榆橫北區富水煤層掘進超前疏放水效果分析*

姬 強，方 剛，王春林，李彥民，楊彥寧，閆永樂，夏 偉，高宇航

(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)

0 引言

陜北侏羅紀煤田是我國14個主要煤炭生產基地之一，區內的神府礦區、榆神礦區、榆橫礦區等均開采侏羅系煤層，其煤炭資源量豐富、煤質優良。在現已逐步開發的榆橫北區內，分布有大海則井田、可可蓋井田、小紀汗井田、烏蘇海則井田、巴拉素井田、西紅墩井田、袁大灘井田、紅石橋井田、波羅井田等多個礦井，其井田面積均在150～300 km2左右，區內可采煤層較多，地質構造和開采條件均較為簡單，在未來數十年內有巨大的發展潛力和顯著的經濟效益，在陜北煤炭生產基地中占據著重要的戰略位置。同時，經過多年開采實踐發現，淺埋煤層的開發對地表生態環境及水資源的破壞相對較為嚴重，從我國大力倡導生態保護與資源利用協調發展的角度來看，在未來煤礦的規劃發展進程中，深(中)埋礦區內煤炭資源的開發利用，勢必將占據煤炭生產市場的主導地位[1-2]。

榆橫北區位于陜北侏羅紀煤田中部，礦區內自東向西煤層埋深逐漸增大，約在300～600 m范圍。礦區內均為整裝井田，且大部分礦井尚未進行開發建設，仍處于勘探階段，基本不存在老(采)空區水害問題。由于煤層埋深較大，區內不存在燒變巖水害問題；且區內褶皺、斷裂等地質構造不甚發育，基本無斷層等構造水害威脅。根據以往開采經驗，與侏羅紀煤田內其他井田開發過程中所面臨的水害問題類似，榆橫北區內各井田的煤層采掘主要受頂板砂巖含水層水影響。通過多年防治水經驗總結，侏羅紀煤田的頂板砂巖水害機理清楚，具體防治措施和手段現已較為成熟，整體易于實施[3-4]。

但是，近年來隨著煤炭資源向深部開發，高承壓煤層水這一類新型水害問題又相繼發現，并困擾著區內多個礦井的建設和生產。此類煤層水害問題為全國乃至世界罕見，榆橫北區內的小紀汗煤礦、袁大灘煤礦均在2號首采煤層的采掘過程中出現不同程度的煤層水害問題[5-6]，與以上兩礦相距不遠的巴拉素煤礦，在礦井建設過程中，同樣發現其首采的2號煤富水性較強[7-8]。由此，為了確保安全生產，在采掘區內的2號富水煤層前，必須采取相關手段對水體進行疏水降壓，以榆橫礦區(北區)內的巴拉素煤礦為例，根據礦井現場實際，采用鉆探工程對巖巷掘進揭煤前2號煤層水體進行疏放，并對其鉆孔疏放水效果進行思考和分析，力求解決巷道掘進過程中的煤層水害問題。

1 水文地質條件

巴拉素井田位于陜北侏羅紀煤田榆橫礦區(北區)內的中部偏西區域，井田面積接近300 km2，其先期開采地段位于井田中部，面積約61 km2，礦井設計生產能力10 Mt/a，現處于二期建設階段。投產后首采最上層的侏羅系中統延安組2號煤層(平均煤厚約3.8 m、埋深約480 m)[9-10]。礦井屬整裝井田，整體構造簡單，根據煤層賦存情況，礦井采掘時受地表水和大氣降水影響甚微，主要的充水水源為地下水含水層[15-16]，具體為煤層上覆的侏羅系直羅組(厚度125 m，富水性弱)和部分延安組(厚度36 m，富水性弱)孔隙含水層等，但就目前掌握資料，礦井首采的2號煤層富水，在其一期建設時的副立井井筒掘進施工過程中，揭露煤壁涌水量達180 m3/h，探放水鉆孔水壓穩定在3.0 MPa左右，且經過一段時間的疏放，涌水量衰減并不明顯，與煤層相鄰的含水層水壓幾乎無變化；另外，當井筒落地后礦井進入二期建設時，井下2號煤層底板下移18 m開拓井底車場，沿巖巷上山掘進揭煤，對上覆煤層進行超前鉆探，鉆孔單孔水量在40～198 m3/h之間，初始水壓在3.4～3.6 MPa之間，因此，礦井未來采掘時的最大水害為其自身的煤層水害[11-12]。

如前所述，由于煤層水害問題，在礦井4條立井井筒落底后，井底車場在煤層底板的巖巷中布置開掘，而后經上山掘進進入煤層，因此，需在巖巷掘進過程中對煤層水體進行超前疏放，確保揭露煤層后的安全生產工作。根據礦井接續布置，在井下2102首采工作面膠運順槽繞道、輔運順槽繞道巖巷上山掘進后即將揭煤，而后進行2條順槽的正反掘進，由此，對其揭煤疏放水開展的相關工作進行詳述。

2 煤層水疏放方法

根據《煤礦防治水細則》中“根據不同水文地質條件，采取探、防、堵、疏、排、截、監等綜合防治措施”[13]的要求，結合礦井實際及巖巷掘進過程中防治水工作經驗[14-16]，在井下2102首采工作面順槽繞道掘進前，主要開展針對2號煤層水的超前鉆探工程，探查、截流、疏放2號煤層掘進方向的富水區域，同時開展對各疏放水鉆孔的水量水壓的動態監測工作，研究2號煤層水的賦存特征，為礦井后期各巖巷掘進工作面安全揭煤做好準備。結合以往勘探成果[18-19]，經多次會議及專家組論證，確定巖巷掘進安全揭煤的必要條件為：鉆孔單孔水量小于20 m3/h、水壓小于0.5 MPa，且各數據值須穩定在7 d以上，同時，揭煤巷道的現場排水能力不低于500 m3/h[12-13，17]。

根據礦井實際，本次采用長距離定向鉆孔和短距離普通鉆孔相結合的方式開展2號煤層疏放水工程。在2102首采工作面2條順槽繞道開口區域及附近布置有45個2號煤層水疏放鉆孔，如圖1所示，其中包括38個普通短鉆和7個定向長鉆，各鉆孔在成孔后即測量水量，部分鉆孔連接管路進行排水，在此過程中動態監測水量、水壓的變化情況，部分地段的鉆孔直接落地排水(根據地勢高低采用巷道、水溝自流的方式)，將其相應的防排水路線、設施進行布置，如圖2所示，并確定制定相應的防排水措施，如確定疏放水鉆孔出水影響區域及范圍，防止水體進入其他巷道而設置攔水壩，設置臨時水倉、水泵和攔截網，布設自流沉淀池，制定預防鉆孔內可能出現的H2S、CH4等有害氣體的專項措施等。

圖1 研究區鉆孔布置Fig.1 Borehole layout of the study area

3 疏放水效果

各鉆孔在其鉆場內以不同仰角開孔鉆進，普通短鉆在穿越2號富水煤層后進入頂板覆巖2～3 m時終孔，孔深28.5～159 m；定向長鉆在進入煤層后轉平，孔深680～720 m(由鉆孔設計軌跡及鉆機性能所限)，使得2號煤層水能夠充分進行釋放。自2102工作面第一個疏放水鉆孔開孔至最后一個疏放水鉆孔終孔，該區域的疏放水工程歷時近5個月，在此期間，各鉆孔的水量、水壓均發生了較大的變化，整體疏放水量約98.35萬m3，已基本滿足前期論證的揭煤條件，具體監測的疏放水效果如下。

3.1 鉆孔出水變化情況

在本區域45個疏放水鉆孔中，39個普通短鉆的終孔水量35～198 m3/h、水壓0.5～3.2 MPa，6個定向長鉆的終孔水量88～158 m3/h、水壓0.8～2.4 MPa，由于各鉆孔形成時間不同，可能造成部分鉆孔水體分流減少，但依據排水管路的總排水量測算，整體疏放水量及水壓值隨時間的推移均在逐漸降低。使得2102首采面2條順槽附近的鉆孔平均單孔水量由終孔時的105～150 m3/h降至12～14 m3/h左右，選取2條順槽附近最為典型的鉆孔的壓力變化情況可知，其水壓由起初的1.2～1.4 MPa降至0.2～0.3 MPa左右，如圖3所示。

圖2 排水系統及相關設施布置Fig.2 Layout of drainage system and related facilities

3.2 疏放水效果分析

通過本次2102首采工作面2條順槽繞道區域及附近的鉆孔疏放水工程，根據各鉆孔內水量、水壓的變化情況分析可知，區內2號煤層水具有局部富水性強、層內連通性好、補給條件較差、以靜儲量為主的特點。由于本區內前期未開展過采掘活動，在各鉆孔揭露2號富水煤層后，首先表現出單孔水量大、水壓高的特點，但隨著后續多個鉆孔的施工，對本區域局部2號煤層水進行整體疏干，同時，由外部的定向長鉆對區域水體進行隔離攔截，在內部的普通短鉆對局部水體進行加強疏放，最終使得本區域的水頭值不斷降低，滿足之前論證的巖巷上山揭煤條件，本次疏放水工作效果良好。

在本次疏放水工程施工過程中，DDS-2號定向長鉆孔在2號煤層內鉆進至212 m處遇到裂隙，孔內不返水，無法繼續鉆進，故提前終孔，而后在DDS-1號定向長鉆孔內186 m處開分支，對DDS-2號鉆孔進行設計補充鉆進，由此可見，在2號富水煤層內存在一定的裂隙，該情況也是對煤層水連通性好的一個印證。由此，在采前相關防治水措施的情況下，巴拉素煤礦井下2102首采工作面膠運、輔運2條順槽繞道最終成功安全揭露了2號煤層，而后2條順槽繞道各自進煤轉平，開始進入煤巷的后續正反掘進工作。本次工程印證了開展礦井疏放水及相關工作的有效性和必要性，也為后期井下其他掘進工作面高效揭煤提供了實際依據和經驗支撐。

4 結論

(1)通過巴拉素煤礦2102首采工作面順槽繞道開展的超前鉆探疏放水工程發現，區內2號煤層水體具有局部富水性強、層內連通性好、補給條件較差、以靜儲量為主的特點。

(2)采用長距離定向鉆孔和短距離普通鉆孔結合的方式，對區內2號煤層水體進行疏放，其效果良好，驗證了“長孔外部隔離攔截、短孔內部加強疏放”這一疏放水思路的正確性。

(3)根據本次2號煤層水疏放工程實踐，就目前掌握的煤層水體的賦存規律及運移特征，結合礦井實際做好攔水壩、臨時水倉、攔截網，并制定相關專項應急措施，可積極有效地提高礦井煤層水害的防治效果。