榆橫北區(qū)富水煤層巷道掘進防治水技術(shù)

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(yè)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(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

我國陜北侏羅紀煤田榆橫北區(qū)內(nèi)規(guī)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(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有富水煤層這一類新型水害隱患，對于區(qū)內(nèi)在建、生產(chǎn)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(tǒng)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(shè)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(shè)過程中，如何去除此類水害對巷道掘進的安全威脅，則為區(qū)內(nèi)礦井面臨的重要挑戰(zhàn)。

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?qū)嵺`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(xué)者及業(yè)內(nèi)專家均取得了豐碩的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗[8-9]。趙寶峰[10]等針對強富水弱膠結(jié)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(qū)進行鉆孔和錨桿注漿加固改造，巷道破碎區(qū)采用U型鋼棚支護。張海波[11]等通過多種鉆孔施工方法結(jié)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(yù)計結(jié)合鉆孔布置，對工作面風氧化帶突水潰沙災(zāi)害進行防治，并提出安全回采的必備條件和水文地質(zhì)工作程序。周朝輝[13]通過理論計算預(yù)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(shè)排水系統(tǒng)、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(shè)觀測孔等措施，對巷道掘進過程中的頂板采空區(qū)水害進行綜合防治。何磊[15]等應(yīng)用地質(zhì)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(yù)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(qū)內(nèi)富水煤層巷道掘進過程中的防治水技術(shù)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(qū)中西部，井田面積近300 km2，首采區(qū)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(shè)計產(chǎn)能10 Mt/a。

井田地表水系不發(fā)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(shè)、生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(shè)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(jù)礦井采掘接續(xù)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(qū)域的2號煤層水，井下現(xiàn)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(jù)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(jiān)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(fā)現(xiàn)，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(qū)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(xù)進行疏放，以此緩解降低探查區(qū)的2號煤層總體水量及相應(yīng)水頭壓力，經(jīng)一定時間的疏放發(fā)現(xiàn)，局部區(qū)域的鉆孔之間具有較好的聯(lián)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(jīng)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(xué)分析

通過采集鉆孔2號煤層出水水樣，對其水化學(xué)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(jié)果可知，其水質(zhì)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(xué)檢測成果數(shù)據(jù)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(tài)，結(jié)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(huán)交替條件較差，最終表現(xiàn)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(xué)分析可知，井田內(nèi)2號煤層局部存在富水區(qū)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(cè)巷道分別布置普通短鉆，對巷道周邊10～20 m范圍內(nèi)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(nèi)，再施工千米定向長鉆，對其工作面外側(cè)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(shè)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(jù)礦井采掘接續(xù)變化，現(xiàn)井下2號煤北翼規(guī)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(xiàn)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(shè)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(jù)前期探查揭露，井田內(nèi)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(nèi)部布設(shè)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(xiàn)在2號煤層中的安全掘進，還可以增加掘進煤量，經(jīng)濟效益提前見效。"下煤引流式"疏放水鉆探施工思路設(shè)計示意圖如圖7。

圖7“下煤引流式”疏放水探查思路Fig.7 The“l(fā)ower coal drainage mode”drainage water exploration idea

4）“雙側(cè)羽狀式”疏放水探查。該項措施主體思路為在巷道兩側(cè)分別錯距開設(shè)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(cè)，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(xiàn)2號煤層水體的充分疏放?！半p側(cè)羽狀式”疏放水鉆探施工思路設(shè)計示意圖如圖8。

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

4 結(jié)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(jīng)鉆探及疏放數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，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(tài)水賦存狀態(tài)。

2）通過水質(zhì)全分析測試，發(fā)現(xiàn)2號煤層水的水質(zhì)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(jīng)分析認為其水體徑流、排泄條件有限，長期處于封閉狀態(tài)，有利于疏放水工作的開展。

3）根據(jù)礦井現(xiàn)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(qū)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(cè)羽狀式”等鉆探技術(shù)方案。