平頂山十三礦突水特征與原因分析
礦井突水是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一。對突水機理及突水危險性評價和預(yù)測是解決突問題的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，構(gòu)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(shè)計能力180萬t/a的大型礦井，礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了2次較大的突水事故。井田煤系地層屬于石炭二疊紀，二疊系已煤組的二1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(gòu)造形態(tài)為一地壘型的復(fù)向斜構(gòu)造，四周受接近東西向兩組張性斷裂的控制，形成一多邊形的地壘型斷塊，由于煤田相對抬起，切斷了與周圍區(qū)域含水層的直接水力聯(lián)系，阻隔了區(qū)域基巖地下水向井田的側(cè)向補給，使本井田成為一相對獨立的水文地質(zhì)單元。
1 采面概況及突水過程特征
平頂山十三礦目前開采已組煤層，發(fā)生的2次突水事件分布在已一和已二的2個采區(qū)。第一次突水發(fā)生在已15-17－12010采面，該采面位于一水平已二采區(qū)東翼第一區(qū)段，東至侯村保護煤柱線，西到上山保安煤柱，北至防水煤柱，南部尚未布置采面。采面走向長1 285m，傾斜寬130m，采面煤層傾角平均為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(fā)生在已15-17－11090采面，該采面位于一水平已一采區(qū)東翼第五區(qū)段，東鄰襄郟背斜軸部，西至上山和東風井保安煤柱線，南北均未布置采面?；夭勺呦蜷L1 090m，傾斜寬128m，采面煤層傾角平均為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。采面里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工作面平面示意圖
圖2 11090工作面平面示意圖
1999年12月27日 12:20，12010采面切眼里幫下機頭以上7～11m范圍內(nèi)底板突水，標高-236.4m，最大突水量240m3/h，12h后衰減為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(xiàn)出水量相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定流狀態(tài)。29日0:00后相對穩(wěn)定，15d后水量穩(wěn)定在150 m3/h。
2002年11月15日15:00，11090采面采空區(qū)側(cè)底板有水涌出，水量為5～6 m3/h；18:00水量增大到150 m3/h，同時聽到采面有響聲，并伴有煤塵飛揚，14#架后底板鼓起0.4m，水伴著大量煤沿運輸機和支架間人行道奔涌而下，最大突水量達435 m3/h，采面下出口封頂后的平均出水量為300 m3/h，采面突水點標高由-496.6m上升至-457.4m。由于突水最較大，致使機巷最高點（-457.4m）以里共淹沒巷道508m，最高點以外自流850m。30d后，水量穩(wěn)定在168 m3/h，水溫在38℃左右。
總之，2次突水具有突發(fā)性、礦壓顯現(xiàn)明顯、水量大且穩(wěn)定、水溫高等特征。
2 突水原因分析
2.1 水文地質(zhì)條件
已15-17－12010采面煤層直接底板為黑色的砂泥巖互層，厚2.14m。老底為細砂巖，厚7.71m。采面區(qū)段巖層平均傾角為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采面直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.8～3.25m；老底為細砂巖，厚6.9m。采面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，對采面影響較大（圖4）。兩采面下部為晚石炭世上古生界石炭系太原群上部灰?guī)r段1～7層和寒武系（表1）。
表1 煤層與底板地層情況表
古生界
二疊系
已煤段
已15-17煤厚10.6m
裂縫承壓水
砂泥巖厚8.1m
石炭系
上部灰?guī)r段
一灰?guī)r厚10m
巖
溶
水
二灰?guī)r厚8.0m
三灰?guī)r厚7.8m
砂泥巖段
砂泥巖厚16.6m
下部灰?guī)r段
四灰?guī)r厚7m
五至七灰?guī)r厚7.4m
鋁土巖厚8.2m
寒武系灰色白云質(zhì)灰?guī)r
圖3 12010采面水文地質(zhì)單元示意圖
圖4 11090采面水文地質(zhì)單元示意圖
已15-17－12010采面處于正斷層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采面南北方向以襄郟一號正斷層和靈武山向斜為骨干構(gòu)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匯處應(yīng)力集中，裂隙也相對發(fā)育，和富水帶共同構(gòu)成了突水的富水區(qū)和逕流帶（圖4）。兩采面均為相對獨立的水文地質(zhì)單元，靜儲量豐富，富含承壓水。
2.2 充水水源分析
石炭系一灰?guī)r是泥灰?guī)r，二灰?guī)r是兩采面突水的直接富含水層；三灰?guī)r的富水性最差；四至七灰?guī)r含水層單位涌水量為0.075～0.019L/(s·m)，四灰?guī)r不發(fā)育，富水性差，六灰?guī)r和七灰?guī)r局部富含水，五灰?guī)r富含水；二灰?guī)r和五至七灰?guī)r存在水力聯(lián)系。寒武系白云質(zhì)灰?guī)r單位涌水量為0.226L/(s·m)，在石炭系110m以下，巖溶較發(fā)育。
2個采面突水水量大且較為穩(wěn)定，水壓高，說明有豐富的補給水源，呈現(xiàn)出承壓水的一般規(guī)律。據(jù)突水水質(zhì)分析結(jié)果知，2次突水水源不是頂板或第四系水，而是灰?guī)r含水層水。兩采區(qū)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采面突水溫度為22℃，出水點距地面高-300m左右，預(yù)計水溫為24℃，與二灰水水位基本相符，突水后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(zhì)勘探表明，在沒有大量疏水的情況下，12010采面下的二灰水水位下降了150m以上，說明該面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，由于該面回采時最大突水量達2403/h，至采面回采結(jié)束底板二灰水的涌水量尚有30m3/h，表明二灰?guī)r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(chǎn)（圖5）。
圖5 突水水量、水溫、二灰?guī)r水動態(tài)曲線示意圖
11090采面突水之初水溫為30℃，4d后穩(wěn)定在38℃左右。11090采面突水處標高為-498m，預(yù)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(yīng)在-550m以下，是石灰系五灰水和寒武系中白云質(zhì)灰?guī)r水。從五炭巖觀測孔水位動態(tài)看，五灰水水位稍有下降（只有五灰水觀測孔在突水面附近且中間無斷層，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采面突水水源為石炭系二灰水，補給水源為石炭系五灰水和寒武系白云質(zhì)灰?guī)r水（圖6）。
圖6 突水水量、水溫、五灰?guī)r水動態(tài)曲線示意圖
2.3 導(dǎo)水通道分析
底板破壞帶與巖溶水斷層破碎帶是兩采面底板突水的主要通道，斷層煤柱構(gòu)造和裂隙發(fā)育，隔水層完整性遭到破壞，給突水提供了通道。
據(jù)突水的特征推斷，11090采面突水通道為溶蝕裂隙——管道水流系統(tǒng)；12010采面突水通道為與切眼成40°交角的一個構(gòu)造裂隙；11090采面突水補給通道：一是襄郟背斜仰起端的石炭系灰?guī)r隱伏露頭區(qū)，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匯處的三角地帶。12010采面的補給通道微細。
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，并受到采動的影響。兩采面突水水量較大且穩(wěn)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。
從兩采面突水看，底板斷裂構(gòu)造薄弱帶是造成突水的主要因素。斷裂構(gòu)造在突水中的作用：一是使12010采面隱伏構(gòu)造發(fā)育帶、11090采面背斜軸部等處成為突水易發(fā)生部位；二是11090采面斷裂構(gòu)造發(fā)育，使各含水層具有良好的水力聯(lián)系。兩采面礦壓和水壓是底板突水的誘導(dǎo)、觸發(fā)因素。采動礦壓對底板的破壞主要有3種：一是離層導(dǎo)致層間破壞；二是采空區(qū)周邊反向作用力導(dǎo)致剪切破壞；三是水平拉力導(dǎo)致垂向破壞。采動礦壓對兩采面底板隔水層產(chǎn)生8～13m的破壞深度，使各個方向的先存斷裂不同程度地發(fā)生“活化”；新產(chǎn)生的裂隙、先存斷裂與含水體原始導(dǎo)升帶連通，承壓水沿著裂隙上升，沖刷結(jié)構(gòu)面，裂隙軟化擴大，逐漸形成較大的過水通道導(dǎo)致突水。11090采面底板裂隙的突然導(dǎo)通致使突水來勢猛，呈爆發(fā)態(tài)，但12010采面切眼為裂隙遲到突水。綜上認為，采面突水原因在于煤層開采后，底板應(yīng)力場發(fā)生了變化，斷層的拉伸張裂帶更加發(fā)育并產(chǎn)生裂隙，隨著采空區(qū)應(yīng)力的降低，底板隔水層的抗張強度低于底板水壓力，隔水層厚度相對不足，超過彈性變形極限而出現(xiàn)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(dǎo)至突水。
3 結(jié)語
1）平頂山十三礦采面底板突水規(guī)律為水量大、水壓高、水溫高，且相對穩(wěn)定。11090采面突水水源為石炭系二灰水，補給水源為石炭系五灰水和寒武系白云質(zhì)灰?guī)r水；突水通道為溶蝕裂隙。12010采面突水水源為石炭系二灰水，補給水源微弱，主要通道是與切眼成40°角的構(gòu)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(fā)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(zhì)勘查，再采取防水煤巖柱等有效措施，以防止突水事故的發(fā)生。
《礦業(yè)安全與環(huán)?！? （于輝光、郭德勇、吳建亭）
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