宽沟煤矿B2 煤层水害疏放治理技术研究

杨平泊

（山东省煤炭技术服务有限公司，山东 济南 250031）

宽沟煤矿位于呼图壁县城西南70 km 处，行政区划隶属新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县雀尔沟镇管辖。根据勘探报告，宽沟煤矿先期开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，矿井水文地质类型为复杂型。

1 矿井水文地质概况

1.1 区域水文地质

该区位于天山北麓中山区哈拉巴斯陶特力斯嗄单面山体区段，山体走向NWW-SEE，呈带状分布[1]。山北坡地形坡度15°～20°，坡面多被第四系黄土覆盖，不利于大气降水入渗补给；山南坡岩石裸露，尤其是在中粗粒砂岩出露地段，微地形均呈陡坎状，不利于接受大气降水的渗入补给。

对区域地下水有影响的地表水系，自西向东主要有白杨沟河，自南向北主要有呼图壁河。其河水直接或间接补给地下水，或为地下水排泄通道。

1.1.1 区域含水层

根据区域地下水的赋存条件、含水介质的岩性特征及分布和埋藏条件，将区内含水岩层划分为三种不同含水岩系，即：松散岩类孔隙潜水含水岩系、碎屑岩类孔隙裂隙承压含水岩系、基岩裂隙含水岩系。

1.1.2 区域地下水的补给、径流和排泄特征

该区虽然地处欧亚大陆腹地，属干旱半干旱气候区，但是由于受天山地形和气候的影响，区内气候仍较湿润，南部高山区降水量丰富，冰雪广布，是区内地表水的发源地和地下水的补给区。中山区森林密布，气温适中，雨量充沛，为地下水提供了丰富的补给来源。北部低山丘陵区，因降水量较小，垂直蒸发强度大，地下水较贫乏。根据含水介质、富水性和地形地貌条件，将区域划分为基岩裂隙富水区（Ⅰ）、碎屑岩类孔隙裂隙中等富水区（Ⅱ）和碎屑岩类孔隙裂隙弱富水区（Ⅲ）三个水文地质区。宽沟煤矿位于Ⅱ区和Ⅲ区交界地带，如图1。

图1 区域水文地质示意图

1.2 矿井水文地质

依据矿区勘探阶段划分标准，将中、粗砂岩，砾岩等岩石划分为含水层，将泥岩，细、粉砂岩等细粒岩石划分为相对隔水层[2]。矿区由上自下共划分了3 个含水层，即：第四系冲洪积（Q4pal）孔隙潜水含水层（Ⅰ）；中侏罗统头屯河组(J2t)含水层（Ⅱ）；中侏罗统西山窑组（J2x）孔隙裂隙承压含水层（Ⅲ）。

地下水的补给以区域南部中高山区地下水由西南向东北径流补给为主，其次为白杨沟河水的侧向入渗补给为辅，其他补给途径甚微。由于白杨沟深切至西山窑组下段（B2煤以下），南部地下水和地表水是通过西山窑组下段中粗砂岩进入矿区内。

矿区地下水排泄以两种形式为主：一是部分地下水向呼图壁河排泄，1902 孔水位标高+1 587.09 m，对应的白杨沟河床标高+1570 m；首采区采空底板低于+1364 m，对应的白杨沟河床标高+1420～+1520 m，地下水水位高于河床，首采区对应的地下水补给白杨沟河水。二是随着煤矿的开发，开采地下水位降至河水位以下时，河水入渗补给地下水，矿井疏干排水将是矿区地下水排泄的主要形式。

1.3 B2 煤层底板弱承压水水害分析

B2煤层底板隔水层以泥岩、砂质泥岩为主，其次为粉砂岩，隔水层厚度为0～20.28 m，平均厚度为5.70 m。K3 砂岩承压含水层与B2煤间距平均值只有4.36 m，最大值也只有8.72 m，甚至在部分区域，直接底板就是含水层。B2煤层底板含水层水位最高标高为+1410 m，矿井B2煤层最低标高+1255 m，最大高差155 m，B2煤层底板隔水层承受最大水头压力为1.5 MPa，开采B2煤层时具有突水危险性。

B2煤层上部有自身回采的B41 煤层I010403、I010405、I010406 及 I010408 采空区存在，煤层厚度平均2.7 m，与B2煤层平均间距41 m，采用综采一次采全高采煤法，回采时所有工作面均无明显积水，预计采空区内无大量的积水，但回采前仍需对上部采空区进行探查验证。

根据《宽沟煤矿首采区西翼南部边界小煤窑采空区地面瞬变电磁法探测成果报告》和已关闭小煤窑调查报告，南部小煤窑基本没有越界开采B2煤层；同时B2煤层深部相距南部小煤窑较远，平均距离500 m，所以南部小煤窑积水对新布置的B2煤层回采区域不构成威胁。

综上所述，开采B2煤层的主要水害是煤层底板弱承压水。

2 B2 煤层底板弱承压水疏放治理

矿井采掘时一般不揭露底板含水层，但随着采深的加大，承压水头会愈来愈高。由于B2煤层底板水具有一定的承压性质，在采掘活动中，因岩层的原始平衡状态遭到破坏，巷道底板在水压和矿山压力的共同作用下，底板隔水岩层开始变形，产生底鼓，继而出现裂缝[2]。当裂缝向下延伸达到含水层时，承压的地下水便会突破底板涌入巷道，造成突水事故[3]。加强底板弱承压水的探放和疏排，是预防底板水害事故发生的主要手段[4]。

根据宽沟煤矿首采区布置，确定B2煤层底板弱承压水防治采用巷道疏放法和钻孔降压疏放法[1-4]。

2.1 巷道疏放法

在+1255 m 水平B2煤层东西两翼布置泄水巷。

西翼泄水巷设计断面13.66 m2，施工坡度+0°45′，设计长度1545 m。施工期间，B2煤层底板弱承压水顺巷道涌出，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 月总计疏放水104.52 万m3。

东翼泄水巷设计断面12.6 m2，设计长度1856 m，按3‰上坡掘进。施工期间，B2煤层底板弱承压水顺巷道涌出，利用巷道直接疏放。东翼泄水巷完工后涌水量平均90 m3/h。东翼泄水巷自2013 年4 月至2014 年9 月总计疏放水111.24 万m3。

2.2 疏放降压钻孔法

钻孔的布置是以对B2煤层底板的中粗砂岩含水层进行疏水降压为目的，并保障工作面回采时不受底板水的影响。施工时，可根据实际钻孔探放水情况对布孔角度、深度及方位进行调整，提高疏排水效率。

B2煤层西翼泄水巷探放水钻孔布置采用在泄水巷距主井150 m 处南帮开始每50 m 施工一个探放水硐室，在硐室迎头位置布置一组钻孔，采用“大夹角”扇形布置法，以扇形夹角45°并沿2°倾角向南部底板含水层施工钻孔放水，使之形成降落漏斗，逐步将底板弱承压水的静水压力降至安全水头以下，达到防治底板弱承压水的目的。钻孔布置如图2。

图2 钻孔布置图（m）

探放水钻机使用ZDY-4000 钻机，开孔孔径为Φ113 mm，钻进10.5 m 后下设套管为Φ108 mm 的无缝钢管10 m，外端焊法兰盘和阀门连接,并安装压力表，改用Φ94 mm 孔径继续钻进完成探查疏放作业。

B2西翼泄水巷共施工底板水疏放钻孔67 个，孔深共计12 793 m，截至2021 年12 月底，总疏放水量约508.15 万m3；B2东翼泄水巷共施工底板水疏放钻孔46 个，孔深共计10 457 m，截至2021 年12 月底，总疏放水量约178.97 万m3。

3 疏放水效果

B2煤层西翼泄水巷有30 个钻孔出水，B2煤层东翼泄水巷有11 个钻孔出水，所有钻孔均穿过B2煤层底板砂岩含水层，达到全覆盖探查。出水钻孔与地表地形密切相关，沟壑谷底区域有较强的富水性。

根据对所有钻孔出水情况的定期观测及初始出水总量统计结果，B2煤层东翼泄水巷钻孔单孔最大出水量为105.8 m3/h，B2煤层西翼泄水巷钻孔单孔最大出水量为40 m3/h，水压最大为0.37 MPa。随着疏放水工作的开展，钻孔水量逐渐减小，目前探放水钻孔中B2煤层东翼只有11 个钻孔出水，合计出水量约40 m3/h；西翼有30 个钻孔出水，合计出水量约90 m3/h。说明B2煤层底板含水层静储量已经得到了有效疏放，消除了底板含水层对安全回采所构成的威胁，对矿井涌水起到了“削峰平谷”的重要作用，实现了疏放降压研究的目的和效果，如图3。

图3 宽沟煤矿近年矿井涌水量变化趋势图

经长期疏放，各疏放水钻孔水量均呈现出减小、稳定趋势，说明钻探区域静储量已得到充分疏排，现有涌水为动态补给水源。

通过B2煤层开采前超前施工泄水巷和疏放水钻孔治理模式，极大降低了开采期间治理底板弱承压水的难度，节约了排水成本。截至2021 年12月底，宽沟煤矿B2煤层已安全开采7 年，未发生过底板弱承压突水影响安全生产的情况。B2煤层底板弱承压水疏放自2010 年9 月以来至今累计疏排水1 039.2 万m3，节约用电生产成本1 005.48万元。

4 结语

随着矿山开采的延伸，完善煤矿防治水体系，选择先进的探放水设备和合理的探查方法，消除煤矿水害事故。宽沟煤矿防治水采用物探、钻探相结合，施工泄水巷及探水孔的方式，有效地消除了水患影响，确保了安全生产。