榆橫北區富水煤層巷道掘進防治水技術

王春林，劉 洋，方 剛，4，李彥民，梁向陽，姬 強，楊 冬，管生玉

（1.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054）

我國陜北侏羅紀煤田榆橫北區內規劃有10余個千萬噸級超大型煤炭礦山[1-2]，但近年來，在該礦區內發現有富水煤層這一類新型水害隱患，對于區內在建、生產礦井均造成了一定程度的影響[3-5]。尤其對于基建礦井而言，其排水裝備、水處理系統等尚未健全，對于煤層水害的抵御能力更顯薄弱。在礦井建設期間，井下巷道掘進則最大程度地面臨煤層水害的威脅，特別是在礦井二期、三期建設過程中，如何去除此類水害對巷道掘進的安全威脅，則為區內礦井面臨的重要挑戰。

雖然煤層水害在我國采煤史上較為罕見，在目前此類條件下的采掘實踐有限[4-7]，但針對巷道掘進過程中所面臨的其它各類水害問題，多年來諸多學者及業內專家均取得了豐碩的研究成果和應用經驗[8-9]。趙寶峰[10]等針對強富水弱膠結含水層下巷道掘進防治水和支護問題，提出采用定向鉆對頂板含水層富水性進行探查和疏放，局部隔水層薄弱區進行鉆孔和錨桿注漿加固改造，巷道破碎區采用U型鋼棚支護。張海波[11]等通過多種鉆孔施工方法結合，采用高性能注漿材料加固巷道，解決破碎巷道高壓富水問題。李德彬[12]通過涌水量預計結合鉆孔布置，對工作面風氧化帶突水潰沙災害進行防治，并提出安全回采的必備條件和水文地質工作程序。周朝輝[13]通過理論計算預測巖巷掘進過斷層的突水危險性，采取超前鉆探疏降水壓、增設排水系統、改變掘進工藝及注漿堵水等措施確保巷道安全施工。王小坡[14]等采用深孔排水、“深孔+淺孔”注漿、留設觀測孔等措施，對巷道掘進過程中的頂板采空區水害進行綜合防治。何磊[15]等應用地質雷達、紅外探水儀及超前鉆探手段，對掘進巷道進行超前探測預報，并通過鉆孔驗證、注漿堵水治理保證巷道安全掘進。

但由于采掘條件、空間分布等差異原因，對于榆橫北區內富水煤層巷道掘進過程中的防治水技術研究仍需更進一步的研究和探索。

1 礦井概況

巴拉素煤礦位于陜北侏羅紀煤田榆橫北區中西部，井田面積近300 km2，首采區約61 km2。首采侏羅系延安組2號煤層，厚度約3.8 m，埋深約480 m，礦井設計產能10 Mt/a。

井田地表水系不發育，受大氣降水影響微弱。2號煤層上覆有侏羅系部分延安組（厚度36 m，富水性弱）、直羅組（厚度125 m，富水性弱），白堊系洛河組（厚度195 m，富水性弱～中等）等基巖孔隙含水層，但目前影響礦井建設、生產的最大水害為2號煤層自身存在的煤層水問題。

由于前期探查、揭露發現的井田2號煤層局部富水異常，礦井井底車場整體下移18 m進行巖巷掘進。2號煤層以下30～40 m為3號煤層，厚度約6 m，且該煤層不富水。

2 現行防治水工作

2.1 井下鉆探工程

由于井底車場多個井巷工程的揭煤時間需要，在井下布設了多個鉆探施工點，進行2號煤層水的超前探查、疏放工作。采用“長鉆+短鉆”的方法進行長距離定向攔截和短距離集中疏放，根據礦井采掘接續安排，具體施工鉆場為礦井煤倉上口檢修巷、2號煤北翼二號輔運大巷、2號煤北翼二號回風大巷、配水閘閥硐室及泵房通道、井底車場換裝硐室等，各施工地點的放水目的分別為探查和疏放井底煤倉、2102工作面運輸巷和輔運巷、2號煤北翼運輸大巷、2101工作面運輸巷、2號煤層下料孔等區域的2號煤層水，井下現行疏放水鉆探工程分布如圖1。

圖1 井下鉆探工程分布圖Fig.1 Underground drilling engineering distribution map

根據井下已完成施工的64個鉆孔（含2個定向鉆長鉆孔）可知，各鉆孔基本在穿越2號煤層過程中，均探查到煤層富水異常，在鉆孔穿出煤層2～3 m后停止鉆進，而后對其煤層水體進行觀測、疏放。

2.2 水體變化監測

通過對64個煤層水探查、疏放鉆孔的終孔水量、水壓觀測發現，各鉆孔終孔水量在13～198 m3/h之間，水壓在0.5～3.6 MPa之間，其中，單孔終孔出水水量在25 m3/h以下的鉆孔有10個，25～50 m3/h之間鉆孔有12個，50～100 m3/h之間鉆孔有23個，150～200 m3/h之間鉆孔有16個，100～150 m3/h之間鉆孔有3個；單孔終孔出水水壓在0.5～1.0 MPa之間鉆孔有14個，1.0～2.0 MPa之間鉆孔有18個，2.0～3.0 MPa之間鉆孔有10個，3.0～3.5 MPa之間鉆孔有14個，3.5 MPa以上鉆孔有8個。井下疏放水鉆孔終孔出水水量及水壓區間分布圖如圖2。

圖2 各鉆孔終孔時的水量、水壓分布圖Fig.2 Water quantity and water pressure distribution diagram of each drilling final borehole

各鉆孔基本在成孔后陸續進行疏放，以此緩解降低探查區的2號煤層總體水量及相應水頭壓力，經一定時間的疏放發現，局部區域的鉆孔之間具有較好的聯通性，整體疏放水體的總量較各鉆孔終孔時有所下降，同時，在疏放周期內2號煤層水體的水量、水壓均有不同程度的下降變化；以此分析，井田內局部富集的2號煤層水整體補給條件有限，認為其以靜儲量為主。井下疏放水鉆孔經一段時間（約60 d）的疏放后，各鉆孔水量均衰減明顯，基本衰減至5～50 m3/h左右，水壓基本在0.4～0.8 MPa之間，礦井累積疏放2號煤層水體約80萬m3。各鉆孔經疏放后的水量及水壓變化曲線圖如圖3。

圖3 各鉆孔疏放后的水量、水壓變化曲線圖Fig.3 Curves of water quantity and water pressure changes after drainage of each borehole

2.3 水化學分析

通過采集鉆孔2號煤層出水水樣，對其水化學特征進行分析，有助于對其水體來源、賦存條件等信息進行獲取[16-17]。由各水體檢測結果可知，其水質類型基本為SO4-Na·（Ca）型水，pH值在7.63～8.04之間，總礦化度在5 820.88～6 202.99 mg/L之間，2號煤層水Piper圖如圖4。

圖4 礦井2號煤層水Piper圖Fig.4 Piper diagram of No.2 coal seam water

由水化學檢測成果數據分析可知，2號煤層水整體徑流、排泄條件較差，基本長期處于封閉狀態，結合與周邊圍巖、煤層的交互溶濾作用，使得其煤層水體的礦化度較高，地下水循環交替條件較差，最終表現為Na+、Ca2+和SO42-的累積、富集[18-20]。

通過上述對2號煤層水體的探查、疏放及水化學分析可知，井田內2號煤層局部存在富水區域，但水體基本以靜儲量為主的形式存在，其賦存條件較為封閉，補給、徑流、排泄條件較差，該情況有助于礦井疏放水工作的高效開展，為后期快速疏干煤層水體、保證井下安全采掘提供有利因素。

3 后期巷道掘進探查

1）“雙層漏斗式”疏放水探查。該項巷道掘進疏放水探查思路是針對工作面巷道揭露2號煤層前的疏放水措施，主要以“短鉆+長鉆”形式組合，首先在工作面兩側巷道分別布置普通短鉆，對巷道周邊10～20 m范圍內的2號煤層水進行探查、疏放，從而形成包圍工作面范圍的“小型疏放水降落漏斗”；而后在其普通短鉆疏放半徑外部30～50 m范圍內，再施工千米定向長鉆，對其工作面外側2號煤層水進行截流，從而形成更大范圍的“大型疏放水攔截漏斗”，以此對工作面巷道掘進提供保障，故簡稱其為“雙層漏斗”疏放水模式。"雙漏斗"疏放水鉆探施工思路設計示意圖如圖5。

圖5“雙漏斗”疏放水探查思路Fig.5 The“double funnel mode”drainage water exploration idea

2）“超前掩護式”疏放水探查。根據礦井采掘接續變化，現井下2號煤北翼規劃的5條大巷中，一號回風大巷和二號回風大巷超前掘進于其他3條大巷，即帶式輸送機大巷、一號輔助運輸大巷和二號輔助運輸大巷。針對現場情況，在2條超前掘進的回風大巷中，對其他3條大巷揭煤可開展掩護式鉆探疏放水工作，從而形成“兩巷先超前、三巷被掩護”的“超前掩護式”疏放水思路。"超前掩護式"疏放水鉆探施工思路設計示意圖如圖6。

圖6“超前掩護式”疏放水探查思路Fig.6 The“advance screen mode”drainage water exploration idea

3）“下煤引流式”疏放水探查。根據前期探查揭露，井田內3號煤層不富水，由此提出在2號煤層下伏的3號煤層中掘進1條泄水巷，并在其內部布設若干頂板疏放水鉆孔，穿過上覆2號煤層后終孔，將2號煤層水下泄疏放至3號煤泄水巷中，在疏干2號煤層水后，可對其煤巷進行掘進。此項措施不但可實現在2號煤層中的安全掘進，還可以增加掘進煤量，經濟效益提前見效。"下煤引流式"疏放水鉆探施工思路設計示意圖如圖7。

圖7“下煤引流式”疏放水探查思路Fig.7 The“lower coal drainage mode”drainage water exploration idea

4）“雙側羽狀式”疏放水探查。該項措施主體思路為在巷道兩側分別錯距開設鉆場，在鉆場能向2號煤層方向施工千米定向長鉆孔，鉆孔由1個終孔和若干個分支孔組成，主孔在進入煤層后鉆進至煤體中間位置，而后沿煤層平行鉆進，分支孔則由主孔分出，并分布于主孔上下兩側，由此將煤層分為上段、中段和下段共3個部分，分別進行2號煤層水疏放，而分支孔相互交錯延伸，相依互補，實現2號煤層水體的充分疏放。“雙側羽狀式”疏放水鉆探施工思路設計示意圖如圖8。

圖8“雙側羽狀式”疏放水探查思路Fig.8 The“bilateral feather mode”drainage water exploration idea

4 結語

1）針對巴拉素煤礦2號富水煤層掘進巷道進行超前鉆探工程，以此探查疏放富水煤層水體，經鉆探及疏放數據發現，各鉆孔水量、水壓衰減明顯，說明2號煤層水體補給條件差，總體屬于靜態水賦存狀態。

2）通過水質全分析測試，發現2號煤層水的水質類型基本為SO4-Na·（Ca）型水，pH值在7.63～8.04之間，總礦化度在5 820.88～6 202.99 mg/L之間，經分析認為其水體徑流、排泄條件有限，長期處于封閉狀態，有利于疏放水工作的開展。

3）根據礦井現場條件及后期巖巷揭煤準備，主要采用鉆探方式，提出適用于本區2號煤層掘進巷道的疏放水探查思路，具體包括“雙層漏斗式”、“超前掩護式”、“下煤引流式”及“雙側羽狀式”等鉆探技術方案。