平顶山十三矿突水特征与原因分析

1、平顶山十三矿突水特征与原因分析td二"13480"矿井突水是威胁煤矿安全生产的重要灾害之一。对突水机 理及突水危险性评价和预测是解决突问题的关键技术基础，构造裂隙 是造成煤层底板突水的主要因素。平顶山十三矿是 1 座设计能力 180 万 t/a 的大型矿井，矿井水文地质条件复杂， 在生产过程中出现了 2 次 较大的突水事故。 井田煤系地层属于石炭二叠纪， 二叠系已煤组的二 1 煤（或已 16-17 煤层）为该矿井的主采厚煤层。 煤田分布在汝河和沙河 之间的分水岭地带，构造形态为一地垒型的复向斜构造，四周受接近 东西向两组张性断裂的控制，形成一多边形的地垒型断块，由于煤田 相

2、对抬起，切断了与周围区域含水层的直接水力联系，阻隔了区域基 岩地下水向井田的侧向补给，使本井田成为一相对独立的水文地质单 元。1 采面概况及突水过程特征平顶山十三矿目前开采已组煤层，发生的 2 次突水事件分布在已一和 已二的 2个采区。第一次突水发生在已 1 5- 1 7 1 20 1 0采面，该采面位 于一水平已二采区东翼第一区段，东至侯村保护煤柱线，西到上山保 安煤柱，北至防水煤柱，南部尚未布置采面。采面走向长1285m,倾斜宽130m，采面煤层倾角平均为26°煤层厚平均为5.28m。采煤方 法为走向长壁，沿煤层顶板放顶煤一次采全高，工字钢金属支架支护（图 1）。第二次突水发生在

3、已 15-1711090 采面，该采面位于一水平 已一采区东翼第五区段，东邻襄郏背斜轴部，西至上山和东风井保安 煤柱线，南北均未布置采面。回采走向长 1090m,倾斜宽128m，采面 煤层倾角平均为20°煤层厚平均为5.4m。巷道掘进沿煤层走向和顶 板施工，工字钢金属支架支护。采面里段采煤方法为分层综采，采高 2.2m 左右，全部陷落法管理顶板（图 2）。图 112010 工作面平面示意图图 211090 工作面平面示意图1999年12月27日12:20, 12010采面切眼里帮下机头以上 711m范 围内底板突水，标高-236.4m,最大突水量 240m3/h , 12h后衰减为

4、227m3/h。 28 日 15:30测得二灰水位开始以 0.15m/d 的速度下降，突水 过程呈现出水量相对稳定的非稳定流状态。29日0:00后相对稳定，15d 后水量稳定在 150m3/h。2002年 11月 15日 15:00，11090采面采空区侧底板有水涌出， 水量为 56m3/h ; 18:00水量增大到150m3/h ,同时听到采面有响声，并伴有 煤尘飞扬，14#架后底板鼓起0.4m,水伴着大量煤沿运输机和支架间人 行道奔涌而下，最大突水量达 435m3/h，采面下出口封顶后的平均出 水量为300m3/h，采面突水点标高由-496.6m上升至-457.4m。由于突 水最较大，致使

5、机巷最高点（-457.4m）以里共淹没巷道 508m，最高 点以外自流850m。30d后，水量稳定在168m3/h，水温在38C左右。总之， 2 次突水具有突发性、矿压显现明显、水量大且稳定、水温高等 特征。2 突水原因分析2.1 水文地质条件已 15-1712010采面煤层直接底板为黑色的砂泥岩互层，厚 2.14m。 老底为细砂岩，厚7.71m。采面区段岩层平均倾角为28°掘进过程中 揭露断层28条，走向大致为NE,最大落差10m （图3）。11090采面 直接底为砂质泥岩，厚1.83.25m;老底为细砂岩，厚6.9m。采面在 掘进期间共揭露大小断层17条，影响走向长398m,断层

6、组的2条主 要断层间距23m，对采面影响较大（图4）。两采面下部为晚石炭世上古生界石炭系太原群上部灰岩段 17层和寒武系(表1)表1煤层与底板地层情况表古生界二叠系已煤段已15-17煤厚10.6m裂缝承压水砂泥岩厚8.1m石 炭系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 铝 土岩厚8.2m寒武系灰色白云质灰岩图 312010 采面水文地质单元示意图图 411090 采面水文地质单元示意图已 15-17 12010 采面处于正断层 F2( / 63° H=47m)、F6(

7、/ 77°,H=52m) 之间，风巷上部有正断层 F3( /65° H=11m)、F4 (Z 58° H=18m)(图 3)。11090采面南北方向以襄郏一号正断层和灵武山向斜为骨干 构成边界。东西方向以 11090逆断层带和沟李封断层为边界。沟李封断层和襄郏一号正断层交汇处应力集中，裂隙也相对发育，和富水带 共同构成了突水的富水区和迳流带(图 4)。两采面均为相对独立的水 文地质单元，静储量丰富，富含承压水。2.2 充水水源分析石炭系一灰岩是泥灰岩，二灰岩是两采面突水的直接富含水层；三灰岩的富水性最差；四至七灰岩含水层单位涌水量为 0.0750.019L/(s

8、m),四灰岩不发育，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联系。寒武系白云质灰岩单位涌水 量为0.226L/(sm),在石炭系110m以下，岩溶较发育。2 个采面突水水量大且较为稳定， 水压高， 说明有丰富的补给水源， 呈 现出承压水的一般规律。 据突水水质分析结果知， 2次突水水源不是顶 板或第四系水， 而是灰岩含水层水。 两采区恒温带在地表以下 2530m 附近，温度为17.2C，地温梯度12 下一页td二"13480"为 3.235C /hm。12010采面突水温度为22C，出水点距地面高-300m左右，预计水温 为24C，与二

9、灰水水位基本相符，突水后二灰水水位一直下降也说明了突水水源主要是二灰水。 地质勘探表明， 在没有大量疏水的情况下， 12010采面下的二灰水水位下降了 150m 以上，说明该面二灰水的补给 条件差，以消耗储量为主。二灰水水头高度为210m，由于该面回采时最大突水量达 2403/h ，至采面回采结束底板二灰水的涌水量尚有 30m3/h ，表明二灰岩有一定的富水性和渗透性，在有足够排水能力的 情况下，不会影响安全生产（图 5）。图 5 突水水量、水温、二灰岩水动态曲线示意图11090采面突水之初水温为30 C, 4d后稳定在38 C左右。11090采面 突水处标高为-498m,预计该处水温为35C

10、,而实际水温为38C左右， 说明突水补给水源应在 -550m 以下,是石灰系五灰水和寒武系中白云 质灰岩水。从五炭岩观测孔水位动态看,五灰水水位稍有下降（只有 五灰水观测孔在突水面附近且中间无断层,但在突水时该孔还没有施 工完）,说明五灰水是主要的补给水源。综上认为, 11090 采面突水水 源为石炭系二灰水,补给水源为石炭系五灰水和寒武系白云质灰岩水 （图 6）。图 6 突水水量、水温、五灰岩水动态曲线示意图2.3 导水通道分析底板破坏带与岩溶水断层破碎带是两采面底板突水的主要通道，断层 煤柱构造和裂隙发育，隔水层完整性遭到破坏，给突水提供了通道。据突水的特征推断， 11090 采面突水通道

11、为溶蚀裂隙 管道水流系统； 12010 采面突水通道为与切眼成 40°交角的一个构造裂隙； 11090 采面 突水补给通道：一是襄郏背斜仰起端的石炭系灰岩隐伏露头区，其迳 流通道是襄郏背斜轴部；二是沟李封正断层和襄郏一号正断层交汇处 的三角地带。 12010 采面的补给通道微细。2.4 突水机理分析矿井突水的必要条件是有足够的水量，有较大的水压力，并受到采动 的影响。两采面突水水量较大且稳定，表明水源相对充足；突水过程 造成底板断裂或底鼓，表明水压力较高。从两采面突水看，底板断裂构造薄弱带是造成突水的主要因素。断裂构造在突水中的作用： 一是使 12010 采面隐伏构造发育带、 110

12、90 采面 背斜轴部等处成为突水易发生部位；二是 11090 采面断裂构造发育， 使各含水层具有良好的水力联系。两采面矿压和水压是底板突水的诱 导、触发因素。采动矿压对底板的破坏主要有 3 种：一是离层导致层 间破坏；二是采空区周边反向作用力导致剪切破坏；三是水平拉力导 致垂向破坏。采动矿压对两采面底板隔水层产生813m的破坏深度，使各个方向的先存断裂不同程度地发生 “活化”；新产生的裂隙、 先存断 裂与含水体原始导升带连通，承压水沿着裂隙上升，冲刷结构面，裂 隙软化扩大， 逐渐形成较大的过水通道导致突水。 11090采面底板裂隙 的突然导通致使突水来势猛，呈爆发态，但 12010 采面切眼为裂隙迟 到突水。综上认为，采面突水原因在于煤层开采后，底板应力场发生 了变化，断层的拉伸张裂带更加发育并产生裂隙，随着采空区应力的 降低，底板隔水层的抗张强度低于底板水压力， 隔水层厚度相对不足， 超过弹性变形极限而出现裂隙，同时原生裂隙进一步扩张，断层进一 步被活化，终使底板隔水层断裂，导至突水。3 结语1 ）平顶山十三矿采面底板突水规律为水量大、水压高、水温高，且相 对稳定。 11090 采面突水水源为石炭系二灰水， 补给水源为石炭系五灰 水和寒武系白云质灰岩水； 突水通道为溶蚀裂隙。 12010 采面突