平顶山十三矿突水特征与原因分析

平顶山十三矿突水特征与原因分析平顶山十三矿突水特征与原因分析 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 15 17 12010 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 1 285m 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 水发生在已 15 17 11090 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 1 090m 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 1 12010 工作面平面示意图 图 2 11090 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 7 11m 范围内底板突水 标高 236 4m 最大突水量 240m3 h 12h 后衰减为 227 m3 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 150 m3 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 5 6 m3 h 18 00 水量增大到 150 m3 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 435 m3 h 采面下出口封顶后的平均出水量为 300 m3 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 168 m3 h 水温在 38 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 17 12010 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 8 3 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 1 7 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 3 12010 采面水文地质单元示意图 图 4 11090 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 77 h 52m 之间 风巷上部有正断层 f3 65 h 11m f4 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 0 075 0 019l s 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 s m 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 25 30m 附近 温度为 17 2 地温梯度为 3 2 3 5 hm 12010 采面突水温度为 22 出水点距地面高 300m 左右 预 计水温为 24 与二灰水水位基本相符 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 4d 后稳定在 38 左右 11090 采面突水处标高为 498m 预计该处水温为 35 而实际 水温为 38 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 11090 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 8 13m 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