平頂山十三礦突水特征與原因分析

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礦井突水是威脅煤礦安全生產的重要災害之一。對突水機理及突水危險性評價和預測是解決突問題的關鍵技術基礎，構造裂隙是造成煤層底板突水的主要因素。平頂山十三礦是1座設計能力180萬t/a的大型礦井，礦井水文地質條件複雜，在生產過程中出現了2次較大的突水02manbetx.com 。井田煤係地層屬於石炭二疊紀，二疊係已煤組的二₁煤（或已_16-17煤層）為該礦井的主采厚煤層。煤田分布在汝河和沙河之間的分水嶺地帶，構造形態為一地壘型的複向斜構造，四周受接近東西向兩組張性斷裂的控製，形成一多邊形的地壘型斷塊，由於煤田相對抬起，切斷了與周圍區域含水層的直接水力聯係，阻隔了區域基岩地下水向井田的側向補給，使本井田成為一相對獨立的水文地質單元。

1 采麵概況及突水過程特征

平頂山十三礦目前開采已組煤層，發生的2次突水事件分布在已一和已二的2個采區。第一次突水發生在已_15-17－12010采麵，該采麵位於一水平已二采區東翼第一區段，東至侯村保護煤柱線，西到上山保安煤柱，北至防水煤柱，南部尚未布置采麵。采麵走向長1 285m，傾斜寬130m，采麵煤層傾角平均為26°，煤層厚平均為5.28m。采煤方法為走向長壁，沿煤層頂板放頂煤一次采全高，工字鋼金屬支架支護（圖1）。第二次突水發生在已_15-17－11090采麵，該采麵位於一水平已一采區東翼第五區段，東鄰襄郟背斜軸部，西至上山和東風井保安煤柱線，南北均未布置采麵。回采走向長1 090m，傾斜寬128m，采麵煤層傾角平均為20°，煤層厚平均為5.4m。巷道掘進沿煤層走向和頂板施工，工字鋼金屬支架支護。采麵裏段采煤方法為分層綜采，采高2.2m左右，全部陷落法管理頂板（圖2）。



圖1 12010工作麵平麵示意圖



圖2 11090工作麵平麵示意圖

1999年12月27日 12:20，12010采麵切眼裏幫下機頭以上7～11m範圍內底板突水，標高-236.4m，最大突水量240m³/h，12h後衰減為227 m³/h。28日15:30測得二灰水位開始以0.15m/d的速度下降，突水過程呈現出水量相對穩定的非穩定流狀態。29日0:00後相對穩定，15d後水量穩定在150 m³/h。

2002年11月15日15:00，11090采麵采空區側底板有水湧出，水量為5～6 m³/h；18:00水量增大到150 m³/h，同時聽到采麵有響聲，並伴有煤塵飛揚，14^#架後底板鼓起0.4m，水伴著大量煤沿運輸機和支架間人行道奔湧而下，最大突水量達435 m³/h，采麵下出口封頂後的平均出水量為300 m³/h，采麵突水點標高由-496.6m上升至-457.4m。由於突水最較大，致使機巷最高點（-457.4m）以裏共淹沒巷道508m，最高點以外自流850m。30d後，水量穩定在168 m³/h，水溫在38℃左右。

總之，2次突水具有突發性、礦壓顯現明顯、水量大且穩定、水溫高等特征。

2 突水原因03manbetx

2.1 水文地質條件

已_15-17－12010采麵煤層直接底板為黑色的砂泥岩互層，厚2.14m。老底為細砂岩，厚7.71m。采麵區段岩層平均傾角為28°，掘進過程中揭露斷層28條，走向大致為NE，最大落差10m（圖3）。11090采麵直接底為砂質泥岩，厚1.8～3.25m；老底為細砂岩，厚6.9m。采麵在掘進期間共揭露大小斷層17條，影響走向長398m，斷層組的2條主要斷層間距23m，對采麵影響較大（圖4）。兩采麵下部為晚石炭世上古生界石炭係太原群上部灰岩段1～7層和寒武係（表1）。

表1 煤層與底板地層情況表

古生界

二疊係

已煤段

已_15-17煤厚10.6m

裂縫承壓水

砂泥岩厚8.1m

石炭係

上部灰岩段

一灰岩厚10m

岩

溶

水

二灰岩厚8.0m

三灰岩厚7.8m

砂泥岩段

砂泥岩厚16.6m

下部灰岩段

四灰岩厚7m

五至七灰岩厚7.4m

鋁土岩厚8.2m

寒武係灰色白雲質灰岩

圖3 12010采麵水文地質單元示意圖



圖4 11090采麵水文地質單元示意圖

已 _{15-17－12010}采麵處於正斷層F2（∠63°，H＝47m）、F6（∠77°,H=52m）之間，風巷上部有正斷層 F3（∠65°，H=11m）、F4（∠58°，H=18m）（圖3）。11090采麵南北方向以襄郟一號正斷層和靈武山向斜為骨幹構成邊界。東西方向以11090逆斷層帶和溝李封斷層為邊界。溝李封斷層和襄郟一號正斷層交彙處應力集中，裂隙也相對發育，和富水帶共同構成了突水的富水區和逕流帶（圖4）。兩采麵均為相對獨立的水文地質單元，靜儲量豐富，富含承壓水。

2.2 充水水源 03manbetx

石炭係一灰岩是泥灰岩，二灰岩是兩采麵突水的直接富含水層；三灰岩的富水性最差；四至七灰岩含水層單位湧水量為0.075～0.019L/(s·m)，四灰岩不發育，富水性差，六灰岩和七灰岩局部富含水，五灰岩富含水；二灰岩和五至七灰岩存在水力聯係。寒武係白雲質灰岩單位湧水量為0.226L/(s·m)，在石炭係110m以下，岩溶較發育。

2個采麵突水水量大且較為穩定，水壓高，說明有豐富的補給水源，呈現出承壓水的一般規律。據突水水質 03manbetx 結果知，2次突水水源不是頂板或第四係水，而是灰岩含水層水。兩采區恒溫帶在地表以下25～30m附近，溫度為17.2℃，地溫梯度

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td="13480">為3.2～3.5℃/hm。

12010采麵突水溫度為22℃，出水點距地麵高-300m左右，預計水溫為24℃，與二灰水水位基本相符，突水後二灰水水位一直下降也說明了突水水源主要是二灰水。地質勘探表明，在沒有大量疏水的情況下，12010采麵下的二灰水水位下降了150m以上，說明該麵二灰水的補給條件差，以消耗儲量為主。二灰水水頭高度為210m，由於該麵回采時最大突水量達240 ³/h，至采麵回采結束底板二灰水的湧水量尚有30m ³/h，表明二灰岩有一定的富水性和滲透性，在有足夠排水能力的情況下，不會影響 安全生產（圖5）。



圖5 突水水量、水溫、二灰岩水動態曲線示意圖

11090采麵突水之初水溫為30℃，4d後穩定在38℃左右。11090采麵突水處標高為-498m，預計該處水溫為35℃，而實際水溫為38℃左右，說明突水補給水源應在-550m以下，是石灰係五灰水和寒武係中白雲質灰岩水。從五炭岩觀測孔水位動態看，五灰水水位稍有下降（隻有五灰水觀測孔在突水麵附近且中間無斷層，但在突水時該孔還沒有施工完），說明五灰水是主要的補給水源。綜上認為，11090采麵突水水源為石炭係二灰水，補給水源為石炭係五灰水和寒武係白雲質灰岩水（圖6）。



圖6 突水水量、水溫、五灰岩水動態曲線示意圖

2.3 導水通道 03manbetx

底板破壞帶與岩溶水斷層破碎帶是兩采麵底板突水的主要通道，斷層煤柱構造和裂隙發育，隔水層完整性遭到破壞，給突水提供了通道。

據突水的特征推斷，11090采麵突水通道為溶蝕裂隙——管道水流係統；12010采麵突水通道為與切眼成40°交角的一個構造裂隙；11090采麵突水補給通道：一是襄郟背斜仰起端的石炭係灰岩隱伏露頭區，其逕流通道是襄郟背斜軸部；二是溝李封正斷層和襄郟一號正斷層交彙處的三角地帶。12010采麵的補給通道微細。

2.4 突水機理分析

礦井突水的必要條件是有足夠的水量，有較大的水壓力，並受到采動的影響。兩采麵突水水量較大且穩定，表明水源相對充足；突水過程造成底板斷裂或底鼓，表明水壓力較高。

從兩采麵突水看，底板斷裂構造薄弱帶是造成突水的主要因素。斷裂構造在突水中的作用：一是使12010采麵隱伏構造發育帶、11090采麵背斜軸部等處成為突水易發生部位；二是11090采麵斷裂構造發育，使各含水層具有良好的水力聯係。兩采麵礦壓和水壓是底板突水的誘導、觸發因素。采動礦壓對底板的破壞主要有3種：一是離層導致層間破壞；二是采空區周邊反向作用力導致剪切破壞；三是水平拉力導致垂向破壞。采動礦壓對兩采麵底板隔水層產生8～13m的破壞深度，使各個方向的先存斷裂不同程度地發生“活化”；新產生的裂隙、先存斷裂與含水體原始導升帶連通，承壓水沿著裂隙上升，衝刷結構麵，裂隙軟化擴大，逐漸形成較大的過水通道導致突水。11090采麵底板裂隙的突然導通致使突水來勢猛，呈爆發態，但12010采麵切眼為裂隙遲到突水。綜上認為，采麵突水原因在於煤層開采後，底板應力場發生了變化，斷層的拉伸張裂帶更加發育並產生裂隙，隨著采空區應力的降低，底板隔水層的抗張強度低於底板水壓力，隔水層厚度相對不足，超過彈性變形極限而出現裂隙，同時原生裂隙進一步擴張，斷層進一步被活化，終使底板隔水層斷裂，導至突水。

3 結語

1）平頂山十三礦采麵底板突水規律為水量大、水壓高、水溫高，且相對穩定。11090采麵突水水源為石炭係二灰水，補給水源為石炭係五灰水和寒武係白雲質灰岩水；突水通道為溶蝕裂隙。12010采麵突水水源為石炭係二灰水，補給水源微弱，主要通道是與切眼成40°角的構造裂隙。

2）平頂山十三礦在二灰承壓水上回采時，底板受采動影響原生裂隙再次擴張，斷層進一步被活化，隔水層度相對不足，高壓水致使隔水層斷裂，從而發生了2次突水事件。建議在二灰承壓水上采煤時，首先進行水文地質勘查，再采取防水煤岩柱等有效 措施，以防止突水 02manbetx.com 的發生。

《礦業 安全與環保》 （於輝光、郭德勇、吳建亭）

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