榆橫北區(qū)富水煤層掘進(jìn)超前疏放水效果分析*

姬 強(qiáng)，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(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中煤科工集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國14個(gè)主要煤炭生產(chǎn)基地之一，區(qū)內(nèi)的神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)、榆橫礦區(qū)等均開采侏羅系煤層，其煤炭資源量豐富、煤質(zhì)優(yōu)良。在現(xiàn)已逐步開發(fā)的榆橫北區(qū)內(nèi)，分布有大海則井田、可可蓋井田、小紀(jì)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(gè)礦井，其井田面積均在150～300 km2左右，區(qū)內(nèi)可采煤層較多，地質(zhì)構(gòu)造和開采條件均較為簡單，在未來數(shù)十年內(nèi)有巨大的發(fā)展?jié)摿惋@著的經(jīng)濟(jì)效益，在陜北煤炭生產(chǎn)基地中占據(jù)著重要的戰(zhàn)略位置。同時(shí)，經(jīng)過多年開采實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，淺埋煤層的開發(fā)對地表生態(tài)環(huán)境及水資源的破壞相對較為嚴(yán)重，從我國大力倡導(dǎo)生態(tài)保護(hù)與資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展的角度來看，在未來煤礦的規(guī)劃發(fā)展進(jìn)程中，深(中)埋礦區(qū)內(nèi)煤炭資源的開發(fā)利用，勢必將占據(jù)煤炭生產(chǎn)市場的主導(dǎo)地位[1-2]。

榆橫北區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田中部，礦區(qū)內(nèi)自東向西煤層埋深逐漸增大，約在300～600 m范圍。礦區(qū)內(nèi)均為整裝井田，且大部分礦井尚未進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，仍處于勘探階段，基本不存在老(采)空區(qū)水害問題。由于煤層埋深較大，區(qū)內(nèi)不存在燒變巖水害問題；且區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造不甚發(fā)育，基本無斷層等構(gòu)造水害威脅。根據(jù)以往開采經(jīng)驗(yàn)，與侏羅紀(jì)煤田內(nèi)其他井田開發(fā)過程中所面臨的水害問題類似，榆橫北區(qū)內(nèi)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(jīng)驗(yàn)總結(jié)，侏羅紀(jì)煤田的頂板砂巖水害機(jī)理清楚，具體防治措施和手段現(xiàn)已較為成熟，整體易于實(shí)施[3-4]。

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

1 水文地質(zhì)條件

巴拉素井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的中部偏西區(qū)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10 Mt/a，現(xiàn)處于二期建設(shè)階段。投產(chǎn)后首采最上層的侏羅系中統(tǒng)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(gòu)造簡單，根據(jù)煤層賦存情況，礦井采掘時(shí)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(shè)時(shí)的副立井井筒掘進(jìn)施工過程中，揭露煤壁涌水量達(dá)180 m3/h，探放水鉆孔水壓穩(wěn)定在3.0 MPa左右，且經(jīng)過一段時(shí)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(dāng)井筒落地后礦井進(jìn)入二期建設(shè)時(shí)，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(jìn)揭煤，對上覆煤層進(jìn)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(shí)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(jīng)上山掘進(jìn)進(jìn)入煤層，因此，需在巖巷掘進(jìn)過程中對煤層水體進(jìn)行超前疏放，確保揭露煤層后的安全生產(chǎn)工作。根據(jù)礦井接續(xù)布置，在井下2102首采工作面膠運(yùn)順槽繞道、輔運(yùn)順槽繞道巖巷上山掘進(jìn)后即將揭煤，而后進(jìn)行2條順槽的正反掘進(jìn)，由此，對其揭煤疏放水開展的相關(guān)工作進(jìn)行詳述。

2 煤層水疏放方法

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》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”[13]的要求，結(jié)合礦井實(shí)際及巖巷掘進(jìn)過程中防治水工作經(jīng)驗(yàn)[14-16]，在井下2102首采工作面順槽繞道掘進(jìn)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(jìn)方向的富水區(qū)域，同時(shí)開展對各疏放水鉆孔的水量水壓的動(dòng)態(tài)監(jiān)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(jìn)工作面安全揭煤做好準(zhǔn)備。結(jié)合以往勘探成果[18-19]，經(jīng)多次會(huì)議及專家組論證，確定巖巷掘進(jìn)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(shí)，揭煤巷道的現(xiàn)場排水能力不低于500 m3/h[12-13，17]。

根據(jù)礦井實(shí)際，本次采用長距離定向鉆孔和短距離普通鉆孔相結(jié)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(qū)域及附近布置有45個(gè)2號煤層水疏放鉆孔，如圖1所示，其中包括38個(gè)普通短鉆和7個(gè)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(jìn)行排水，在此過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)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(jù)地勢高低采用巷道、水溝自流的方式)，將其相應(yīng)的防排水路線、設(shè)施進(jìn)行布置，如圖2所示，并確定制定相應(yīng)的防排水措施，如確定疏放水鉆孔出水影響區(qū)域及范圍，防止水體進(jìn)入其他巷道而設(shè)置攔水壩，設(shè)置臨時(shí)水倉、水泵和攔截網(wǎng)，布設(shè)自流沉淀池，制定預(yù)防鉆孔內(nèi)可能出現(xiàn)的H2S、CH4等有害氣體的專項(xiàng)措施等。

圖1 研究區(qū)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(nèi)以不同仰角開孔鉆進(jìn)，普通短鉆在穿越2號富水煤層后進(jìn)入頂板覆巖2～3 m時(shí)終孔，孔深28.5～159 m；定向長鉆在進(jìn)入煤層后轉(zhuǎn)平，孔深680～720 m(由鉆孔設(shè)計(jì)軌跡及鉆機(jī)性能所限)，使得2號煤層水能夠充分進(jìn)行釋放。自2102工作面第一個(gè)疏放水鉆孔開孔至最后一個(gè)疏放水鉆孔終孔，該區(qū)域的疏放水工程歷時(shí)近5個(gè)月，在此期間，各鉆孔的水量、水壓均發(fā)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(jiān)測的疏放水效果如下。

3.1 鉆孔出水變化情況

在本區(qū)域45個(gè)疏放水鉆孔中，39個(gè)普通短鉆的終孔水量35～198 m3/h、水壓0.5～3.2 MPa，6個(gè)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(shí)間不同，可能造成部分鉆孔水體分流減少，但依據(jù)排水管路的總排水量測算，整體疏放水量及水壓值隨時(shí)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(shí)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(tǒng)及相關(guān)設(shè)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(qū)域及附近的鉆孔疏放水工程，根據(jù)各鉆孔內(nèi)水量、水壓的變化情況分析可知，區(qū)內(nèi)2號煤層水具有局部富水性強(qiáng)、層內(nèi)連通性好、補(bǔ)給條件較差、以靜儲(chǔ)量為主的特點(diǎn)。由于本區(qū)內(nèi)前期未開展過采掘活動(dòng)，在各鉆孔揭露2號富水煤層后，首先表現(xiàn)出單孔水量大、水壓高的特點(diǎn)，但隨著后續(xù)多個(gè)鉆孔的施工，對本區(qū)域局部2號煤層水進(jìn)行整體疏干，同時(shí)，由外部的定向長鉆對區(qū)域水體進(jìn)行隔離攔截，在內(nèi)部的普通短鉆對局部水體進(jìn)行加強(qiáng)疏放，最終使得本區(qū)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(nèi)鉆進(jìn)至212 m處遇到裂隙，孔內(nèi)不返水，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，故提前終孔，而后在DDS-1號定向長鉆孔內(nèi)186 m處開分支，對DDS-2號鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)補(bǔ)充鉆進(jìn)，由此可見，在2號富水煤層內(nèi)存在一定的裂隙，該情況也是對煤層水連通性好的一個(gè)印證。由此，在采前相關(guān)防治水措施的情況下，巴拉素煤礦井下2102首采工作面膠運(yùn)、輔運(yùn)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(jìn)煤轉(zhuǎn)平，開始進(jìn)入煤巷的后續(xù)正反掘進(jìn)工作。本次工程印證了開展礦井疏放水及相關(guān)工作的有效性和必要性，也為后期井下其他掘進(jìn)工作面高效揭煤提供了實(shí)際依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)支撐。

4 結(jié)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(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)2號煤層水體具有局部富水性強(qiáng)、層內(nèi)連通性好、補(bǔ)給條件較差、以靜儲(chǔ)量為主的特點(diǎn)。

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

(3)根據(jù)本次2號煤層水疏放工程實(shí)踐，就目前掌握的煤層水體的賦存規(guī)律及運(yùn)移特征，結(jié)合礦井實(shí)際做好攔水壩、臨時(shí)水倉、攔截網(wǎng)，并制定相關(guān)專項(xiàng)應(yīng)急措施，可積極有效地提高礦井煤層水害的防治效果。