巴拉素井田富水煤层岩巷揭煤防治水工程技术初探

王春林，刘 洋，方 刚,4，李彦民，梁向阳，刘晨光，杨彦宁，闫永乐

(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)

近年来，我国榆横矿区(北区)内发现了一类新型水害：高承压强富水煤层水害[1-2]，由于区内分布的大多数井工矿井均处于基建阶段，因此对矿井安全生产造成了极大程度的威胁。矿井在建设期间，井下巷道掘进为首要任务，但受富水煤层的影响，迫使先期掘进的巷道在煤层下部的岩层中布设，岩巷上山揭煤的问题尤待解决。因此，如何做好岩巷揭煤过程中的防治水工作，成为了区内富水煤层矿井建设的首要问题。

尽管富水煤层在国内外煤矿开采过程中较为罕见，此条件下的采掘工作屈指可数[3-5]，但对于岩巷揭煤或巷道掘进过程中所面临的其他水害问题，业内学者们已经取得了较多的经验和成果[6-7]。郭来功等[8]利用地震面波超前探查的方法，准确探查岩巷掘进面与煤层界面距离，为岩巷揭煤的准确性提供依据；周朝辉[9]通过理论计算预测岩巷掘进过断层的突水危险性，采取超前钻探疏降水压、增设排水系统、改变掘进工艺及注浆堵水等措施确保巷道安全施工；李贺等[10]采用理论分析与数值模拟的方法对石门揭煤时的应力与位移演化特征进行研究；赵宝峰等[11]针对强富水弱胶结含水层下巷道掘进防治水和支护问题，提出采用定向钻对顶板含水层富水性进行探查和疏放，局部隔水层薄弱区进行钻孔和锚杆注浆加固改造，巷道破碎区采用U型钢棚支护；何磊等[12]应用地质雷达、红外探水仪及超前钻探手段，对掘进巷道进行超前探测预报，并通过钻孔验证、注浆堵水治理保证巷道安全掘进；刘洋等[5]通过在井筒岩巷段施工钻孔，对岩层下部富水煤层段进行引流注浆，确保立井井筒安全通过富水煤层段。

尽管学者对于矿井岩巷揭煤或巷道掘进过程中相关的防治水工程、技术、理论等研究已较为充分，针对富水煤层水患也具有启发和借鉴意义，但由于赋存条件、时空差异等原因，对于榆横矿区(北区)内的矿井岩巷掘进揭露富水煤层过程中的防治水问题，仍需进一步的研究和探索。本文以榆横矿区(北区)内的巴拉素煤矿为例，根据矿井现场实际，对其岩巷揭煤时的防治水工程、技术的适用性、可行性及效果进行思考和初步的探讨，以期确保巷道掘进安全生产。

1 井田水文地质概况

巴拉素煤矿井田面积约300 km2，首采区位于井田中部，约61 km2，矿井现处于基建阶段，建成投产后是陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)内千万吨超大型井工煤矿之一。矿井首采侏罗系中统延安组2号煤层(约3.8 m厚)[13-14]，井田构造简单，2号煤层平均埋深约480 m，受地表水和大气降水影响甚微，矿井采掘时的主要充水水源为地下水含水层[15-16]。煤层上覆的主要基岩含水层组自上而下分别为白垩系洛河组，厚度为195 m，富水性弱～中等；侏罗系直罗组，厚度为125 m，富水性弱；部分延安组，厚度为36 m，富水性弱，孔隙含水层等。根据目前掌握的矿井建设资料可知，该矿井未来采掘时的最大水害为2号煤层自身存在的煤层水害[17-18]。经前期探查、揭露发现，2号煤层局部富水异常，造成井底车场整体下移18 m，先在岩巷中掘进。目前，矿井即将进入三期建设，井下大巷、工作面顺槽等井巷工程随着上山掘进，随后将揭露2号富水煤层，在此之前，必须采取相关防治水措施，确保揭煤巷道的安全掘进。

2 揭煤准备

根据《煤矿防治水细则》(煤安监调查〔2018〕14号)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”[19]的要求，结合矿井实际及岩巷掘进过程中防治水的工作经验[20]，在井下大巷、工作面顺槽掘进前，主要开展针对2号煤层水的超前物探和钻探工程，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动态监测、煤层水体的水化学分析、钻孔窥视等手段，探究2号煤层水的赋存特征，为岩巷掘进揭煤及后期提出合理可行的富水煤层巷道掘进防治水技术奠定基础。

2.1 探查工程

根据矿井实际情况，结合以往勘探成果[13-18]，经多次会议及专家组论证，确定以煤仓上口检修巷为巴拉素煤矿第一处岩巷揭煤试验点，并明确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[18-20]。在岩巷揭煤前，井下分为6个主要疏放区域，分别为：①煤仓上口附近区域24个(含2个定向钻)；②换装硐室及附近区域6个；③2102工作面胶运顺槽及绕道21个(含2个定向钻)；④2102工作面辅运顺槽及绕道17个(含1个定向钻)；⑤二号回风大巷13个；⑥2101工作面辅运顺槽16个(含1个定向钻)，合计97个钻孔。

1) 物探工程。结合前期地面瞬变电磁法勘探和井下直流电法勘探，在平面上掌握煤仓上口所处区域的富水异常区分布情况[16]，同时，从立体角度对掘进巷道迎头低阻异常区进行超前探查(图1)。由图1可知，掘进迎头方向存在低阻异常区，巷道前方极有可能存在局部富水，需进一步钻探验证。

图1 巷道掘进方向电阻率等值线图Fig.1 Resistivity isoline map of roadway tunneling direction

2) 钻探工程。在煤仓上口检修巷附近区域，采用“长钻+短钻”的方法进行超前疏放水(图2)，加快长距离定向拦截和短距离疏放。在接近煤层底板垂距5 m和2 m的区域[20]，再分别施工一组超前探查孔，以加强局部水体疏放，力求将揭煤时可能产生的涌水尽量降至最低。根据该区域已完成施工的24个钻孔(含2个定向钻长钻孔)可知，各钻孔在穿越2号煤层过程中，均探查到煤层富水异常，需在钻孔穿过2号煤层2～3 m后停止钻进，对其煤层水体的水量、水压等变化情况进行动态观测。

图2 岩巷揭煤超前疏放水钻孔分布示意图Fig.2 Distribution diagram of advance dredging water borehole in rock roadway

2.2 动态监测

通过对上述24个煤层水探查、疏放钻孔的终孔水量、水压观测发现，各钻孔终孔水量在25～198 m3/h之间，水压在1.5～3.8 MPa之间时，各钻孔自成孔后即接通管路进行放水，2个月的疏放后，各钻孔水量、水压均有大幅下降，其中，单孔最大水量已衰减至18 m3/h以下，各孔水压也降低至0.4 MPa以下(图3)，钻孔总水量衰减率约78.6%，水压下降率约88.9%，总体疏放水量约41.7万m3。

图3 各疏放钻孔水量、水压变化曲线图Fig.3 Curves of water quantity and water pressure changes after drainage of each borehole

经过100 d的钻孔疏放水，煤仓上口区域的各钻孔之间具有较好的沟通性，总体水量大幅下降，分析区内局部赋存的2号煤层水整体补给条件有限，现有水体以静储量为主。同时，在煤仓上口检修巷掘进工作面接近煤层底板垂距5 m和2 m的区域施工的钻孔来看，其单孔终孔水量在5～40 m3/h之间，水压约0.3 MPa，基本从孔内自流而出，自成孔放水后，经过约4 h，各钻孔水量衰减明显，单孔水量减小在4～13 m3/h之间，衰减率约67.5%。

2.3 水化学分析

图4 矿井各水体Piper图Fig.4 Piper diagram of each aquifer water

2.4 钻孔窥视

通过现场施工的探疏放水钻孔、锚索孔等，得知在进入2号煤层后孔内存在不同程度的出水情况，为更深入地了解2号煤层内部情况，采用钻孔窥视仪对孔内煤层及出水情况进行观察研究(图5)。

图5 钻孔内窥视图片Fig.5 Peeking inside the borehole

由图5可知，2号煤层底板为1～1.7 m厚的细粉砂岩与煤线互层，进入煤层后，其内部存在不规则的较多裂隙，交错发育，有矿物充填，各裂隙处存在不同程度的流水，煤层厚度相对稳定。 2号煤层水体主要赋存于煤层内部的大量裂隙中，而各裂隙之间存在较好的沟通关联，使得水体在其内部运移流畅。

3 揭煤过程

对矿井采取了多次技术、安全、装备、材料等讨论，并实施井下水害事故应急演练后，认为煤仓上口检修巷现有的条件可满足揭煤要求，随即决定采用综掘方式，缓慢向2号煤层方向掘进。经现场观测，与前期孔内窥视情况接近，在揭露0.3 m细粉砂岩段后，进入煤岩互层区，其产状近水平，钙质胶结发育，硬度较低，岩性主要为砂泥岩互层，存在的煤线部分厚度在0.1～0.4 m之间，基本无水。 继续掘进，在揭露2号煤层底板时，逐渐有水淋撒而下，2号煤层呈黑色，较为坚硬，条痕色为灰黑色、棕黑色，裂隙较为发育，充填有方解石、黄铁矿等矿物，具有层状、块状构造(图6)。随着掘进面进入煤层的范围增大，水量继续缓慢增长，掘进工作面迎头涌水量约80 m3/h左右，经2 d时间，揭煤迎头涌水量衰减至50 m3/h左右，现场掘进、排水等工作安全开展，同时，发现周边疏放水钻孔、锚索孔等出水均有所衰减。

图6 煤层底板岩石及2号煤层样品Fig.6 Floor rock and the No.2 coal seam samples

4 后期掘进思路

根据现有的矿井资料及对疏放水情况分析，2号煤层水具有赋存范围大、水力联通性好、静储量为主等特点。结合本次煤仓上口检修巷的安全揭煤经验，后期继续坚持“物探先行、钻探后进”，结合动态监测、水化学分析、钻孔窥视等多种综合手段共同开展。在占主导地位的钻探工程中，应采用多点布置、多孔疏放的方式，落实外围长钻孔和内部短钻孔截流快降、超前掩护配合掘进等方式，高效、快速地对巷道揭煤区域的煤层水体进行疏放，确保具备揭煤施工条件。揭煤后需沿煤层施工千米定向钻孔，继续对巷道掘进区域煤层水体进行超前探查、截流和疏放，同时辅以短钻增强疏放水效果，达到掩护巷道快速、安全掘进的目的。

5 结 论

1) 通过巴拉素煤矿2号富水煤层岩巷掘进揭煤过程中开展的物探、钻探、水化学等超前探查分析发现，2号富水煤层水体具有赋存范围大、补给条件差、水力联系好、静储量为主的特点。

2) 根据钻孔内窥视、煤岩实际揭露发现，2号煤层具有较高硬度、发育裂隙、产状稳定等特点，水体在煤层裂隙内部沟通运移，并长期处于封闭状态，对于矿井疏放水工作的开展较为有利。

3) 根据矿井首次以井巷工程岩巷上山形式成功揭煤的防治水工作开展情况，提出“物探先行、钻探后进”的超前探查治理手段，结合动态监测、水化学分析、钻孔窥视等多种方法构成综合防治水技术体系，为后期矿井水害防治提供依据。