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猜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座制定能力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，切断了与四周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。二叠系已煤段裂缝承压水石炭系上部灰岩段一灰岩厚10m岩溶水砂泥岩段下部灰岩段四灰岩厚7m寒武系灰色白云质灰岩图312021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15-17－12021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。℃℃/hm。12021采面突水温度为22℃，出水点距地面高-300m左右，估计水温为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。地质勘探说明，在没有大量疏水的状况下，12021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，说明二灰岩有一定的富水性和渗透性，在有足够排水能力的状况下，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，估计该处水温为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四周且中间无断层，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；12021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。12021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，说明水源相对充足；突水过程造成底板断裂或底鼓，说明水压力较高。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12021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，使各含水层具有优良的水力联系。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，裂隙软化扩展，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，呈突发态，但12021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，隔水层厚度相对不够，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。12021采面突水水源为石炭系二灰水，补给水源微弱，主要通道是与切眼成40°角的构造裂隙。2〕平顶山十三矿在二灰承压水上回采时，底板受采动影响原生裂隙再