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
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td="13480">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；突水通道为溶蚀裂隙。12010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次扩张，断层进一步被活化，隔水层度相对不足，高压水致使隔水层断裂，从而发生了2次突水事件。建议在二灰承压水上采煤时，首先进行水文地质勘查，再采取防水煤岩柱等有效措施，以防止突水事故的发生。
《矿业安全与环保》 （于辉光、郭德勇、吴建亭）
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