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(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%uB0,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(fēng)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%uB0,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(biāo)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(biāo)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%uB0,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
消防檢測總平面布局、防火分區(qū)、平面布置、安全疏散和避難、建筑防火構(gòu)造、滅火救援設(shè)施、消防設(shè)施、消防供電、暖通防火、電氣防火等。
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
燒樣檢測對燃氣和電氣設(shè)備的檢查維修有關(guān)人員,應(yīng)定期進行再教育培訓(xùn)。
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%uB0,H=47m)、F6(∠77%uB0,H=52m)之間,風(fēng)巷上部有正斷層 F3(∠65%uB0,H=11m)、F4(∠58%uB0,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%uB7m),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%uB7m),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(biāo)高為-498m,預(yù)計該處水溫為35℃,而實際水溫為38