巴拉素井田富水煤層巖巷揭煤防治水工程技術(shù)初探

王春林，劉 洋，方 剛,4，李彥民，梁向陽，劉晨光，楊彥寧，閆永樂

(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)

近年來，我國榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一類新型水害：高承壓強富水煤層水害[1-2]，由于區(qū)內(nèi)分布的大多數(shù)井工礦井均處于基建階段，因此對礦井安全生產(chǎn)造成了極大程度的威脅。礦井在建設(shè)期間，井下巷道掘進為首要任務(wù)，但受富水煤層的影響，迫使先期掘進的巷道在煤層下部的巖層中布設(shè)，巖巷上山揭煤的問題尤待解決。因此，如何做好巖巷揭煤過程中的防治水工作，成為了區(qū)內(nèi)富水煤層礦井建設(shè)的首要問題。

盡管富水煤層在國內(nèi)外煤礦開采過程中較為罕見，此條件下的采掘工作屈指可數(shù)[3-5]，但對于巖巷揭煤或巷道掘進過程中所面臨的其他水害問題，業(yè)內(nèi)學(xué)者們已經(jīng)取得了較多的經(jīng)驗和成果[6-7]。郭來功等[8]利用地震面波超前探查的方法，準(zhǔn)確探查巖巷掘進面與煤層界面距離，為巖巷揭煤的準(zhǔn)確性提供依據(jù)；周朝輝[9]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；李賀等[10]采用理論分析與數(shù)值模擬的方法對石門揭煤時的應(yīng)力與位移演化特征進行研究；趙寶峰等[11]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；何磊等[12]應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、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；劉洋等[5]通過在井筒巖巷段施工鉆孔，對巖層下部富水煤層段進行引流注漿，確保立井井筒安全通過富水煤層段。

盡管學(xué)者對于礦井巖巷揭煤或巷道掘進過程中相關(guān)的防治水工程、技術(shù)、理論等研究已較為充分，針對富水煤層水患也具有啟發(fā)和借鑒意義，但由于賦存條件、時空差異等原因，對于榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的礦井巖巷掘進揭露富水煤層過程中的防治水問題，仍需進一步的研究和探索。本文以榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的巴拉素煤礦為例，根據(jù)礦井現(xiàn)場實際，對其巖巷揭煤時的防治水工程、技術(shù)的適用性、可行性及效果進行思考和初步的探討，以期確保巷道掘進安全生產(chǎn)。

1 井田水文地質(zhì)概況

巴拉素煤礦井田面積約300 km2，首采區(qū)位于井田中部，約61 km2，礦井現(xiàn)處于基建階段，建成投產(chǎn)后是陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)千萬噸超大型井工煤礦之一。礦井首采侏羅系中統(tǒng)延安組2號煤層(約3.8 m厚)[13-14]，井田構(gòu)造簡單，2號煤層平均埋深約480 m，受地表水和大氣降水影響甚微，礦井采掘時的主要充水水源為地下水含水層[15-16]。煤層上覆的主要基巖含水層組自上而下分別為白堊系洛河組，厚度為195 m，富水性弱～中等；侏羅系直羅組，厚度為125 m，富水性弱；部分延安組，厚度為36 m，富水性弱，孔隙含水層等。根據(jù)目前掌握的礦井建設(shè)資料可知，該礦井未來采掘時的最大水害為2號煤層自身存在的煤層水害[17-18]。經(jīng)前期探查、揭露發(fā)現(xiàn)，2號煤層局部富水異常，造成井底車場整體下移18 m，先在巖巷中掘進。目前，礦井即將進入三期建設(shè)，井下大巷、工作面順槽等井巷工程隨著上山掘進，隨后將揭露2號富水煤層，在此之前，必須采取相關(guān)防治水措施，確保揭煤巷道的安全掘進。

2 揭煤準(zhǔn)備

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》(煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號)中“根據(jù)不同水文地質(zhì)條件，采取探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)等綜合防治措施”[19]的要求，結(jié)合礦井實際及巖巷掘進過程中防治水的工作經(jīng)驗[20]，在井下大巷、工作面順槽掘進前，主要開展針對2號煤層水的超前物探和鉆探工程，探查、截流、疏放2號煤層掘進方向的富水區(qū)域，同時開展對各疏放水鉆孔的水量水壓動態(tài)監(jiān)測、煤層水體的水化學(xué)分析、鉆孔窺視等手段，探究2號煤層水的賦存特征，為巖巷掘進揭煤及后期提出合理可行的富水煤層巷道掘進防治水技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.1 探查工程

根據(jù)礦井實際情況，結(jié)合以往勘探成果[13-18]，經(jīng)多次會議及專家組論證，確定以煤倉上口檢修巷為巴拉素煤礦第一處巖巷揭煤試驗點，并明確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(shù)據(jù)值須穩(wěn)定在7 d以上，同時，揭煤巷道的現(xiàn)場排水能力不低于500 m3/h[18-20]。在巖巷揭煤前，井下分為6個主要疏放區(qū)域，分別為：①煤倉上口附近區(qū)域24個(含2個定向鉆)；②換裝硐室及附近區(qū)域6個；③2102工作面膠運順槽及繞道21個(含2個定向鉆)；④2102工作面輔運順槽及繞道17個(含1個定向鉆)；⑤二號回風(fēng)大巷13個；⑥2101工作面輔運順槽16個(含1個定向鉆)，合計97個鉆孔。

1) 物探工程。結(jié)合前期地面瞬變電磁法勘探和井下直流電法勘探，在平面上掌握煤倉上口所處區(qū)域的富水異常區(qū)分布情況[16]，同時，從立體角度對掘進巷道迎頭低阻異常區(qū)進行超前探查(圖1)。由圖1可知，掘進迎頭方向存在低阻異常區(qū)，巷道前方極有可能存在局部富水，需進一步鉆探驗證。

圖1 巷道掘進方向電阻率等值線圖Fig.1 Resistivity isoline map of roadway tunneling direction

2) 鉆探工程。在煤倉上口檢修巷附近區(qū)域，采用“長鉆+短鉆”的方法進行超前疏放水(圖2)，加快長距離定向攔截和短距離疏放。在接近煤層底板垂距5 m和2 m的區(qū)域[20]，再分別施工一組超前探查孔，以加強局部水體疏放，力求將揭煤時可能產(chǎn)生的涌水盡量降至最低。根據(jù)該區(qū)域已完成施工的24個鉆孔(含2個定向鉆長鉆孔)可知，各鉆孔在穿越2號煤層過程中，均探查到煤層富水異常，需在鉆孔穿過2號煤層2～3 m后停止鉆進，對其煤層水體的水量、水壓等變化情況進行動態(tài)觀測。

圖2 巖巷揭煤超前疏放水鉆孔分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of advance dredging water borehole in rock roadway

2.2 動態(tài)監(jiān)測

通過對上述24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25～198 m3/h之間，水壓在1.5～3.8 MPa之間時，各鉆孔自成孔后即接通管路進行放水，2個月的疏放后，各鉆孔水量、水壓均有大幅下降，其中，單孔最大水量已衰減至18 m3/h以下，各孔水壓也降低至0.4 MPa以下(圖3)，鉆孔總水量衰減率約78.6%，水壓下降率約88.9%，總體疏放水量約41.7萬m3。

圖3 各疏放鉆孔水量、水壓變化曲線圖Fig.3 Curves of water quantity and water pressure changes after drainage of each borehole

經(jīng)過100 d的鉆孔疏放水，煤倉上口區(qū)域的各鉆孔之間具有較好的溝通性，總體水量大幅下降，分析區(qū)內(nèi)局部賦存的2號煤層水整體補給條件有限，現(xiàn)有水體以靜儲量為主。同時，在煤倉上口檢修巷掘進工作面接近煤層底板垂距5 m和2 m的區(qū)域施工的鉆孔來看，其單孔終孔水量在5～40 m3/h之間，水壓約0.3 MPa，基本從孔內(nèi)自流而出，自成孔放水后，經(jīng)過約4 h，各鉆孔水量衰減明顯，單孔水量減小在4～13 m3/h之間，衰減率約67.5%。

2.3 水化學(xué)分析

圖4 礦井各水體Piper圖Fig.4 Piper diagram of each aquifer water

2.4 鉆孔窺視

通過現(xiàn)場施工的探疏放水鉆孔、錨索孔等，得知在進入2號煤層后孔內(nèi)存在不同程度的出水情況，為更深入地了解2號煤層內(nèi)部情況，采用鉆孔窺視儀對孔內(nèi)煤層及出水情況進行觀察研究(圖5)。

圖5 鉆孔內(nèi)窺視圖片F(xiàn)ig.5 Peeking inside the borehole

由圖5可知，2號煤層底板為1～1.7 m厚的細(xì)粉砂巖與煤線互層，進入煤層后，其內(nèi)部存在不規(guī)則的較多裂隙，交錯發(fā)育，有礦物充填，各裂隙處存在不同程度的流水，煤層厚度相對穩(wěn)定。 2號煤層水體主要賦存于煤層內(nèi)部的大量裂隙中，而各裂隙之間存在較好的溝通關(guān)聯(lián)，使得水體在其內(nèi)部運移流暢。

3 揭煤過程

對礦井采取了多次技術(shù)、安全、裝備、材料等討論，并實施井下水害事故應(yīng)急演練后，認(rèn)為煤倉上口檢修巷現(xiàn)有的條件可滿足揭煤要求，隨即決定采用綜掘方式，緩慢向2號煤層方向掘進。經(jīng)現(xiàn)場觀測，與前期孔內(nèi)窺視情況接近，在揭露0.3 m細(xì)粉砂巖段后，進入煤巖互層區(qū)，其產(chǎn)狀近水平，鈣質(zhì)膠結(jié)發(fā)育，硬度較低，巖性主要為砂泥巖互層，存在的煤線部分厚度在0.1～0.4 m之間，基本無水。 繼續(xù)掘進，在揭露2號煤層底板時，逐漸有水淋撒而下，2號煤層呈黑色，較為堅硬，條痕色為灰黑色、棕黑色，裂隙較為發(fā)育，充填有方解石、黃鐵礦等礦物，具有層狀、塊狀構(gòu)造(圖6)。隨著掘進面進入煤層的范圍增大，水量繼續(xù)緩慢增長，掘進工作面迎頭涌水量約80 m3/h左右，經(jīng)2 d時間，揭煤迎頭涌水量衰減至50 m3/h左右，現(xiàn)場掘進、排水等工作安全開展，同時，發(fā)現(xiàn)周邊疏放水鉆孔、錨索孔等出水均有所衰減。

圖6 煤層底板巖石及2號煤層樣品Fig.6 Floor rock and the No.2 coal seam samples

4 后期掘進思路

根據(jù)現(xiàn)有的礦井資料及對疏放水情況分析，2號煤層水具有賦存范圍大、水力聯(lián)通性好、靜儲量為主等特點。結(jié)合本次煤倉上口檢修巷的安全揭煤經(jīng)驗，后期繼續(xù)堅持“物探先行、鉆探后進”，結(jié)合動態(tài)監(jiān)測、水化學(xué)分析、鉆孔窺視等多種綜合手段共同開展。在占主導(dǎo)地位的鉆探工程中，應(yīng)采用多點布置、多孔疏放的方式，落實外圍長鉆孔和內(nèi)部短鉆孔截流快降、超前掩護配合掘進等方式，高效、快速地對巷道揭煤區(qū)域的煤層水體進行疏放，確保具備揭煤施工條件。揭煤后需沿煤層施工千米定向鉆孔，繼續(xù)對巷道掘進區(qū)域煤層水體進行超前探查、截流和疏放，同時輔以短鉆增強疏放水效果，達(dá)到掩護巷道快速、安全掘進的目的。

5 結(jié) 論

1) 通過巴拉素煤礦2號富水煤層巖巷掘進揭煤過程中開展的物探、鉆探、水化學(xué)等超前探查分析發(fā)現(xiàn)，2號富水煤層水體具有賦存范圍大、補給條件差、水力聯(lián)系好、靜儲量為主的特點。

2) 根據(jù)鉆孔內(nèi)窺視、煤巖實際揭露發(fā)現(xiàn)，2號煤層具有較高硬度、發(fā)育裂隙、產(chǎn)狀穩(wěn)定等特點，水體在煤層裂隙內(nèi)部溝通運移，并長期處于封閉狀態(tài)，對于礦井疏放水工作的開展較為有利。

3) 根據(jù)礦井首次以井巷工程巖巷上山形式成功揭煤的防治水工作開展情況，提出“物探先行、鉆探后進”的超前探查治理手段，結(jié)合動態(tài)監(jiān)測、水化學(xué)分析、鉆孔窺視等多種方法構(gòu)成綜合防治水技術(shù)體系，為后期礦井水害防治提供依據(jù)。