寬溝煤礦B2 煤層水害疏放治理技術(shù)研究

楊平泊

（山東省煤炭技術(shù)服務(wù)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(qū)劃隸屬新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州呼圖壁縣雀爾溝鎮(zhèn)管轄。根據(jù)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(zhì)類型為復(fù)雜型。

1 礦井水文地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)

該區(qū)位于天山北麓中山區(qū)哈拉巴斯陶特力斯嗄單面山體區(qū)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(qū)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(qū)域含水層

根據(jù)區(qū)域地下水的賦存條件、含水介質(zhì)的巖性特征及分布和埋藏條件，將區(qū)內(nèi)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(qū)域地下水的補給、徑流和排泄特征

該區(qū)雖然地處歐亞大陸腹地，屬干旱半干旱氣候區(qū)，但是由于受天山地形和氣候的影響，區(qū)內(nèi)氣候仍較濕潤，南部高山區(qū)降水量豐富，冰雪廣布，是區(qū)內(nèi)地表水的發(fā)源地和地下水的補給區(qū)。中山區(qū)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(qū)，因降水量較小，垂直蒸發(fā)強度大，地下水較貧乏。根據(jù)含水介質(zhì)、富水性和地形地貌條件，將區(qū)域劃分為基巖裂隙富水區(qū)（Ⅰ）、碎屑巖類孔隙裂隙中等富水區(qū)（Ⅱ）和碎屑巖類孔隙裂隙弱富水區(qū)（Ⅲ）三個水文地質(zhì)區(qū)。寬溝煤礦位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)交界地帶，如圖1。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)示意圖

1.2 礦井水文地質(zhì)

依據(jù)礦區(qū)勘探階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，將中、粗砂巖，礫巖等巖石劃分為含水層，將泥巖，細(xì)、粉砂巖等細(xì)粒巖石劃分為相對隔水層[2]。礦區(qū)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(tǒng)頭屯河組(J2t)含水層（Ⅱ）；中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）孔隙裂隙承壓含水層（Ⅲ）。

地下水的補給以區(qū)域南部中高山區(qū)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(cè)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(qū)內(nèi)。

礦區(qū)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(biāo)高+1 587.09 m，對應(yīng)的白楊溝河床標(biāo)高+1570 m；首采區(qū)采空底板低于+1364 m，對應(yīng)的白楊溝河床標(biāo)高+1420～+1520 m，地下水水位高于河床，首采區(qū)對應(yīng)的地下水補給白楊溝河水。二是隨著煤礦的開發(fā)，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(qū)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(zhì)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(qū)域，直接底板就是含水層。B2煤層底板含水層水位最高標(biāo)高為+1410 m，礦井B2煤層最低標(biāo)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(qū)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(yù)計采空區(qū)內(nèi)無大量的積水，但回采前仍需對上部采空區(qū)進行探查驗證。

根據(jù)《寬溝煤礦首采區(qū)西翼南部邊界小煤窯采空區(qū)地面瞬變電磁法探測成果報告》和已關(guān)閉小煤窯調(diào)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(yuǎn)，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(qū)域不構(gòu)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(zhì)，在采掘活動中，因巖層的原始平衡狀態(tài)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(chǎn)生底鼓，繼而出現(xiàn)裂縫[2]。當(dāng)裂縫向下延伸達(dá)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(yù)防底板水害事故發(fā)生的主要手段[4]。

根據(jù)寬溝煤礦首采區(qū)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?xùn)|西兩翼布置泄水巷。

西翼泄水巷設(shè)計斷面13.66 m2，施工坡度+0°45′，設(shè)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(shè)計斷面12.6 m2，設(shè)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(jù)實際鉆孔探放水情況對布孔角度、深度及方位進行調(diào)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(dá)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(shè)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(xù)鉆進完成探查疏放作業(yè)。

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?xùn)|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(dá)到全覆蓋探查。出水鉆孔與地表地形密切相關(guān)，溝壑谷底區(qū)域有較強的富水性。

根據(jù)對所有鉆孔出水情況的定期觀測及初始出水總量統(tǒng)計結(jié)果，B2煤層?xùn)|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?xùn)|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(jīng)得到了有效疏放，消除了底板含水層對安全回采所構(gòu)成的威脅，對礦井涌水起到了“削峰平谷”的重要作用，實現(xiàn)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(jīng)長期疏放，各疏放水鉆孔水量均呈現(xiàn)出減小、穩(wěn)定趨勢，說明鉆探區(qū)域靜儲量已得到充分疏排，現(xiàn)有涌水為動態(tài)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(jié)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(fā)生過底板弱承壓突水影響安全生產(chǎn)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(jié)約用電生產(chǎn)成本1 005.48萬元。

4 結(jié)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(shè)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(jié)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(chǎn)。