界底部砂砾层直接覆盖在基岩之上、对基岩含水层有一定补给外，其余地区地下水基本处于停滞状态，水质具有矿化度高，硬度大，水温高，大多为Cl-Na型水等特点。
图1-2淮南煤田水文地质分区略图
刘庄煤矿位于淮南煤田水文地质分区中区的西部，矿井水文地质条件受区域条件所控制。
1.3.1含、隔水层（组）
新生界松散层含、隔水层（组）：矿井新生界松散层沉积厚度52.45～550.70 m，平均厚度为396.56 m。其中东区新生界松散层沉积厚度52.45（1901孔）～509.40m（E3 O1+2孔），平均厚度为388.39 m。
厚度变化总趋势为自东向西、自南向北增厚，受古地形控制局部起伏很大：在井田南部，发育有以19线1901孔（松散层总厚52.45 m）和11线1101孔（松散层总厚61.60m）为中心的古潜山以及29线155孔（松散层总厚535.50m）为中心的古洼地；在井田北部，发育有以35线143孔（松散层总厚550.70m）为中心的古洼地。
新生界松散层分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔上段、三隔下段和“红层”等8个含隔水层（组）
二叠系砂岩裂隙含水层（组）：该含水层(组)分布于主要可采煤层及泥岩之间，除1煤顶板砂岩较稳定外，其余均属不稳定型。砂岩以中细粒为主，硅质胶结，少量为铁钙质胶结，裂隙发育分布不均匀，一般在构造复杂地段裂隙较发育。补给水源贫乏，以储存量为主。
灰岩含隔水层组：1煤底板含水层主要为石炭系太原组、奥陶系、寒武系灰岩。
太原组由薄层石灰岩与泥岩、砂岩和薄煤等相间组成。该组所含砂岩层薄而且裂隙不发育，为灰岩间的隔水层。
太原组地层真厚平均为105.57m，含薄层灰岩12～13层。根据灰岩厚度和间距分布，矿井东区太原组划分为三个含、隔水层组。
1、C3Ⅰ组灰岩:含C31、C32、C33、C34灰岩4层。组厚24.62～35.76m,平均30.47m；灰岩总厚7.24～23.79m，平均18.61m，各层灰岩中，以C33、C34层灰岩较厚、C32分布不稳定。
C3Ⅰ组与C３Ⅱ组灰岩之间隔水层（C34底板至C35层灰岩顶板），厚0.59～7.38m，平均3.51m。岩性为铝土岩、铝质泥岩、砂质泥岩，局部见砂岩，偶见煤线和炭质泥岩。
2、C３Ⅱ组灰岩:含C３5、C３6、C３7、C３8、C３9、C３10灰岩6层。组厚23.68～35.26m，平均27.08m；灰岩总厚11.28～18.26m,平均总厚14.58m。
C３Ⅱ组与C３Ⅲ组灰岩之间隔水层（C310底板至C311层灰岩顶板）,厚14.60～31.30m，平均21.46m。岩性主要为灰色细～粗粒砂岩、泥岩及粉砂岩。为太原组内厚度较大且分布较稳定的区域性隔水层组。
3、C3Ⅲ组灰岩:含C311、C312、C313灰岩3层。组厚13.04～24.80 m，平均17.00m；灰岩总厚12.74～23.70m,平均16.17m，。各层灰岩中，以C312为最厚，C313赋存不稳定。
C３Ⅲ组灰岩与奥灰之间隔水层（C313底板至奥灰顶板）,厚2.35～18.44m，平均6.64m。岩性为紫红色、灰绿色铁铝铝质泥岩、含砾砂质泥岩,局部富含黄铁矿结核。此段相当于本溪组。
奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层岩溶裂隙不发育。
寒武系灰岩岩溶裂隙含水层岩溶裂隙不发育。
1.3.2灰岩岩溶发育及富水性特征
刘庄煤矿1煤底板灰岩岩溶现象不发育，钻孔未见溶洞，仅局部见溶隙，少见小的溶孔，不同层(组)灰岩抽水试验,单位涌水量q=0～0.239 L/(S.m)。总体为弱富水性但不均一，偶见中等富水性。
太原组灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量q=0～0.239 L/(S.m),抽水试验資料表明:太原组具有C3Ⅰ组、C3Ⅱ组灰岩弱富水性、C3Ⅲ组灰岩弱～中等富水性的特征。C3Ⅰ组灰岩单位涌水量q=0～0.0866L/(S.m)，弱富水性。C3Ⅱ组灰岩单位涌水量q=0.023L/(S.m)，弱富水性。C3Ⅰ+C3Ⅱ组灰岩单位涌水量q=0.000248～0.097 L/(S.m)，弱富水性。C3Ⅲ组灰岩单位涌水量q=0.000074～0.239L/(S.m)，弱～中等富水性。
奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层矿井奥陶系灰岩岩溶裂隙不发育，未见溶洞和漏水。单位涌水量q=0.00155～0.0109L/(S.m)，弱富水性。
寒武系灰岩岩溶裂隙含水层灰岩岩溶裂隙不发育，钻孔未见溶洞和漏水。单位涌水量q=0.00236-0.018444L/(S.m)，弱富水性。
1.3.3地下水补、迳、排条件及各含水层之间的水力联系
(1)、新生界松散层第一含水层（组）受大气降水和地表水垂直入渗补给，水位随季节变化，地下水垂直循环与水平运动兼有，主要排泄途径为蒸发和民用水井开采。
第二含水层（组）受一含越流及局部渗透补给，水平运动为主，迳流条件好，主要排泄途径为供水水源井开采。
第三含水层（组）除在局部二隔粘土变薄缺失地段会产生二含越流或渗透补给外，一般无直接水力联系，补给、排泄条件较差。
三隔上段与三含之间、三隔下段与三隔上段之间均有厚度不等的粘土相隔，其间仅可局部存在越流形式的水力联系，补给条件差。
井田南部古地形隆起处，新生界厚度减小，下部地层缺失，二含、三含直接与老地层接触。由于远距煤系及底部灰岩，其间无水力联系。
(2)、三隔下段底部粘土与红层组合成新生界底部覆合隔水层组，阻隔了三隔上段砂层和三隔下段砂层与基岩间的水力联系。但在三隔下段砂层直接覆盖于煤系的“天窗”，与煤系砂岩存在着水力联系但联系程度较弱,抽水资料表明二者之间关系并不密切。当基岩含水层（水4、水5、115、水1、114、137孔）抽水时，三隔下部砂层观测孔水位（水2、水3孔）均无影响。另就基岩含水层本身而言，流量、水位均呈单一方向衰减，为补给水源不充分所致，也可说明基岩古风化壳在漫长的沉降过程中，经过水的溶融和后期沉积物的充填胶结作用之后，形成相对的阻水层，在自然状态下二者之间的水力联系不明显。建矿后，由于矿井排水，使二者之间的水位差增大，将产生渗入补给，但补给量受基岩含水层的渗透性能所控制而很弱，如水2孔2011年7月31日观测水位标高为12.601m，3年多时间累计下降水位0.27m。
(3)、二叠系煤系砂岩含水层之间，分布有厚度较大的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和煤层等,其间无水力联系。
(4)、太原组灰岩含水层与1煤顶板砂岩含水层之间，太原组与奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层之间，在正常情况下无水力联系，但构造影响处将可能会发生水力联系。生产中应该注意灰岩与煤层“对口”部位。
1.3.4灰岩水文地质边界条件分析
矿井位于淮南煤田水文地质分区中区的西段，区域上属封闭～半封闭水文地质单元。根据含隔水层和边界构造的分布及其水文地质特征,对水文地质边界作如下划分:
(1)、顶部和北部边界
矿井1煤及其底板灰岩露头新生界松散层总厚399.05～550.70m，新生界底部复合隔水层(三隔底部粘土+红层)总厚8.70～87.60 m。
其中矿井东区1煤及其底板灰岩露头新生界松散层总厚408.25～509.40m，新生界底部复合隔水层总厚8.70～87.60m。另外，矿井东边界F5断层下盘灰岩露头新生界松散层总厚345.65～427.10m，新生界底部复合隔水层总厚3.10～53.30m。
为矿井及东区的顶部和北部相对阻水边界。
(2)、东部边界
F5断层为刘庄矿井东界。
谢G2、F5补2、F5补3等孔穿过F5断层并未发现漏水。从岩性、层厚等综合分析，F5补2和F5补3孔抽水主要反映的是寒灰富水性，而F5断层则不含、导水。
该断层造至东区太灰、奥灰与下盘谢桥矿奥灰、寒灰相对接，具有产生水力联系的条件，可受到下盘奥灰、寒灰的侧向补给。受两盘灰岩弱富水性所限，补给和水力联系程度较弱。
从地层接触关系分析，为矿井及东区的东部弱给水边界。
(3)、西部边界
F12断层为刘庄矿井西界。该断层下盘即本矿井太灰、奥灰与上盘即口子东矿煤系对接，为矿井的西部阻水边界。
F25断层位于15～25线，相当于矿井东、西区的分界构造。根据断层含、导水性分析，该断层对C3Ⅰ+C3Ⅱ组灰岩相对阻水，为矿井东区的西部局段相对阻水边界。
(4)、南部边界
F1逆冲断层在23线以西进入刘庄矿井范围。
矿井东区，煤系及灰岩地层延展于-1000m以下，即灰岩地层延倾向连续分布，为弱给水边界。
2.矿井东区1煤底板隔水层隔水性分析
2.1 1煤底板隔水层划分
隔水层是1煤开采阻隔下伏承压灰岩水的主要屏障。
2.1.1 1煤底板直接隔水层
为1煤底板至C31层灰岩顶板之间的岩层。
矿井1煤底板直接隔水层厚度11.95～20.93m，平均16.14m;其中东区厚度11.95～19.20 m，平均15.67m。
岩性以泥岩、砂质泥岩及粉砂岩为主，次为砂岩。
2.1.2 1煤底板相对隔水层
为1煤底板至C33层灰岩顶板之间的岩层。
淮南煤田中区潘集、朱集、丁集、顾桥、张集、谢桥、口孜东和新集一矿、二矿等多个矿井地面勘探资料表明，C31层灰岩赋存较稳定并基本无水，C32层灰岩赋存不稳定且无水。在确认该条件的基础上，近几年来，潘二、潘北、张集和新集二矿在开釆1煤时，将井下疏水巷道直接布置在C31层灰岩中，仅局部出现少量滴淋水并很快干涸；石门穿过C31、C32层灰岩至C33灰岩顶，基本无水；证明C31、C32层灰岩基本不含水。据新集二矿1煤首采面测试，1灰平均抗渗性至少大于等于3.5Mpam。
刘庄矿井东区有46个钻孔穿过C31层灰岩，平均厚度2.85m；9线九O1+2、13线114等3个孔至基岩面25.40～50.25m处短时漏水，表明该层灰岩浅部局部有岩溶裂隙但发育程度弱，储水空间小。区内无C31层灰岩单层抽水资料，114孔C3Ⅰ组灰岩抽水单位涌水量0.00929 L/(S.m)，为漏水孔抽水单位涌水量最小孔之一，其比较见表2-1。
表2-1灰岩漏水孔抽水单位涌水量比较表
勘探线别孔号漏水抽水试验
深度(m)层位至基岩面(m)层位含水层
深度(m)单位
涌水量
L/(S.m)
东区5-7 E3O1+2 531.65太原组10灰21.25太7-10灰+奥灰515.00～621.88 0.00027
9九C3Ⅱ565.36太原组4灰84.66太4-10灰558.35～627.60 0.023
11西十一西C3Ⅲ520.58太原组12灰44.98太11-12灰522.40～539.00 0.239
13 114 508.8太原组1灰50.25太1-4灰506.75～541.20 0.00929
19水1 461.25太原组4灰34.85太1-7灰442.83～486.83 0.097
西区31 137 578.25太原组3灰85.55太11-12灰564.18～592.87 0.0866
东区有19个钻孔穿过C32层灰岩，平均厚度1.37m，层薄且赋存不稳定；岩溶裂隙不发育，未发现漏水。
《矿区水文地质工程地质勘探规范》规定，一般将钻孔单位涌水量小于0.001L/（s·m）的岩层视为隔水层。综合分析认为，矿井及东区C31与C32层灰岩可划为相对隔水层。由于C31与C32、C32与C33层灰岩间为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩等隔水岩性，因此1煤底板至C33层灰岩顶板之间的岩层可作为1煤底板的相对隔水层。
据矿井东区揭露1煤至C33层灰岩的19个钻孔统计资料，1煤底板相对隔水层（1煤底板至C33层灰岩顶板）厚度20.99～33.45m，平均27.31m。详见表2-2。
2.2 1煤开采底板破坏深度预测分析
底板破坏深度是1煤采动条件下围岩应力平衡状态发生改变、在动矿
表2-2 1煤底板相对隔水层厚度统计表单位:m
线别孔号1煤底板直接隔水层厚度1至3灰厚度、间距1煤底板至3灰顶板间距
C31 C32 C33
m r m r m r
1-3线F5补1 14.65 3.00 6.85 1.10 1.45 6.05 0.60 27.05
3线十二24 14.90 3.55 7.39 1.67 0.98 7.59 1.18 28.49
3-5线水3C34 16.54 3.36 7.06 1.58 1.28 5.48 3.21 29.82
5线E3覆岩1 13.40 3.14 8.81 6.62 1.89 21.76
5-7线东风井检1 19.20 3.35 7.45 1.28 1.62 5.12 3.19 32.90
5-7线E3覆岩2 14.05 3.39 6.44 1.37 1.31 6.74 1.72 26.56
7-9线七西C3I 12.61 2.76 7.58 1.38 1.67 5.22 6.60 26.00
9线十六26 14.36 2.92 8.47﹥1.96 25.75
9线九O1+2 16.60 0.69 8.66 0.99 1.38 6.11 1.77 28.32
9线九C3I 14.53 2.51 8.69 1.06 1.50 5.65 4.03 28.29
9线九C3II 16.35 2.36 10.14 0.98 1.72 5.51 2.95 31.55
9线九C3III 18.68 2.36 9.06 1.97 1.38 6.89 2.76 33.45
9-11线水9O1+2 13.81 3.35 7.75 1.00 1.20 6.45 1.45 27.11
13线115 15.79 3.39 6.64 1.82 4.14 4.28 9.11 31.78
13线114 17.71 3.20 6.80 0.68 1.39 7.63 8.67 29.78
15线118 12.56 3.05 6.64 0.84 1.35 6.97 0.39 24.44
17线水15(11-2)1 14.82 2.59 5.97 13.22 1.09 23.38
17线1701 15.27 3.45 4.33 1.43 1.08 6.25 0.59 25.56
19线160 14.06 1.29 2.62 1.53 1.49 10.05 2.87 20.99
最小11.95 0.69 2.62 0.68 0.98 4.28 0.39 20.99
最大19.20 3.55 10.14 2.27 4.14 13.22 9.11 33.45
平均15.67 2.85 7.08 1.34 1.55 6.73 3.05 27.31
山压力作用下底板岩层产生变形破坏的最大深度，是评价底板隔水层安全度的主要指标。
类比新集二矿模拟、试验资料成果和经验公式法计算对矿井东区-762m水平1煤开采底板破坏深度进行预测分析。
2.2.1类比新集二矿模拟资料成果
2012年，国投新集公司与中国矿业大学合作，在新集二矿1煤首采面（210108工作面）采用岩土工程分析软件RFPA2D和FLAC对1煤层开采底板破坏特征进行了数值模拟分析。
首采面开采标高-591.4～-644.9m，平均倾向长148m，煤层倾角约为1～16°，模拟煤层厚度为5m和4m。RFPA2D和FLAC模拟底板破坏深度分别为19m和19.5m，与经验公式（见下列经验公式一）计算结果18.3m相近。
1、RFPA2D数值分析
模拟结果表明：工作面推进初期，底板的破坏深度较小，后随推进距离增加而变化：工作面推进到40m左右时发生初次来压；工作面推进到60m时，底板破坏深度达到12m；工作面推进到100m时，底板破坏深度达到18.5m左右；工作面推进到110m时，底板破坏深度达到19m左右。此后基本平衡，破坏深度基本不随推进距离增加而变化，见图2-1。
图2-1 1煤底板破坏深度随工作面推进距离变化曲线
2、FLAC数值模拟
通过FLAC数值模拟，煤层底板破坏主要有如下规律：
(1）随着工作面的推进，采动引起的应力集中区不断扩大，工作面前端围岩的最大剪应力不断增加，到达40m左右后趋于平稳，最大剪应力稳定在4.55MPa左右，相当于老顶初次来压位置。
(2）工作面推进初期，底板破坏深度较小，随工作面推进距离增加而逐渐增加，破坏深度达19.5m、推进距离达100m后达到平衡，基本不随推进距离增加而变化。详见表2-3和图2-2。
表2-3 1煤底板破坏深度随工作面推进的变化数据表
推进距离（m）5m 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m
破坏深度（m）2.0 6.0 8.5 10.0 11.5 13.0 14.5 15.5
推进距离（m）80m 90m 100m 110m 120m 130m 140m 150m
破坏深度（m）16.5 18.0 19.0 19.5 19.5 19.5 19.5 19.5
2.2.2类比新集二矿1煤底板注水试验资料成果
2012年12月至2013年4月，国投新集能源股份有限公司与中国矿业大学合作，在新集二矿1煤首采面（210108工作面）开展了底板注水试验，以实测工作面采后底板破坏深度。注水试验钻孔布置在210108工作面风巷下帮11#、19#钻场内，每个钻场各布置5个钻孔。
1、注水试验数据分析
1)19#钻场
①1#钻孔在12月18日泄压时间由56min降到1min以内，可见1#钻孔终孔位置已经被破坏，此时工作面距19#钻场19m，距1#钻孔终孔水平位置26.7m，裂隙点到工作面角度在30~45度之间，符合底板裂隙破坏规律（图2-3）。
图2-3 19#钻场的1#钻孔泄压时间突变时注水试验钻孔位置及导裂带高度示意图
②2#、3#、5#钻孔的泄压时间并没有明显的突变，大致在10min钟以上。故裂隙带没有破坏到2#、3#、5#孔，其中5#孔的18日、21日的泄压时间只有9分钟和8分钟，说明可能有微小裂隙破坏到5#孔终孔位置，但鉴于2#、3#孔较稳定，所以5#孔的终孔位置仍认定未产生大量裂隙。
③4#钻孔预注水试验直到工作面推进前都没有达到泄压时间10min以上，故数据无效，不参与最后的数据分析。
2)11#钻场
①1#、2#钻孔在4月17日观测时泄压时间发生突变，从5min以上到1min左右，以后观测始终保持在1min左右，可见1#、2#钻孔的终孔位置已经被破坏，此时工作面距11#钻场67.8m，距1#钻孔终孔水平位置17.8m，裂隙点到工作面角度在45度左右，符合底板裂隙破坏规律（图2-4）。
②3#、4#、5#钻孔的泄压时间并没有明显的突变，大致在5min钟左右。推断导裂带未达到20m以上。
③4月19日3#钻孔数据出现波动，后续观测回归正常，按统计学原理，去除该观测数据。
图2-4 11#钻钻场的1#、2#泄压时间突变时注水试验钻孔位置及导裂带高度示意图
2、试验结论
综合以上分析，结合两次注水试验结果，推测1煤首采210108工作面底板扰动深度达到18m左右。
2.2.3经验公式法
选择两种经验公式计算了矿井东区-762m水平1煤开采底板破坏深度。
1、经验公式
1)经验公式一
式中，h—底板破坏深度（m）；
L—开采工作面斜长（m）；
H—开采深度（m）；
α—开采煤层倾角（°）。
2)经验公式二
h=0.0021H+0.0956L+0.4186M
式中，h—底板破坏深度（m）；
L—开采工作面斜长（m）；
H—开采深度（m）；
M—工作面回采高度（m）。
2、采用参数及计算结果
采用矿井东区地面标高平均为25.56m，煤层倾角平均为15°，计算第一生产水平(-762m)1煤回采工作面平均斜长200m，回采高度5m时底板破坏深度，计算结果见表2-4。
表2-4经验公式计算的底板破坏深度对比表单位:（m）
经验公式地面
标高开采
标高开采
深度煤层
倾角
(°)工作面
斜长回采
高度底板破坏深度
公式一25.56-762 787.56 15°200 26.41
公式二5 22.87
差值3.55
上述几种方法得出的底板破坏深度比较如表2-5。
表2-5底板破坏深度对比表单位:m
方法矿别工作面
名称开采
标高煤层
倾角工作面
斜长回采
高度底板破坏
深度
RFPA2D数值分析新集
二矿210108-644.9 1-16°148 4.0-5.0 19
FLAC数值模拟19.5
经验公式一18.3
注水试验18
经验公式一刘庄矿东区-762 15°200 5 26.41
经验公式二22.87
2.2.4 1煤开采底板破坏深度预测
新集二矿1煤首采面由RFPA2D和FLAC分别模拟煤层厚度5m和4m，底板破坏深度分别为19m和19.5m；根据经验公式一计算的1煤底板开采破坏深度为18.3m。注水试验结果与上述模拟和经验公式计算得到的结果较接近。
考虑到刘庄矿1煤开采地质条件与新集二矿类似，因此建议矿井东区1煤开采底板破坏深度预计值采用注水试验的结果，即-762水平1煤工作面采高4～5m时底板破坏深度为18m。
矿井东区1煤底板直接隔水层平均厚度15.67m，小于底板破坏深度预测建议采用值；1煤底板相对隔水层（1煤底板至C33层灰岩顶板）平均厚度平均27.31m，大于底板破坏深度预测建议采用值，尚余有效保护层平均厚度9.31m。
2.3-762m水平突水系数
根据《煤矿防治水规定》附录七的公式计算。
T=P/M
P—底板隔水层承受的水压，MPa；式中T—突水系数，MPa／m；
M—底板隔水层厚度，m。
采用矿井东区C3Ⅰ组灰岩观测孔2017年12月31日实测的水位标高：3w线水3C34孔(1～4灰)-44.558m，13线114孔(1～4灰)-77.14m、9线九C3Ⅰ孔(1～4灰)-42.42m，取3个孔水位标高的平均值-54.706m为C3Ⅰ组灰岩初始水位标高。
矿井东区1煤底板直接隔水层平均厚度15.67m，-762m水平C3Ⅰ组灰岩水头压力平均为7.41 MPa，突水系数为0.45MPa/m；1煤底板相对隔水层平均厚度27.31m，突水系数为0.27MPa/m；见表2-6。
表2-6突水系数计算成果表
开采
标高
（m）水位
标高
（m）底板隔水层承受的水压（Mpa)底板隔水层平均厚度
（m）突水系数
（MPa/m）
直接
隔水层相对
隔水层直接
隔水层相对
隔水层
-762-54.71 7.07 15.67 27.31 0.45 0.26
2.4-762m水平安全水头值
根据《煤矿防治水规定》附录八的公式计算。
P=Ts×M
式中P—安全水压，MPa；
M—底板隔水层厚度，m；
Ts—临界突水系数，MPa／m。
1、采用临界突水系数0.06MPa／m计算
底板直接隔水层厚度15.67m，安全水头值为0.94 MPa，安全水压面标高为-668.00m。
底板相对隔水层厚度27.31m，安全水头值为1.639MPa，安全水压面标高为-598.10m。
2、采用临界突水系数0.1MPa／m计算
底板直接隔水层厚度15.67m，安全水头值为1.567MPa，安全水压面标高为-605.30m。
底板相对隔水层厚度27.31m，安全水头值为3.571MPa，安全水压面标高为-488.90m。其比较见表2-7。
表2-7安全水头值计算成果比较表
开采
标高
（m）临界突水系数（MPa／m)底板隔水层平均厚度
（m）安全水头值
（MPa）安全水压面标高
（m）
直接隔水层相对隔水层直接隔水层相对隔水层直接隔水层相对隔水层
-762 0.06 15.67 27.31 0.94 1.639-668.00-598.10
0.10 1.567 2.731-605.30-488.90
2.5 1煤底板隔水层隔水性评述
1、矿井东区-762水平1煤开采底板破坏深度预计值采用新集二矿1煤首采面注水试验的结果为18m。
东区1煤底板直接隔水层平均厚度15.67m，小于底板破坏深度预测值；1煤底板相对隔水层（1煤底板至C33层灰岩顶板）平均厚度平均27.31m，大于底板破坏深度预测值，尚余有效保护层平均厚度9.31m。
2、东区-762m水平C3Ⅰ组灰岩水头压力为7.07 MPa，采用相对隔水层平均厚度计算的突水系数为0.26MPa/m。据《煤矿防治水规定》：“底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m,正常块段不大于0.1 MPa/m”。灰岩水头压力大，计算结果大于0.1 MPa/m。
3、安全水头是影响1煤安全开采的关键指标。东区-762m水平1煤开采底板C3Ⅰ组灰岩的安全水头为:采用底板相对隔水层厚度，正常块段安全水头值为2.731MPa，水压面标高需降至-488.90m；受构造破坏块段安全水头值为1.639MPa，水压面标高需降至-598.10m。
4、以上分析计算结果均为矿井东区-762水平的平均值，但1煤开采底板破坏深度、突水系数、安全水头值等受多种因素和参数影呴而变化。
3.地质构造对1煤安全开采影响的分析
3.1主要断层对1煤安全开采影响的分析
断层是造成煤矿充水的主要导水通道。由于断层的性质、规模、两盘岩性、后期改造等因素不同，其含、导水性不同。决定断裂含（富）水性主要包括两个因素，一为断裂带的储水能力，二是断裂两盘岩石的岩性及富水性。
据矿井地面勘探和井下采掘工程资料，未发现含、导水断层。分析矿井东区断层对1煤安全开采的影响主要为：
1、1煤与灰岩含水层对接。
2、断层带及其附近裂隙发肓，受采动影响裂隙扩张和延伸，连通性增强并导水。
3、受采动影响，断层活化而含导水。
围岩岩层的富水性是控制断层含导水性的关键因素，它决定着断层带的富水程度，直接影响断层的导水性。1煤底板灰岩弱富水性，是制约断层含导水性的有利条件。分析认为:矿井东区主要断层对1煤开采不会造成较大充水危害。
3.2岩溶陷落柱对1煤安全开采影响的分析
3.2.1刘庄矿东区120601工作面实见陷落柱概况
120601工作面为东二采区6-1煤首个回采工作面，开采标高-559.0～-633.7m。对应工作面上方为8煤、11-2煤、13-1煤采空区。该面于2013年3月10日开始回采，4月15日出现构造异常:工作面71#～89#架全岩，岩石主要为泥岩、砂质泥岩、薄层状粉细砂岩，岩石层理清晰，岩层倾角13°左右；90#～104#架全岩，岩石主要为泥岩、细砂岩，局部含破碎的煤层，为6-1煤顶板岩石，岩层紊乱，层理不清，破碎的砂岩混杂在泥岩中，局部岩层近直立。岩层裂隙非常发育，被方解石充填。如图3-1。
图3-1工作面实测地质剖面
此后采用多种手段进行了综合物探和钻探验证:
①由公司物探队利用电法对工作面构造发育和顶、底板富水性情况进行了初步探查，初步分析该构造带总体富水性较弱。
②由安徽惠州地下灾害研究设计院采用瞬变电磁及并行电法对工作面顶、底板富水性情况进行了探查，结果表明:在深部表现为椭圆形态的高阻异常区，垂直发育的深度超过50m,说明内部岩石松散破碎，并以f120601-10(246°∠78°H=0～4m)断层和f120601-11(114°∠33°H=0～1.2m)断层为地质异常体的边界。揭露的断层与该陷落柱在探测深度50m范围内不富水。
③由青岛地博矿山科技有限公司采用大功率坑透仪进行了坑透，圈定了工作面构造位置及范围。1#异常位于工作面附近，为较大衰落异常，异常在平面图上表现为近圆形，直径约50m，为可靠异常，推断为煤层陷落柱引起。
④由安徽省煤田地质局物测队就120601工作面构造异常区对相关三维地震资料进行了再分析，发现6-1煤及下伏煤层对应区地震波异常，为煤层缺失。
⑤在120601轨道顺槽布置了3个钻孔对物探结论进行验证。
⑥邀请有关专家论证认为：120601工作面实际揭露的异常构造为隐伏陷落柱；该陷落柱充填物胶结程度较好，不含、导水。
经实测资料分析，该陷落柱在6-1煤层平面形态为椭圆形，长轴48.5 m，短轴25.4 m，在6-1煤层附近陷落距离4～5m。陷落柱实测平面见图3-2。
3.2.2矿井及东区三维地震解释的异常区
中油油气勘探软件国家工程研究中心有限公司于2014年6月提交了《刘庄煤矿三维地震数据二次处理精细解释报告》。该次解释范围内存在7个地震反射波异常区，其东区5个，西区2个。
XL2异常区：位于东二采区的东北部，其平面展布形态为近椭圆形，
图3-2 120601工作面陷落柱实测平面图
长轴长141米，短轴长88米，影响到5煤。该异常区已证实为不含（导）水陷落柱。
其余六个三位地震反射波异常体长轴长148～308m，短轴长103～196m
刘庄矿东一、东二采区浅部三维地震补充勘探工程未发现区内直径≥20m的陷落柱和疑似陷落柱。
3.2.3岩溶陷落柱对1煤开采的影响分析
岩溶陷落柱是煤系下伏可溶岩系中的溶洞发生持续向下塌陷的产物。岩溶是塌陷产生的基础，地下水运动是岩溶塌陷形成中十分重要的动力因素。
淮南煤田水文地质分区的中区为封闭～半封闭水文地质单元，地下水以储存量为主。这种水文地质环境，是影响陷落柱含、导水性的重要因素。
刘庄煤矿位处该区西部。灰岩岩溶不发育，灰岩总体为弱富水性，制约了岩溶陷落柱的含、导水性。岩溶陷落柱对矿井东区1煤开采不致造成重大充水危害。
结论与建议
（1）矿井东区1煤底板直接隔水层（1煤底～C31层灰岩顶）厚度11.95～19.20 m，平均15.67m。岩性以泥岩、砂质泥岩为主，次为砂岩。
（2）确定了1煤底板相对隔水层。综合本矿地面勘探资料和淮南煤田中区多个矿井地面勘探及井巷揭露资料，C31层灰岩赋存较稳定并基本无水，C32层灰岩赋存不稳定且无水，C31与C32、C32与C33层灰岩间为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩等隔水岩性。因此，1煤底板至C33层灰岩顶板之间的岩层可作为1煤底板的相对隔水层。矿井东区1煤底板相对隔水层（1煤底～C33层灰岩顶）厚度20.99～33.45m，平均27.31m。
（3）采用类比新集二矿模拟、试验资料成果和经验公式法计算对矿井东区-762m水平1煤开采底板破坏深度进行了预测分析，考虑到刘庄矿1煤开采地质条件与新集二矿类似，因此矿井东区1煤开采底板破坏深度预计值采用二矿注水试验的结果，即-762水平1煤工作面采高4～5m时底板破坏深度为18m，1煤底板相对隔水层平均厚度大于底板破坏深度预测值。
（4）-762m水平C3Ⅰ组灰岩水头压力为7.07 MPa，采用相对隔水层平均厚度计算的突水系数为0.26MPa/m，正常块段安全水头值为2.731MPa，水压面标高需降至-488.90m；受构造破坏块段安全水头值为1.639MPa，水压面标高需降至-598.10m。
（5）矿井东区太原组和奥陶系灰岩的岩溶发育及富水性特征：1煤底板太灰、奥灰以及寒灰顶部弱富水性，C3Ⅲ组灰岩偶见中等富水性。
（6）分析了灰岩地下水的补、径、排条件及其间水力联系。
矿井和东区范围内，1煤及其底板灰岩露头新生界底部复合隔水层(三隔底部粘土+红层)总厚8.70～87.60 m，未见与含水砂层直接对接的“天窗”，不具有新生界松散砂层水对下伏灰岩的垂向补给条件，其间无直接水力联系。
F5断层不含、导水。但该断层造成东区太灰、奥灰与下盘奥灰、寒灰相对接，从地层接触关系分析，具有产生水力联系的条件，可受到下盘奥灰、寒灰的侧向补给。受两盘灰岩弱富水性所限，补给和水力联系程度较弱。
C3Ⅱ、C3Ⅲ组灰岩及奥灰观测孔水位总趋势下降但幅度很小并时有波动。据2017年12月31日观测资料，与C3Ⅰ组灰岩观测孔水位高差达62.25～63.55m，表明与C3Ⅰ组灰岩间无显著的水力联系。
（7）分析了矿井东区灰岩水文地质边界条件
矿井位于淮南煤田水文地质分区的中区西段，区域上属封闭～半封闭水文地质单元。东区灰岩水文地质边界条件为：顶部和北部边界：1煤及其底板灰岩露头为新生界底部复合隔水层，为相对阻水边界；南部边界：煤系及灰岩地层延展于-1000m以下，为弱给水边界；东部边界：F5断层，为弱给水边界；西部边界：F25断层，为相对阻水边界。
（8）矿井处于封闭～半封闭水文地质单元，地下水以储存量为主，这种区域水文地质环境，是影响断层和岩溶陷落柱含、导水性的重要因素；1煤底板灰岩弱富水性，是制约断层和岩溶陷落柱含、导水性的有利条件。在采掘工程中，应针对具体情况，分别采取留设断层防水煤柱、按临界突水系数0.06MPa/m疏水降压到安全水头值、注浆加固、对三维地震数据二次处理精细解释的7个异常区超前进行综合探测等防范措施，可以保证矿井安全生产。
（9）据《煤矿防治水规定》附录四:钻孔单位涌水量q≤0.1 L/(S.m)的含水层为弱富水性。矿井东区C3Ⅰ组、C3Ⅱ组和C3Ⅰ+C3Ⅱ组灰岩抽水(不含F25断层以西的19线水1孔)单位涌水量q=0～0.023L/(S.m)，富水性很弱，C3Ⅰ、C3Ⅱ组灰岩存在着作为1煤与C3Ⅲ组灰岩、奥灰间相对隔水层的可能性。
研究成果的指导意义
刘庄煤矿东区1煤开采可行性分析成果对1煤首采区的安全开采有着重要的指导作用，据此可以研究确定1煤首采区开采防治底板灰岩裂隙岩溶水的总思路，制定切实可行的探放水方案，精准施策，确保1煤的安全开采。
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