王春林，劉 洋，方 剛,4，李彥民，梁向陽(yáng)，劉晨光，楊彥寧，閆永樂(lè)

(1.陜西延長(zhǎng)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)

近年來(lái)，我國(guó)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(qiáng)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(duì)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(jìn)為首要任務(wù)，但受富水煤層的影響，迫使先期掘進(jìn)的巷道在煤層下部的巖層中布設(shè)，巖巷上山揭煤的問(wèn)題尤待解決。因此，如何做好巖巷揭煤過(guò)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(wèn)題。

盡管富水煤層在國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)采過(guò)程中較為罕見(jiàn)，此條件下的采掘工作屈指可數(shù)[3-5]，但對(duì)于巖巷揭煤或巷道掘進(jìn)過(guò)程中所面臨的其他水害問(wèn)題，業(yè)內(nèi)學(xué)者們已經(jīng)取得了較多的經(jīng)驗(yàn)和成果[6-7]。郭來(lái)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(jìn)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(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)巖巷掘進(jìn)過(guò)斷層的突水危險(xiǎn)性，采取超前鉆探疏降水壓、增設(shè)排水系統(tǒng)、改變掘進(jìn)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(duì)石門揭煤時(shí)的應(yīng)力與位移演化特征進(jìn)行研究；趙寶峰等[11]針對(duì)強(qiáng)富水弱膠結(jié)含水層下巷道掘進(jìn)防治水和支護(hù)問(wèn)題，提出采用定向鉆對(duì)頂板含水層富水性進(jìn)行探查和疏放，局部隔水層薄弱區(qū)進(jìn)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(hù)；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(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前探測(cè)預(yù)報(bào)，并通過(guò)鉆孔驗(yàn)證、注漿堵水治理保證巷道安全掘進(jìn)；劉洋等[5]通過(guò)在井筒巖巷段施工鉆孔，對(duì)巖層下部富水煤層段進(jìn)行引流注漿，確保立井井筒安全通過(guò)富水煤層段。

盡管學(xué)者對(duì)于礦井巖巷揭煤或巷道掘進(jìn)過(guò)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(duì)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(shí)空差異等原因，對(duì)于榆橫礦區(qū)(北區(qū))內(nèi)的礦井巖巷掘進(jìn)揭露富水煤層過(guò)程中的防治水問(wèn)題，仍需進(jìn)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(chǎng)實(shí)際，對(duì)其巖巷揭煤時(shí)的防治水工程、技術(shù)的適用性、可行性及效果進(jìn)行思考和初步的探討，以期確保巷道掘進(jìn)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(wàn)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(hào)煤層(約3.8 m厚)[13-14]，井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，2號(hào)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(shí)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(lái)采掘時(shí)的最大水害為2號(hào)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(hào)煤層局部富水異常，造成井底車場(chǎng)整體下移18 m，先在巖巷中掘進(jìn)。目前，礦井即將進(jìn)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(jìn)，隨后將揭露2號(hào)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(jìn)。

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(hào))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(shí)際及巖巷掘進(jìn)過(guò)程中防治水的工作經(jīng)驗(yàn)[20]，在井下大巷、工作面順槽掘進(jìn)前，主要開(kāi)展針對(duì)2號(hào)煤層水的超前物探和鉆探工程，探查、截流、疏放2號(hào)煤層掘進(jìn)方向的富水區(qū)域，同時(shí)開(kāi)展對(duì)各疏放水鉆孔的水量水壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、煤層水體的水化學(xué)分析、鉆孔窺視等手段，探究2號(hào)煤層水的賦存特征，為巖巷掘進(jìn)揭煤及后期提出合理可行的富水煤層巷道掘進(jìn)防治水技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

2.1 探查工程

根據(jù)礦井實(shí)際情況，結(jié)合以往勘探成果[13-18]，經(jīng)多次會(huì)議及專家組論證，確定以煤倉(cāng)上口檢修巷為巴拉素煤礦第一處巖巷揭煤試驗(yàn)點(diǎn)，并明確巖巷掘進(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(chǎng)排水能力不低于500 m3/h[18-20]。在巖巷揭煤前，井下分為6個(gè)主要疏放區(qū)域，分別為：①煤倉(cāng)上口附近區(qū)域24個(gè)(含2個(gè)定向鉆)；②換裝硐室及附近區(qū)域6個(gè)；③2102工作面膠運(yùn)順槽及繞道21個(gè)(含2個(gè)定向鉆)；④2102工作面輔運(yùn)順槽及繞道17個(gè)(含1個(gè)定向鉆)；⑤二號(hào)回風(fēng)大巷13個(gè)；⑥2101工作面輔運(yùn)順槽16個(gè)(含1個(gè)定向鉆)，合計(jì)97個(gè)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(cāng)上口所處區(qū)域的富水異常區(qū)分布情況[16]，同時(shí)，從立體角度對(duì)掘進(jìn)巷道迎頭低阻異常區(qū)進(jìn)行超前探查(圖1)。由圖1可知，掘進(jìn)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(jìn)一步鉆探驗(yàn)證。

圖1 巷道掘進(jìn)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(cāng)上口檢修巷附近區(qū)域，采用“長(zhǎng)鉆+短鉆”的方法進(jìn)行超前疏放水(圖2)，加快長(zhǎng)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(qiáng)局部水體疏放，力求將揭煤時(shí)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(gè)鉆孔(含2個(gè)定向鉆長(zhǎng)鉆孔)可知，各鉆孔在穿越2號(hào)煤層過(guò)程中，均探查到煤層富水異常，需在鉆孔穿過(guò)2號(hào)煤層2～3 m后停止鉆進(jìn)，對(duì)其煤層水體的水量、水壓等變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)上述24個(gè)煤層水探查、疏放鉆孔的終孔水量、水壓觀測(cè)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(shí)，各鉆孔自成孔后即接通管路進(jìn)行放水，2個(gè)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(wàn)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(guò)100 d的鉆孔疏放水，煤倉(cāng)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(hào)煤層水整體補(bǔ)給條件有限，現(xiàn)有水體以靜儲(chǔ)量為主。同時(shí)，在煤倉(cāng)上口檢修巷掘進(jìn)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(lái)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(guò)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工的探疏放水鉆孔、錨索孔等，得知在進(jìn)入2號(hào)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(hào)煤層內(nèi)部情況，采用鉆孔窺視儀對(duì)孔內(nèi)煤層及出水情況進(jìn)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(hào)煤層底板為1～1.7 m厚的細(xì)粉砂巖與煤線互層，進(jìn)入煤層后，其內(nèi)部存在不規(guī)則的較多裂隙，交錯(cuò)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(duì)穩(wěn)定。 2號(hào)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(yùn)移流暢。

3 揭煤過(guò)程

對(duì)礦井采取了多次技術(shù)、安全、裝備、材料等討論，并實(shí)施井下水害事故應(yīng)急演練后，認(rèn)為煤倉(cāng)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(hào)煤層方向掘進(jìn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，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(jìn)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(wú)水。 繼續(xù)掘進(jìn)，在揭露2號(hào)煤層底板時(shí)，逐漸有水淋撒而下，2號(hào)煤層呈黑色，較為堅(jiān)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(jìn)面進(jìn)入煤層的范圍增大，水量繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)，掘進(jìn)工作面迎頭涌水量約80 m3/h左右，經(jīng)2 d時(shí)間，揭煤迎頭涌水量衰減至50 m3/h左右，現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)、排水等工作安全開(kāi)展，同時(shí)，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(hào)煤層樣品Fig.6 Floor rock and the No.2 coal seam samples

4 后期掘進(jìn)思路

根據(jù)現(xiàn)有的礦井資料及對(duì)疏放水情況分析，2號(hào)煤層水具有賦存范圍大、水力聯(lián)通性好、靜儲(chǔ)量為主等特點(diǎn)。結(jié)合本次煤倉(cāng)上口檢修巷的安全揭煤經(jīng)驗(yàn)，后期繼續(xù)堅(jiān)持“物探先行、鉆探后進(jìn)”，結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水化學(xué)分析、鉆孔窺視等多種綜合手段共同開(kāi)展。在占主導(dǎo)地位的鉆探工程中，應(yīng)采用多點(diǎn)布置、多孔疏放的方式，落實(shí)外圍長(zhǎng)鉆孔和內(nèi)部短鉆孔截流快降、超前掩護(hù)配合掘進(jìn)等方式，高效、快速地對(duì)巷道揭煤區(qū)域的煤層水體進(jìn)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(duì)巷道掘進(jìn)區(qū)域煤層水體進(jìn)行超前探查、截流和疏放，同時(shí)輔以短鉆增強(qiáng)疏放水效果，達(dá)到掩護(hù)巷道快速、安全掘進(jìn)的目的。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)巴拉素煤礦2號(hào)富水煤層巖巷掘進(jìn)揭煤過(guò)程中開(kāi)展的物探、鉆探、水化學(xué)等超前探查分析發(fā)現(xiàn)，2號(hào)富水煤層水體具有賦存范圍大、補(bǔ)給條件差、水力聯(lián)系好、靜儲(chǔ)量為主的特點(diǎn)。

2) 根據(jù)鉆孔內(nèi)窺視、煤巖實(shí)際揭露發(fā)現(xiàn)，2號(hào)煤層具有較高硬度、發(fā)育裂隙、產(chǎn)狀穩(wěn)定等特點(diǎn)，水體在煤層裂隙內(nèi)部溝通運(yùn)移，并長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)，對(duì)于礦井疏放水工作的開(kāi)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(kāi)展情況，提出“物探先行、鉆探后進(jìn)”的超前探查治理手段，結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、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)。