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平頂山十三礦突水特征與原因分析

　　評(píng)論：　更新日期：2008年05月13日

礦井突水是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一。對(duì)突水機(jī)理及突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)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(jì)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(jì)，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(duì)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(bǔ)給，使本井田成為一相對(duì)獨(dú)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(gè)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(hù)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(zhǎng)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(zhǎng)壁，沿煤層頂板放頂煤一次采全高，工字鋼金屬支架支護(hù)（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(fēng)井保安煤柱線，南北均未布置采面?；夭勺呦蜷L(zhǎng)1 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(jìn)沿煤層走向和頂板施工，工字鋼金屬支架支護(hù)。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(jī)頭以上7～11m范圍內(nèi)底板突水，標(biāo)高-236.4m，最大突水量240m³/h，12h后衰減為227 m³/h。28日15:30測(cè)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(duì)穩(wěn)定的非穩(wěn)定流狀態(tài)。29日0:00后相對(duì)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(shí)聽到采面有響聲，并伴有煤塵飛揚(yáng)，14^#架后底板鼓起0.4m，水伴著大量煤沿運(yùn)輸機(jī)和支架間人行道奔涌而下，最大突水量達(dá)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(diǎn)標(biāo)高由-496.6m上升至-457.4m。由于突水最較大，致使機(jī)巷最高點(diǎn)（-457.4m）以里共淹沒巷道508m，最高點(diǎn)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(xì)砂巖，厚7.71m。采面區(qū)段巖層平均傾角為28°，掘進(jìn)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(xì)砂巖，厚6.9m。采面在掘進(jìn)期間共揭露大小斷層17條，影響走向長(zhǎng)398m，斷層組的2條主要斷層間距23m，對(duì)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(fēng)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(hào)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(hào)正斷層交匯處應(yīng)力集中，裂隙也相對(duì)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(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，靜儲(chǔ)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(gè)采面突水水量大且較為穩(wěn)定，水壓高，說明有豐富的補(bǔ)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℃，地溫梯度為3.2～3.5℃/hm。

12010采面突水溫度為22℃，出水點(diǎn)距地面高-300m左右，預(yù)計(jì)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(bǔ)給條件差，以消耗儲(chǔ)量為主。二灰水水頭高度為210m，由于該面回采時(shí)最大突水量達(dá)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(huì)影響安全生產(chǎn)（圖5）。