寬溝煤礦B2 煤層水害疏放治理技術研究

楊平泊

（山東省煤炭技術服務有限公司，山東 濟南 250031）

寬溝煤礦位于呼圖壁縣城西南70 km 處，行政區劃隸屬新疆維吾爾自治區昌吉回族自治州呼圖壁縣雀爾溝鎮管轄。根據勘探報告，寬溝煤礦先期開采地段一水平正常涌水量493 m3/h，最大涌水量587 m3/h，二水平正常涌水量785 m3/h，最大涌水量934 m3/h，礦井水文地質類型為復雜型。

1 礦井水文地質概況

1.1 區域水文地質

該區位于天山北麓中山區哈拉巴斯陶特力斯嗄單面山體區段，山體走向NWW-SEE，呈帶狀分布[1]。山北坡地形坡度15°～20°，坡面多被第四系黃土覆蓋，不利于大氣降水入滲補給；山南坡巖石裸露，尤其是在中粗粒砂巖出露地段，微地形均呈陡坎狀，不利于接受大氣降水的滲入補給。

對區域地下水有影響的地表水系，自西向東主要有白楊溝河，自南向北主要有呼圖壁河。其河水直接或間接補給地下水，或為地下水排泄通道。

1.1.1 區域含水層

根據區域地下水的賦存條件、含水介質的巖性特征及分布和埋藏條件，將區內含水巖層劃分為三種不同含水巖系，即：松散巖類孔隙潛水含水巖系、碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水巖系、基巖裂隙含水巖系。

1.1.2 區域地下水的補給、徑流和排泄特征

該區雖然地處歐亞大陸腹地，屬干旱半干旱氣候區，但是由于受天山地形和氣候的影響，區內氣候仍較濕潤，南部高山區降水量豐富，冰雪廣布，是區內地表水的發源地和地下水的補給區。中山區森林密布，氣溫適中，雨量充沛，為地下水提供了豐富的補給來源。北部低山丘陵區，因降水量較小，垂直蒸發強度大，地下水較貧乏。根據含水介質、富水性和地形地貌條件，將區域劃分為基巖裂隙富水區（Ⅰ）、碎屑巖類孔隙裂隙中等富水區（Ⅱ）和碎屑巖類孔隙裂隙弱富水區（Ⅲ）三個水文地質區。寬溝煤礦位于Ⅱ區和Ⅲ區交界地帶，如圖1。

圖1 區域水文地質示意圖

1.2 礦井水文地質

依據礦區勘探階段劃分標準，將中、粗砂巖，礫巖等巖石劃分為含水層，將泥巖，細、粉砂巖等細粒巖石劃分為相對隔水層[2]。礦區由上自下共劃分了3 個含水層，即：第四系沖洪積（Q4pal）孔隙潛水含水層（Ⅰ）；中侏羅統頭屯河組(J2t)含水層（Ⅱ）；中侏羅統西山窯組（J2x）孔隙裂隙承壓含水層（Ⅲ）。

地下水的補給以區域南部中高山區地下水由西南向東北徑流補給為主，其次為白楊溝河水的側向入滲補給為輔，其他補給途徑甚微。由于白楊溝深切至西山窯組下段（B2煤以下），南部地下水和地表水是通過西山窯組下段中粗砂巖進入礦區內。

礦區地下水排泄以兩種形式為主：一是部分地下水向呼圖壁河排泄，1902 孔水位標高+1 587.09 m，對應的白楊溝河床標高+1570 m；首采區采空底板低于+1364 m，對應的白楊溝河床標高+1420～+1520 m，地下水水位高于河床，首采區對應的地下水補給白楊溝河水。二是隨著煤礦的開發，開采地下水位降至河水位以下時，河水入滲補給地下水，礦井疏干排水將是礦區地下水排泄的主要形式。

1.3 B2 煤層底板弱承壓水水害分析

B2煤層底板隔水層以泥巖、砂質泥巖為主，其次為粉砂巖，隔水層厚度為0～20.28 m，平均厚度為5.70 m。K3 砂巖承壓含水層與B2煤間距平均值只有4.36 m，最大值也只有8.72 m，甚至在部分區域，直接底板就是含水層。B2煤層底板含水層水位最高標高為+1410 m，礦井B2煤層最低標高+1255 m，最大高差155 m，B2煤層底板隔水層承受最大水頭壓力為1.5 MPa，開采B2煤層時具有突水危險性。

B2煤層上部有自身回采的B41 煤層I010403、I010405、I010406 及 I010408 采空區存在，煤層厚度平均2.7 m，與B2煤層平均間距41 m，采用綜采一次采全高采煤法，回采時所有工作面均無明顯積水，預計采空區內無大量的積水，但回采前仍需對上部采空區進行探查驗證。

根據《寬溝煤礦首采區西翼南部邊界小煤窯采空區地面瞬變電磁法探測成果報告》和已關閉小煤窯調查報告，南部小煤窯基本沒有越界開采B2煤層；同時B2煤層深部相距南部小煤窯較遠，平均距離500 m，所以南部小煤窯積水對新布置的B2煤層回采區域不構成威脅。

綜上所述，開采B2煤層的主要水害是煤層底板弱承壓水。

2 B2 煤層底板弱承壓水疏放治理

礦井采掘時一般不揭露底板含水層，但隨著采深的加大，承壓水頭會愈來愈高。由于B2煤層底板水具有一定的承壓性質，在采掘活動中，因巖層的原始平衡狀態遭到破壞，巷道底板在水壓和礦山壓力的共同作用下，底板隔水巖層開始變形，產生底鼓，繼而出現裂縫[2]。當裂縫向下延伸達到含水層時，承壓的地下水便會突破底板涌入巷道，造成突水事故[3]。加強底板弱承壓水的探放和疏排，是預防底板水害事故發生的主要手段[4]。

根據寬溝煤礦首采區布置，確定B2煤層底板弱承壓水防治采用巷道疏放法和鉆孔降壓疏放法[1-4]。

2.1 巷道疏放法

在+1255 m 水平B2煤層東西兩翼布置泄水巷。

西翼泄水巷設計斷面13.66 m2，施工坡度+0°45′，設計長度1545 m。施工期間，B2煤層底板弱承壓水順巷道涌出，利用巷道直接疏放。西翼泄水巷完工后涌水量平均130 m3/h。西翼泄水巷自2010 年9 月至2011 年8 月總計疏放水104.52 萬m3。

東翼泄水巷設計斷面12.6 m2，設計長度1856 m，按3‰上坡掘進。施工期間，B2煤層底板弱承壓水順巷道涌出，利用巷道直接疏放。東翼泄水巷完工后涌水量平均90 m3/h。東翼泄水巷自2013 年4 月至2014 年9 月總計疏放水111.24 萬m3。

2.2 疏放降壓鉆孔法

鉆孔的布置是以對B2煤層底板的中粗砂巖含水層進行疏水降壓為目的，并保障工作面回采時不受底板水的影響。施工時，可根據實際鉆孔探放水情況對布孔角度、深度及方位進行調整，提高疏排水效率。

B2煤層西翼泄水巷探放水鉆孔布置采用在泄水巷距主井150 m 處南幫開始每50 m 施工一個探放水硐室，在硐室迎頭位置布置一組鉆孔，采用“大夾角”扇形布置法，以扇形夾角45°并沿2°傾角向南部底板含水層施工鉆孔放水，使之形成降落漏斗，逐步將底板弱承壓水的靜水壓力降至安全水頭以下，達到防治底板弱承壓水的目的。鉆孔布置如圖2。

圖2 鉆孔布置圖（m）

探放水鉆機使用ZDY-4000 鉆機，開孔孔徑為Φ113 mm，鉆進10.5 m 后下設套管為Φ108 mm 的無縫鋼管10 m，外端焊法蘭盤和閥門連接,并安裝壓力表，改用Φ94 mm 孔徑繼續鉆進完成探查疏放作業。

B2西翼泄水巷共施工底板水疏放鉆孔67 個，孔深共計12 793 m，截至2021 年12 月底，總疏放水量約508.15 萬m3；B2東翼泄水巷共施工底板水疏放鉆孔46 個，孔深共計10 457 m，截至2021 年12 月底，總疏放水量約178.97 萬m3。

3 疏放水效果

B2煤層西翼泄水巷有30 個鉆孔出水，B2煤層東翼泄水巷有11 個鉆孔出水，所有鉆孔均穿過B2煤層底板砂巖含水層，達到全覆蓋探查。出水鉆孔與地表地形密切相關，溝壑谷底區域有較強的富水性。

根據對所有鉆孔出水情況的定期觀測及初始出水總量統計結果，B2煤層東翼泄水巷鉆孔單孔最大出水量為105.8 m3/h，B2煤層西翼泄水巷鉆孔單孔最大出水量為40 m3/h，水壓最大為0.37 MPa。隨著疏放水工作的開展，鉆孔水量逐漸減小，目前探放水鉆孔中B2煤層東翼只有11 個鉆孔出水，合計出水量約40 m3/h；西翼有30 個鉆孔出水，合計出水量約90 m3/h。說明B2煤層底板含水層靜儲量已經得到了有效疏放，消除了底板含水層對安全回采所構成的威脅，對礦井涌水起到了“削峰平谷”的重要作用，實現了疏放降壓研究的目的和效果，如圖3。

圖3 寬溝煤礦近年礦井涌水量變化趨勢圖

經長期疏放，各疏放水鉆孔水量均呈現出減小、穩定趨勢，說明鉆探區域靜儲量已得到充分疏排，現有涌水為動態補給水源。

通過B2煤層開采前超前施工泄水巷和疏放水鉆孔治理模式，極大降低了開采期間治理底板弱承壓水的難度，節約了排水成本。截至2021 年12月底，寬溝煤礦B2煤層已安全開采7 年，未發生過底板弱承壓突水影響安全生產的情況。B2煤層底板弱承壓水疏放自2010 年9 月以來至今累計疏排水1 039.2 萬m3，節約用電生產成本1 005.48萬元。

4 結語

隨著礦山開采的延伸，完善煤礦防治水體系，選擇先進的探放水設備和合理的探查方法，消除煤礦水害事故。寬溝煤礦防治水采用物探、鉆探相結合，施工泄水巷及探水孔的方式，有效地消除了水患影響，確保了安全生產。