礦井突水是威脅煤礦安全生產的重要災害之一。對突水機理及突水危險性評價和預測是解決突問題的關鍵技術基礎，構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座設計能力180萬t/a的大型礦井，礦井水文地質條件復雜，在生產過程中出現了2次較大的突水事故。井田煤系地層屬于石炭二疊紀，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，構造形態(tài)為一地壘型的復向斜構造，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系，阻隔了區(qū)域基巖地下水向井田的側向補給，使本井田成為一相對獨立的水文地質單元。

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°，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，西至上山和東風井保安煤柱線，南北均未布置采面。回采走向長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范圍內底板突水，標高-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°，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

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

寒武系灰色白云質灰?guī)r

圖3 12010采面水文地質單元示意圖



圖4 11090采面水文地質單元示意圖

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正斷層和靈武山向斜為骨干構成邊界。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力集中，裂隙也相對發(fā)育，和富水帶共同構成了突水的富水區(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·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存在水力聯系。寒武系白云質灰?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，呈現出承壓水的一般規(guī)律。據突水水質分析結果知，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（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采面突水處標高為-498m，預計該處水溫為35℃，而實際水溫為38