榆横北区富水煤层巷道掘进防治水技术

王春林，刘 洋，方 刚，4，李彦民，梁向阳，姬 强，杨 冬，管生玉

（1.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；4.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054）

我国陕北侏罗纪煤田榆横北区内规划有10余个千万吨级超大型煤炭矿山[1-2]，但近年来，在该矿区内发现有富水煤层这一类新型水害隐患，对于区内在建、生产矿井均造成了一定程度的影响[3-5]。尤其对于基建矿井而言，其排水装备、水处理系统等尚未健全，对于煤层水害的抵御能力更显薄弱。在矿井建设期间，井下巷道掘进则最大程度地面临煤层水害的威胁，特别是在矿井二期、三期建设过程中，如何去除此类水害对巷道掘进的安全威胁，则为区内矿井面临的重要挑战。

虽然煤层水害在我国采煤史上较为罕见，在目前此类条件下的采掘实践有限[4-7]，但针对巷道掘进过程中所面临的其它各类水害问题，多年来诸多学者及业内专家均取得了丰硕的研究成果和应用经验[8-9]。赵宝峰[10]等针对强富水弱胶结含水层下巷道掘进防治水和支护问题，提出采用定向钻对顶板含水层富水性进行探查和疏放，局部隔水层薄弱区进行钻孔和锚杆注浆加固改造，巷道破碎区采用U型钢棚支护。张海波[11]等通过多种钻孔施工方法结合，采用高性能注浆材料加固巷道，解决破碎巷道高压富水问题。李德彬[12]通过涌水量预计结合钻孔布置，对工作面风氧化带突水溃沙灾害进行防治，并提出安全回采的必备条件和水文地质工作程序。周朝辉[13]通过理论计算预测岩巷掘进过断层的突水危险性，采取超前钻探疏降水压、增设排水系统、改变掘进工艺及注浆堵水等措施确保巷道安全施工。王小坡[14]等采用深孔排水、“深孔+浅孔”注浆、留设观测孔等措施，对巷道掘进过程中的顶板采空区水害进行综合防治。何磊[15]等应用地质雷达、红外探水仪及超前钻探手段，对掘进巷道进行超前探测预报，并通过钻孔验证、注浆堵水治理保证巷道安全掘进。

但由于采掘条件、空间分布等差异原因，对于榆横北区内富水煤层巷道掘进过程中的防治水技术研究仍需更进一步的研究和探索。

1 矿井概况

巴拉素煤矿位于陕北侏罗纪煤田榆横北区中西部，井田面积近300 km2，首采区约61 km2。首采侏罗系延安组2号煤层，厚度约3.8 m，埋深约480 m，矿井设计产能10 Mt/a。

井田地表水系不发育，受大气降水影响微弱。2号煤层上覆有侏罗系部分延安组（厚度36 m，富水性弱）、直罗组（厚度125 m，富水性弱），白垩系洛河组（厚度195 m，富水性弱～中等）等基岩孔隙含水层，但目前影响矿井建设、生产的最大水害为2号煤层自身存在的煤层水问题。

由于前期探查、揭露发现的井田2号煤层局部富水异常，矿井井底车场整体下移18 m进行岩巷掘进。2号煤层以下30～40 m为3号煤层，厚度约6 m，且该煤层不富水。

2 现行防治水工作

2.1 井下钻探工程

由于井底车场多个井巷工程的揭煤时间需要，在井下布设了多个钻探施工点，进行2号煤层水的超前探查、疏放工作。采用“长钻+短钻”的方法进行长距离定向拦截和短距离集中疏放，根据矿井采掘接续安排，具体施工钻场为矿井煤仓上口检修巷、2号煤北翼二号辅运大巷、2号煤北翼二号回风大巷、配水闸阀硐室及泵房通道、井底车场换装硐室等，各施工地点的放水目的分别为探查和疏放井底煤仓、2102工作面运输巷和辅运巷、2号煤北翼运输大巷、2101工作面运输巷、2号煤层下料孔等区域的2号煤层水，井下现行疏放水钻探工程分布如图1。

图1 井下钻探工程分布图Fig.1 Underground drilling engineering distribution map

根据井下已完成施工的64个钻孔（含2个定向钻长钻孔）可知，各钻孔基本在穿越2号煤层过程中，均探查到煤层富水异常，在钻孔穿出煤层2～3 m后停止钻进，而后对其煤层水体进行观测、疏放。

2.2 水体变化监测

通过对64个煤层水探查、疏放钻孔的终孔水量、水压观测发现，各钻孔终孔水量在13～198 m3/h之间，水压在0.5～3.6 MPa之间，其中，单孔终孔出水水量在25 m3/h以下的钻孔有10个，25～50 m3/h之间钻孔有12个，50～100 m3/h之间钻孔有23个，150～200 m3/h之间钻孔有16个，100～150 m3/h之间钻孔有3个；单孔终孔出水水压在0.5～1.0 MPa之间钻孔有14个，1.0～2.0 MPa之间钻孔有18个，2.0～3.0 MPa之间钻孔有10个，3.0～3.5 MPa之间钻孔有14个，3.5 MPa以上钻孔有8个。井下疏放水钻孔终孔出水水量及水压区间分布图如图2。

图2 各钻孔终孔时的水量、水压分布图Fig.2 Water quantity and water pressure distribution diagram of each drilling final borehole

各钻孔基本在成孔后陆续进行疏放，以此缓解降低探查区的2号煤层总体水量及相应水头压力，经一定时间的疏放发现，局部区域的钻孔之间具有较好的联通性，整体疏放水体的总量较各钻孔终孔时有所下降，同时，在疏放周期内2号煤层水体的水量、水压均有不同程度的下降变化；以此分析，井田内局部富集的2号煤层水整体补给条件有限，认为其以静储量为主。井下疏放水钻孔经一段时间（约60 d）的疏放后，各钻孔水量均衰减明显，基本衰减至5～50 m3/h左右，水压基本在0.4～0.8 MPa之间，矿井累积疏放2号煤层水体约80万m3。各钻孔经疏放后的水量及水压变化曲线图如图3。

图3 各钻孔疏放后的水量、水压变化曲线图Fig.3 Curves of water quantity and water pressure changes after drainage of each borehole

2.3 水化学分析

通过采集钻孔2号煤层出水水样，对其水化学特征进行分析，有助于对其水体来源、赋存条件等信息进行获取[16-17]。由各水体检测结果可知，其水质类型基本为SO4-Na·（Ca）型水，pH值在7.63～8.04之间，总矿化度在5 820.88～6 202.99 mg/L之间，2号煤层水Piper图如图4。

图4 矿井2号煤层水Piper图Fig.4 Piper diagram of No.2 coal seam water

由水化学检测成果数据分析可知，2号煤层水整体径流、排泄条件较差，基本长期处于封闭状态，结合与周边围岩、煤层的交互溶滤作用，使得其煤层水体的矿化度较高，地下水循环交替条件较差，最终表现为Na+、Ca2+和SO42-的累积、富集[18-20]。

通过上述对2号煤层水体的探查、疏放及水化学分析可知，井田内2号煤层局部存在富水区域，但水体基本以静储量为主的形式存在，其赋存条件较为封闭，补给、径流、排泄条件较差，该情况有助于矿井疏放水工作的高效开展，为后期快速疏干煤层水体、保证井下安全采掘提供有利因素。

3 后期巷道掘进探查

1）“双层漏斗式”疏放水探查。该项巷道掘进疏放水探查思路是针对工作面巷道揭露2号煤层前的疏放水措施，主要以“短钻+长钻”形式组合，首先在工作面两侧巷道分别布置普通短钻，对巷道周边10～20 m范围内的2号煤层水进行探查、疏放，从而形成包围工作面范围的“小型疏放水降落漏斗”；而后在其普通短钻疏放半径外部30～50 m范围内，再施工千米定向长钻，对其工作面外侧2号煤层水进行截流，从而形成更大范围的“大型疏放水拦截漏斗”，以此对工作面巷道掘进提供保障，故简称其为“双层漏斗”疏放水模式。"双漏斗"疏放水钻探施工思路设计示意图如图5。

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

2）“超前掩护式”疏放水探查。根据矿井采掘接续变化，现井下2号煤北翼规划的5条大巷中，一号回风大巷和二号回风大巷超前掘进于其他3条大巷，即带式输送机大巷、一号辅助运输大巷和二号辅助运输大巷。针对现场情况，在2条超前掘进的回风大巷中，对其他3条大巷揭煤可开展掩护式钻探疏放水工作，从而形成“两巷先超前、三巷被掩护”的“超前掩护式”疏放水思路。"超前掩护式"疏放水钻探施工思路设计示意图如图6。

图6“超前掩护式”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。根据前期探查揭露，井田内3号煤层不富水，由此提出在2号煤层下伏的3号煤层中掘进1条泄水巷，并在其内部布设若干顶板疏放水钻孔，穿过上覆2号煤层后终孔，将2号煤层水下泄疏放至3号煤泄水巷中，在疏干2号煤层水后，可对其煤巷进行掘进。此项措施不但可实现在2号煤层中的安全掘进，还可以增加掘进煤量，经济效益提前见效。"下煤引流式"疏放水钻探施工思路设计示意图如图7。

图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）“双侧羽状式”疏放水探查。该项措施主体思路为在巷道两侧分别错距开设钻场，在钻场能向2号煤层方向施工千米定向长钻孔，钻孔由1个终孔和若干个分支孔组成，主孔在进入煤层后钻进至煤体中间位置，而后沿煤层平行钻进，分支孔则由主孔分出，并分布于主孔上下两侧，由此将煤层分为上段、中段和下段共3个部分，分别进行2号煤层水疏放，而分支孔相互交错延伸，相依互补，实现2号煤层水体的充分疏放。“双侧羽状式”疏放水钻探施工思路设计示意图如图8。

图8“双侧羽状式”疏放水探查思路Fig.8 The“bilateral feather mode”drainage water exploration idea

4 结语

1）针对巴拉素煤矿2号富水煤层掘进巷道进行超前钻探工程，以此探查疏放富水煤层水体，经钻探及疏放数据发现，各钻孔水量、水压衰减明显，说明2号煤层水体补给条件差，总体属于静态水赋存状态。

2）通过水质全分析测试，发现2号煤层水的水质类型基本为SO4-Na·（Ca）型水，pH值在7.63～8.04之间，总矿化度在5 820.88～6 202.99 mg/L之间，经分析认为其水体径流、排泄条件有限，长期处于封闭状态，有利于疏放水工作的开展。

3）根据矿井现场条件及后期岩巷揭煤准备，主要采用钻探方式，提出适用于本区2号煤层掘进巷道的疏放水探查思路，具体包括“双层漏斗式”、“超前掩护式”、“下煤引流式”及“双侧羽状式”等钻探技术方案。