榆横北区富水煤层掘进超前疏放水效果分析*

姬 强，方 刚，王春林，李彦民，杨彦宁，闫永乐，夏 伟，高宇航

(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)

0 引言

陕北侏罗纪煤田是我国14个主要煤炭生产基地之一，区内的神府矿区、榆神矿区、榆横矿区等均开采侏罗系煤层，其煤炭资源量丰富、煤质优良。在现已逐步开发的榆横北区内，分布有大海则井田、可可盖井田、小纪汗井田、乌苏海则井田、巴拉素井田、西红墩井田、袁大滩井田、红石桥井田、波罗井田等多个矿井，其井田面积均在150～300 km2左右，区内可采煤层较多，地质构造和开采条件均较为简单，在未来数十年内有巨大的发展潜力和显著的经济效益，在陕北煤炭生产基地中占据着重要的战略位置。同时，经过多年开采实践发现，浅埋煤层的开发对地表生态环境及水资源的破坏相对较为严重，从我国大力倡导生态保护与资源利用协调发展的角度来看，在未来煤矿的规划发展进程中，深(中)埋矿区内煤炭资源的开发利用，势必将占据煤炭生产市场的主导地位[1-2]。

榆横北区位于陕北侏罗纪煤田中部，矿区内自东向西煤层埋深逐渐增大，约在300～600 m范围。矿区内均为整装井田，且大部分矿井尚未进行开发建设，仍处于勘探阶段，基本不存在老(采)空区水害问题。由于煤层埋深较大，区内不存在烧变岩水害问题；且区内褶皱、断裂等地质构造不甚发育，基本无断层等构造水害威胁。根据以往开采经验，与侏罗纪煤田内其他井田开发过程中所面临的水害问题类似，榆横北区内各井田的煤层采掘主要受顶板砂岩含水层水影响。通过多年防治水经验总结，侏罗纪煤田的顶板砂岩水害机理清楚，具体防治措施和手段现已较为成熟，整体易于实施[3-4]。

但是，近年来随着煤炭资源向深部开发，高承压煤层水这一类新型水害问题又相继发现，并困扰着区内多个矿井的建设和生产。此类煤层水害问题为全国乃至世界罕见，榆横北区内的小纪汗煤矿、袁大滩煤矿均在2号首采煤层的采掘过程中出现不同程度的煤层水害问题[5-6]，与以上两矿相距不远的巴拉素煤矿，在矿井建设过程中，同样发现其首采的2号煤富水性较强[7-8]。由此，为了确保安全生产，在采掘区内的2号富水煤层前，必须采取相关手段对水体进行疏水降压，以榆横矿区(北区)内的巴拉素煤矿为例，根据矿井现场实际，采用钻探工程对岩巷掘进揭煤前2号煤层水体进行疏放，并对其钻孔疏放水效果进行思考和分析，力求解决巷道掘进过程中的煤层水害问题。

1 水文地质条件

巴拉素井田位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)内的中部偏西区域，井田面积接近300 km2，其先期开采地段位于井田中部，面积约61 km2，矿井设计生产能力10 Mt/a，现处于二期建设阶段。投产后首采最上层的侏罗系中统延安组2号煤层(平均煤厚约3.8 m、埋深约480 m)[9-10]。矿井属整装井田，整体构造简单，根据煤层赋存情况，矿井采掘时受地表水和大气降水影响甚微，主要的充水水源为地下水含水层[15-16]，具体为煤层上覆的侏罗系直罗组(厚度125 m，富水性弱)和部分延安组(厚度36 m，富水性弱)孔隙含水层等，但就目前掌握资料，矿井首采的2号煤层富水，在其一期建设时的副立井井筒掘进施工过程中，揭露煤壁涌水量达180 m3/h，探放水钻孔水压稳定在3.0 MPa左右，且经过一段时间的疏放，涌水量衰减并不明显，与煤层相邻的含水层水压几乎无变化；另外，当井筒落地后矿井进入二期建设时，井下2号煤层底板下移18 m开拓井底车场，沿岩巷上山掘进揭煤，对上覆煤层进行超前钻探，钻孔单孔水量在40～198 m3/h之间，初始水压在3.4～3.6 MPa之间，因此，矿井未来采掘时的最大水害为其自身的煤层水害[11-12]。

如前所述，由于煤层水害问题，在矿井4条立井井筒落底后，井底车场在煤层底板的岩巷中布置开掘，而后经上山掘进进入煤层，因此，需在岩巷掘进过程中对煤层水体进行超前疏放，确保揭露煤层后的安全生产工作。根据矿井接续布置，在井下2102首采工作面胶运顺槽绕道、辅运顺槽绕道岩巷上山掘进后即将揭煤，而后进行2条顺槽的正反掘进，由此，对其揭煤疏放水开展的相关工作进行详述。

2 煤层水疏放方法

根据《煤矿防治水细则》中“根据不同水文地质条件，采取探、防、堵、疏、排、截、监等综合防治措施”[13]的要求，结合矿井实际及岩巷掘进过程中防治水工作经验[14-16]，在井下2102首采工作面顺槽绕道掘进前，主要开展针对2号煤层水的超前钻探工程，探查、截流、疏放2号煤层掘进方向的富水区域，同时开展对各疏放水钻孔的水量水压的动态监测工作，研究2号煤层水的赋存特征，为矿井后期各岩巷掘进工作面安全揭煤做好准备。结合以往勘探成果[18-19]，经多次会议及专家组论证，确定岩巷掘进安全揭煤的必要条件为：钻孔单孔水量小于20 m3/h、水压小于0.5 MPa，且各数据值须稳定在7 d以上，同时，揭煤巷道的现场排水能力不低于500 m3/h[12-13，17]。

根据矿井实际，本次采用长距离定向钻孔和短距离普通钻孔相结合的方式开展2号煤层疏放水工程。在2102首采工作面2条顺槽绕道开口区域及附近布置有45个2号煤层水疏放钻孔，如图1所示，其中包括38个普通短钻和7个定向长钻，各钻孔在成孔后即测量水量，部分钻孔连接管路进行排水，在此过程中动态监测水量、水压的变化情况，部分地段的钻孔直接落地排水(根据地势高低采用巷道、水沟自流的方式)，将其相应的防排水路线、设施进行布置，如图2所示，并确定制定相应的防排水措施，如确定疏放水钻孔出水影响区域及范围，防止水体进入其他巷道而设置拦水坝，设置临时水仓、水泵和拦截网，布设自流沉淀池，制定预防钻孔内可能出现的H2S、CH4等有害气体的专项措施等。

图1 研究区钻孔布置Fig.1 Borehole layout of the study area

3 疏放水效果

各钻孔在其钻场内以不同仰角开孔钻进，普通短钻在穿越2号富水煤层后进入顶板覆岩2～3 m时终孔，孔深28.5～159 m；定向长钻在进入煤层后转平，孔深680～720 m(由钻孔设计轨迹及钻机性能所限)，使得2号煤层水能够充分进行释放。自2102工作面第一个疏放水钻孔开孔至最后一个疏放水钻孔终孔，该区域的疏放水工程历时近5个月，在此期间，各钻孔的水量、水压均发生了较大的变化，整体疏放水量约98.35万m3，已基本满足前期论证的揭煤条件，具体监测的疏放水效果如下。

3.1 钻孔出水变化情况

在本区域45个疏放水钻孔中，39个普通短钻的终孔水量35～198 m3/h、水压0.5～3.2 MPa，6个定向长钻的终孔水量88～158 m3/h、水压0.8～2.4 MPa，由于各钻孔形成时间不同，可能造成部分钻孔水体分流减少，但依据排水管路的总排水量测算，整体疏放水量及水压值随时间的推移均在逐渐降低。使得2102首采面2条顺槽附近的钻孔平均单孔水量由终孔时的105～150 m3/h降至12～14 m3/h左右，选取2条顺槽附近最为典型的钻孔的压力变化情况可知，其水压由起初的1.2～1.4 MPa降至0.2～0.3 MPa左右，如图3所示。

图2 排水系统及相关设施布置Fig.2 Layout of drainage system and related facilities

3.2 疏放水效果分析

通过本次2102首采工作面2条顺槽绕道区域及附近的钻孔疏放水工程，根据各钻孔内水量、水压的变化情况分析可知，区内2号煤层水具有局部富水性强、层内连通性好、补给条件较差、以静储量为主的特点。由于本区内前期未开展过采掘活动，在各钻孔揭露2号富水煤层后，首先表现出单孔水量大、水压高的特点，但随着后续多个钻孔的施工，对本区域局部2号煤层水进行整体疏干，同时，由外部的定向长钻对区域水体进行隔离拦截，在内部的普通短钻对局部水体进行加强疏放，最终使得本区域的水头值不断降低，满足之前论证的岩巷上山揭煤条件，本次疏放水工作效果良好。

在本次疏放水工程施工过程中，DDS-2号定向长钻孔在2号煤层内钻进至212 m处遇到裂隙，孔内不返水，无法继续钻进，故提前终孔，而后在DDS-1号定向长钻孔内186 m处开分支，对DDS-2号钻孔进行设计补充钻进，由此可见，在2号富水煤层内存在一定的裂隙，该情况也是对煤层水连通性好的一个印证。由此，在采前相关防治水措施的情况下，巴拉素煤矿井下2102首采工作面胶运、辅运2条顺槽绕道最终成功安全揭露了2号煤层，而后2条顺槽绕道各自进煤转平，开始进入煤巷的后续正反掘进工作。本次工程印证了开展矿井疏放水及相关工作的有效性和必要性，也为后期井下其他掘进工作面高效揭煤提供了实际依据和经验支撑。

4 结论

(1)通过巴拉素煤矿2102首采工作面顺槽绕道开展的超前钻探疏放水工程发现，区内2号煤层水体具有局部富水性强、层内连通性好、补给条件较差、以静储量为主的特点。

(2)采用长距离定向钻孔和短距离普通钻孔结合的方式，对区内2号煤层水体进行疏放，其效果良好，验证了“长孔外部隔离拦截、短孔内部加强疏放”这一疏放水思路的正确性。

(3)根据本次2号煤层水疏放工程实践，就目前掌握的煤层水体的赋存规律及运移特征，结合矿井实际做好拦水坝、临时水仓、拦截网，并制定相关专项应急措施，可积极有效地提高矿井煤层水害的防治效果。