永城矿区地处黄淮平原腹部，位于河南省永城市、夏邑县境内，河南煤矿区东部，是国家“八五”、“九五”期间建设的重点矿区。矿区南北长55km，东西宽25km，面积1150km2。矿区所属永城煤电集团、神火煤电集团，目前有6对生产矿井，一对在建矿井，生产能力1500×104t/a。
一、气象水文
永城矿区主要河流有王引河、沱河、浍河、包河等，自西北向东南流过并注入淮河，属淮河水系，河流为季节性河流。
二、地形地貌
永城矿区位于华北冲积平原的东南边缘，淮河冲积平原的北部，A河故道的南侧，矿区地面标高+32m。矿区内被厚度51.30～545.70m、平均厚312.97m的新生界松散沉积物所覆盖，其厚度的变化受古地形、大地构造运动的强度与沉降幅度的制约，同时也控制着地下水的补给、径流与排泄。
三、地层构造
永城矿区属华北型石炭系—二叠系隐蔽式煤田，矿区各井田分布于永城复式背斜两翼，矿区四周几乎被高角度正断层所围限，第三系底部普遍沉积有厚层粘土，阻断了新生界含水层及地表水的补给。含煤地层为下二叠统山西组和下石盒子组，目前主采煤层为山西组二2煤，煤层赋存稳定，平均厚度2.7m，普遍可采，开采深度从-300m～-700m。矿区各井田内断层较发育，大多为高角度正断层，小断层犹为发育，落差3m以上的断层达20条/km2以上。经钻探和采掘工程揭露证实，大、小断层基本上都不导水。
四、水文地质
永城矿区是一个封闭-半封闭的相对独立的水文地质单元。矿区煤层底板充水的主要水源为太原组灰岩喀斯特裂隙承压水，其次为二2煤层底板砂岩裂隙承压水。
1.主要含水层组与隔水层组
按含水层岩性特征、空隙性质、地下水的埋藏条件分，将含水层划分为三种类型。
（1）孔隙潜水—承压水含水层组：含水层自上而下由新生界第四系全新统和上第三系5个含水砂层组组成，埋藏深度分别位于0～35m、35～100m、100～150m、150～300m及300m以深。浅层为孔隙潜水，水质类型为
（2）裂隙承压水含水层组：由二叠系石盒子组、山西组中细粒砂岩及燕山期岩浆岩组成。上石盒子组中粗砂岩裂隙相对发育，单位涌水量0.12～0.627L/s·m，下石盒子组三煤组及山西组二2煤层顶板砂岩裂隙一般不发育，单位涌水量小于0.1L/s·m，富水性弱，以静储量为主。岩浆岩裂隙水的单位涌水量小于0.003L/s·m，富水性差，均不构成煤层开采时充水的主要水源。
（3）喀斯特裂隙承压水含水层组：含水层为上石炭统太原组灰岩和奥陶系灰岩。太原组灰岩共12层，总厚40～50m，编号自下而上为L1至L12。L11厚1～2m，裂隙不发育，含水很弱。L11上距二2煤底板约50m，其上部有厚约10m的海相泥岩。L9、L10均为3～5m，富水性亦较差。其中L8、L2灰岩沉积稳定，喀斯特发育，富水性强，静水压力传递快，裂隙发育程度和渗透性能沿垂直方向向下逐渐减弱，具非均质各向异性，单位涌水量可达2.87L/s·m，矿化度2～3g/L，水质类型属
2.地下水的补给、径流与排泄
大气降水垂直下渗是潜水主要补给来源。洪水期间地表水补给地下水；平水期、枯水期地下水以补给河水为主要排泄途径。深层水补给主要有两个方面：大面积冲积平原地下水的侧向补给；局部地段隔水层变薄或尖灭，造成含水层越流向下补给。径流方向为NW—SE向。以潜水方式排泄于上部含水层或地表水体之中。
砂岩裂隙水在裸露区直接接受大气降水、潜水、地表水的补给，在新地层掩盖区，底部松散孔隙承压水局部沿风化带或采空塌陷带补给基岩含水层。矿井的长期排水是主要泄水方式。
灰岩喀斯特裂隙水的补给：井田受边界断层切割，使煤系地层形成地垒而构成封闭半封闭相对的独立水文地质单元。区内含水层间水力联系较为密切，局部地段存在越流补给，因而其富水性较好。
3.充水因素分析
地表水：由于覆盖层底部普遍发育有粘土隔水层，地表水及大气降水对煤层开采无影响。
新生界底部松散孔隙承压水：新生界底部的隔水层沿煤层露头一带使上部的含水层垂直下渗受到限制，煤层采后留足防水煤柱时，一般不会充入矿坑。
煤层顶板砂岩裂隙承压水：煤层顶板砂岩层间裂隙水是开采各煤层的主要充水水源，但其水量微弱，补给量有限，易于疏干。
太原组上段灰岩喀斯特裂隙承压水：开采二2煤层时，虽然隔水层较厚达50m，但由于煤层底板裂隙发育，易造成突水。通过近几年的生产，先后发生数次突水事故，使得太原组上段灰岩喀斯特裂隙承压水成为矿井涌水的主要水源。
太原组下段灰岩及奥陶系灰岩喀斯特裂隙水：L2和奥陶系灰岩分别位于二2煤层底板以下150m、200m，一般情况下不会发生直接突水。在断层、裂隙的切割部位具有侧向和垂向补给条件，通过直接充水含水层而间接对矿井充水。
五、突水状况
据统计，自1985年以来，永城矿区所属矿井共发生灰岩突水14 次［17］（表2-1），其中按采掘地点分类，发生在采煤工作面的突水有8次，掘进巷道中6次。按与断层关系分类，与断层有关的灰岩突水只有两次，其余的12 次突水通道均为二2煤层底板砂岩裂隙。在突水点附近没有小断层，距落差较大的断层（大于30m）大都在100m以上。与断层有关的两次突水，一次是1994年11月永城陈四楼煤矿北翼轨道及皮带大巷突水，由于落差89m的F39断层的影响，造成北轨、北皮穿越断层后与下盘的L8灰岩对接，当巷道掘进至距F39断层4m时，北轨、北皮相继突水，总水量860m3/h。另一次是1985年11月神火葛店煤矿15021采煤工作面突水，该采面紧靠落差40m的F7断层，煤层底板裂隙带已超过L11，工作面推进30m即发生灰岩突水，水量270m3/h。
表2-1 永城矿区煤层底板灰岩突水统计表
续表
六、突水原因
1.原生裂隙突水
煤层底板岩层原生裂隙属于张性裂隙，为较好的导水通道，当掘进巷道或采煤工作面揭露或接近这些裂隙时，容易发生突水。神火葛店煤矿1999年9月12日掘进26采区皮带煤下山时遇一条宽约10cm的裂隙突水，水量110m3/h；1999年10月12日掘进与26皮带下山平行、相距20m的轨道下山遇到该裂隙时，宽20cm，突水量270m3/h。神火葛店煤矿北翼运输大巷位于二2煤底板下部18m，岩性为细砂岩，1993年6月巷道掘进中，遇到6条宽3～10cm的裂隙而发生灰岩突水，水量370m3/h。
2.活化裂隙突水
煤层底板岩层原生裂隙属于闭合或半闭合，受到采动影响，在矿压和灰岩水压作用下，原生闭合裂隙张开，加之产生新的裂隙，导致灰岩突水。这种突水表现为先来压力，巷道发生变形，裂隙逐渐张开而突水。压力通过裂隙的逐渐张开得以逐渐释放，水量的增大呈现一个渐变的过程，有时裂隙一旦连通也可发生突变。永城车集煤矿2401 工作面，2111工作面，2106轨道顺槽等几处的突水都属于这种类型。2401综采工作面2001年9月10日开始采煤，发现底板砂岩中有一组与工作面斜交的裂隙渗水。该工作面采深700m，太原组灰水压力6 MPa。随着工作面的推进，采场压力增大，裂隙逐渐张开，16日采空区内涌水量增至100m3/h，21日工作面推进65m，18时水量增至140m3/h，工作面内有一条宽约10cm的突水裂隙，24小时逐渐增大到550m3/h，突水点附近的液压支架所承受的压力也由28 MPa逐渐增至45 MPa。
3.原始导高突水
灰岩上部岩层中的裂隙未达到煤层底板，形成承压水原始导高带。煤层开采后由于矿山压力作用，底板以下形成采动破裂带。在矿压和水压的联合作用下，原始导高裂隙会向上发展，与底采动破裂带贯通之后，就形成了新的导水通道，造成所谓的原始导高突水。由于各种裂隙的突然连通，这种突水往往来势猛，造成恶性突水事故。永城车集煤矿2107综采工作面、永城陈四楼煤矿2301 工作面的突水就属于这种类型。永城车集煤矿2107综采工作面，于2000年7月28日出现底鼓，巨大的压力使工作面底板鼓起近1m，形成多处垂直于工作面的裂隙，造成40多架液压支架严重损坏，十几根大立柱折断，二十几根大立柱穿透顶部钢板，1h后发生突水，水量达855m3/h，突水点集中在3处。当时该工作面采深570m，水压5MPa。
七、突水实例
陈四楼井田位于永城隐伏背斜的西翼，第三系和第四系冲积层厚度300～400m。区内主要含煤地层为山西组和下石盒子组，主采煤层为山西组二2煤层。煤系下伏地层为石炭系（含薄层石灰岩11层），编号自下而上为L1—L11，奥陶系灰岩喀斯特溶洞裂隙承压含水层发育。据统计，陈四楼煤矿自1991年开工建设，1997年投产至今，发生突水10 余次，其中严重影响生产与施工且突水量大于150m3/h 的煤层底板突水两次，第一次为1994年11月15日北翼皮带大巷，最大突水量860m3/h；第二次为1995年北翼轨道大巷，最大突水量160m3/h。其突水机理如下分析。
1.地质构造特征
图2-1 陈四楼井田走向（A-A′）地质剖面示意图
（据侯士宁，2001）
经过多期构造运动，在燕山期形成现在的构造格局。陈四楼井田内构造以断裂为主，褶皱为辅。主要发育EW向断裂5组，该5组断裂控制了SN向断层的发展，将井田割成6个块段。井田内绝大多数断裂表现为高角度正断层，因此在剖面上多呈地垒与地堑构造（图2-1）。地垒与地堑构造形态形成了承压水在井田内分布的不均一性，因而不同地点受水害威胁的程度不一样，井田北部以-440m标高以下受水害威胁较为严重。高角度正断层深切太灰、奥灰，直接引导灰岩水进入煤层，有的造成灰岩与煤层相接。如此构造特征，使断裂间的连通较好，北翼皮带大巷和北翼轨道大巷就是二2煤层与太原组上段灰岩（L8）强含水层对接而发生的2起突水事故的地点。断裂构造发育，使各含水层具有良好的水力联系，断层及岩石裂隙构造发育，突水机率较大。
2.水文地质边界
陈四楼井田地层总体上是一个向西倾斜的单斜构造，井田北、西、南边界由断层构成，东边界为煤层露头。在永城背斜轴部有奥陶系、石炭系及二叠系掩伏露头。由于冲积层的阻隔，井田内不接受大气降水的补给；在井田北部芒山、荡山有奥灰出露，直接接受大气降水补给，为补给边界。井田北部及东部露头接受地下水沿各种通道的补给，为导水边界，井田西部为阻水边界，使得地下水得以储存，井田属于一个封闭—半封闭的水文地质单元，静储量丰富，富含承压水。
3.原生裂隙
陈四楼井田小断层较为发育，伴随煤层及其顶底板岩石裂隙也发育。裂隙是在水平剪切力作用下形成“X”型剪切节理基础上，彼此之间连通性好。受灰岩高承压水（5 MPa）作用，太灰水充填裂隙，形成原生导高。据统计，北四采区三维高分辨率地震勘探发现，错断二2煤层落差3m以上断层89条，断层密度22条/km2；首采区在采掘过程中实见落差1m以上的断层120余条，均为正断层，断层密度60 条/km2；南五采区三维地震勘探发现，错断二2煤层落差3m以上断层46条，断层密度21条/km2。
4.采动裂隙
人为破裂是采动矿压对底板破坏所产生的底板岩层破裂。其破裂深度与岩石的坚固系数、工作面宽度、开采深度、煤层倾角等因素有关。根据邻区资料，建立了预计破坏深度的多元非线性回归方程为：
h=7.9291 ln（L/24）+0.009 H+0.0448α-0.3113f
式中：h——底板破坏深度/m；
L——工作面斜长/m；
H——开采深度/m；
α——煤层倾角/°；
f——底板岩石的坚固性系数［7］。
根据上式计算出陈四楼煤矿在-440m标高、190m宽的综采工作面采动底板破坏深度为20m。在断裂带附近，如果人为破裂与充水的原生裂隙通道导通将会发生突水事故。例如，永城车集煤矿2107综采工作面在2000年7月28日突水850m3/h。
5.隔水层特征
永城陈四楼煤矿开采煤层为二叠系山西组底部二2煤，煤层底板岩性为砂质泥岩、粉砂岩和中、细粒砂岩，据下伏太原组最上一层灰岩L11平均为50m，据较强含水层L8灰岩约80m。因而，受各种裂隙影响，降低了隔水层的强度，增加了突水危险程度。正常情况下可以阻抗太原组薄层灰岩突水。
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