山西中强福山煤业有限公司井下长观孔设计.doc

山西中强福山煤业有限公司井下长观孔设计编 制：王海龙审 核：纪邦师总工程师：纪邦师陕西省一三一煤田地质有限公司临汾分公司2016年12月第一章 前言山西中强福山煤业有限公司煤矿(以下简称本井田)由原山西浮山昱洁煤业有限责任公司煤矿和山西浮山晋杰煤业有限责任公司煤矿兼并重组而成。兼并重组后井田面积8.4763km2，新增1.9663km2。2012年10月9日，山西省国土资源厅颁发了采矿许可证，证号为C1400002009111220045307，批准开采2-10号煤层。生产规模为90万t/a。矿井开拓方式为斜井开拓，采煤方式为倾斜或走向长臂后退式，一个综采工作面满足产量需要。该矿设计生产能力为90万吨/年，核定生产能力为90万吨/年。目前开采9+10号煤层南翼采区。山西中强福山煤业有限公司井田位于山西省浮山县城东直线距离6.25km处的水地庄村东侧、南北两侧一带，行政区划隶属天坛镇管辖。地理坐标为东经1115355-1115545；北纬355629-355841。山西中强浮山煤业有限公司井田范围由8个拐点坐标圈定(见表1)。井田拐点坐标 表1序号 3带 拐点坐标(北京54) 3带 拐点坐标(西安80) XYXY13983560375824003983510.9037582331.2423983385375838203983335.9037583751.2533979521375838203979471.8737583751.2643979521375813053979471.8837581236.2453980280375811853980230.8737581116.2463980739375810813980689.8837581012.2473981734375811753981684.8837581106.2483981662375821973981612.8837582128.25井田平面形态呈一不规则多边形，井田东西宽约2700m，南北长约4000m，面积8.4763km2。开采深度由849.99米至449.99米标高。井田位于浮山县城东，距浮山县城8km，浮（山）沁（水）县级公路向南东方向通过井田南部，从浮山县沿230省道向西约40 km到临汾市，与南同蒲铁路临汾火车站相连，同时可达大（同）运（城）高速公路及霍（州）侯（马）二级公路，由临汾向北达山西省会太原，南可达河南、陕西。交通较为便利 (详见交通位置图1)。图1 交通位置示意图该矿目前施工了1个ZK5号水文钻孔，钻孔位置位于南翼采区西部，分别对石炭系太原组灰岩含水层及奥灰含水层进行了抽水试验。9+10号煤层矿井属奥灰岩溶水带压开采矿井。由于矿井开拓规划向南翼延深，目前无井下奥灰水观测系统，不能满足安全生产需要。因此，山西中强福山煤业有限公司决定在井下补充施工长期观测孔2个，观测奥灰水位动态变化，结合ZK5号水文孔资料，进一步完善矿井地下水动态水文。本次长观孔工程委托陕西省一三一煤田地质有限公司临汾分公司进行设计施工。本次井下水文长期观测孔设计编制依据和参考资料有：（1）山西中强福山煤业有限公司建矿地质报告；（2）山西中强福山煤业有限公司水文地质类型划分报告；（3）煤矿安全规程（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监督局，2011年3月1日）；（4）煤矿防治水规定（国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监督局，2009年12月1日）；（5）矿区水文地质工程地质勘探规范（中华人民共和国国家标准，GB 1271991，国家技术监督局）；第二章 矿井水文地质条件第一节 含（隔）水层一、 含水层依据本区地表出露地层及补充勘探钻孔揭露的地层，自下而上可划分为下古生界奥陶系、上古生界石炭系、二叠系及新生界第四系。现按其岩性、岩石的孔隙和裂隙发育程度及含水层水理性质等特点，将其划分出以下含水层。1、奥陶系岩溶裂隙含水层（O2）奥陶系地层在本区地表未见出露，据井田内施工的7个钻孔揭露了该地层，奥陶系灰岩顶界埋藏深度在336.68-546.45m之间。补1号钻孔为探岩溶孔，终孔深度537.35m，揭露奥灰岩厚度200.67m。ZK5号钻孔为水文钻孔，终孔深度651.39m，揭露奥灰岩厚度207.89m，终孔层位均为上马家沟组。 钻探揭露奥陶系峰峰组灰岩厚度约75m，岩性以灰、深灰色石灰岩、泥灰岩及角砾状灰岩为主，岩溶裂隙不甚发育，局部地段岩芯破碎可见裂隙及小溶洞，均已被次生方解石晶体和泥质物充填。据钻孔简易水文观测，在钻进至该区段时，冲洗浆液消耗量均未发现明显增大现象，为一富水性极弱的含水层。钻探揭露的上马家沟组，岩性以灰白、深灰色石灰岩、泥灰岩及薄层石膏组成，岩芯可见岩溶裂隙或小溶洞，溶洞直径在2-12mm之间。其中补1号钻孔在孔深443.9m处发现严重漏水，不返水。静止水位观测埋深为303.53m，水位标高为601.98m。ZK-5号钻孔在孔深519.36-524.57m之间，耗水量明显增大，钻至孔深587.50m处发生严重漏水，不返水。据ZK-5号钻孔注水试验成果，水位埋藏深度为450.45m，静止水位标高606.46m，渗透系数0.7476m/d，单位涌水量0.5317L/s.m，为一中等富水性含水层。地下水水质类型为HCO3SO4CaNa型水，矿化度为416mg/L，总硬度为400.32mg/L（CaCO3），PH值为7.4。根据本井田施工的水文钻孔及探岩溶钻孔资料推测本井田奥陶灰岩岩溶静止水位标高为595.00-615.00m。2、石炭系太原组砂岩含水及碳酸盐岩溶裂隙含水层（C3t）本组地层在井田内未见出露，岩性以砂岩和砂质泥岩互层为主，夹多层燧石条带灰岩及煤层，埋深在244.79-455.36m之下，揭露地层厚度为82.74-93.40m，平均厚度87.0m。据已施工的7个钻孔揭露该地层，主要含水岩性为K2、K3、K4灰岩和中厚层状砂岩。该含水岩性在本区范围内分布稳定，平均厚度分别为10.8m、4.05m、4.08m和15.07m，含水岩层总厚度为34.0m，约占本组厚度的39.08%。从岩芯描述可以看出，K2、K3灰岩岩溶裂隙或小溶洞较发育，局部地段岩芯破碎。其中ZK-1号钻孔在孔深450.75m处耗水量开始增大，到孔深456.00m（K2）处冲洗浆液全部漏失，冲洗浆液最大消耗量为3m3/h。ZK-4号钻孔在孔深452.00-467.00m（K2、K3）冲洗浆液消耗量明显增大，消耗量为0.3-1.3m3/h，其它钻孔冲洗浆液消耗量一般在0.06-0.3m3/h之间。据ZK-5号钻孔抽水试验成果，水位埋深413.65m，静止水位标高643.26m，渗透系数0.0041m/d，单位涌水量0.002224L/s.m，为一弱富水性含水层。据井田北部15km处的春山煤矿奥灰水文钻孔资料，地下水水质类型为HCO3Na型水，矿化度690mg/L，总硬度39.50mg/L（CaCO2计），PH值为7.94。3、二叠系山西组砂岩裂隙含水层（P1s）本组地层在井田内地表未见出露，岩性以灰白色砂岩、灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩夹煤层等组成，埋深在192.17-407.22m之下，地层厚度42.62-52.62m，平均厚度为47.0m。主要含水岩性为中厚层状砂岩，砂岩平均厚度为13.35，约占本组厚度的28.26%。据钻孔简易水文观测资料，ZK-1号钻孔在孔深370.0-377.0m之间岩性为中粒砂岩，冲洗浆液消耗量为0.5-1.1m3/h。ZK-4号钻孔在孔深361.00-364.14m之间岩性为粗粒砂，冲洗浆液消耗量为0.3-3.0m3/h。其它钻孔在本组的冲洗浆液消耗量均小于0.2m3/h，说明本组地层砂岩层段局部裂隙较发育含水。据ZK-5号钻孔抽水试验成果，水位埋深为356.87m，静止水位标高为700.04m，渗透系数为0.0066m/d，单位涌水量为0.00108L/s.m，为一弱富水性含水层。地下水水质类型为HCO3-Na型水，矿化度736mg/L，总硬度22.81mg/L（CaCO3计），PH值为8.55。4、二叠系上、下石盒子砂岩裂隙含水层（P1x- P2s）该组地层在区内的沟谷中分布较为广泛，岩性以紫红、灰色泥岩、砂质泥岩为主，其次为黄绿、灰绿、灰白色粗、中、细粒砂岩，其中砂岩裂隙中含水。钻孔揭露该组地层埋藏深度在5.00-54.00m之下，地层厚度184.17-403.22m，平均厚度为291.32m。浅部风化裂隙发育，风化壳厚度约为30.0-40.0m。据井田北部15km处的春山煤矿钻孔资料山西组和下石盒子组含水层混合抽水试验成果，含水层水位埋深16.82-103.50m，水位标高767.40-777.60m，渗透系数0.0475-0.618m/d，单位涌水量 0.001-0.0066L/s.m，为一弱富水性含水层。地下水水质类型为HCO3SO4Na型水，矿化度1.008g/L，总硬度14.6mg/L（CaCO3计）。5、第四系松散岩孔隙含水层（Q2+3）主要分布于井田山梁及山坡一带，岩性为黄色粉土、棕黄、棕红色粉质粘土夹多层古土壤条带及钙质结核层，不整合覆盖于二叠系地层之上，厚度0-64.0m，一般不含水，仅在局部地形、地貌有利地段形成上层滞水含水层，但一般含水量极弱。二、 隔水层1、二叠系及石炭系太原组层间隔水层据地面调查及钻孔揭露的二叠系上、下石盒子组、山西组及石炭系太原组地层，沉积岩相多为砂岩与砂质泥岩、泥岩交互沉积，砂质泥岩、泥岩全区普遍发育，结构致密，渗透能力差，一般为可视为层间相对隔水层，能起到良好的层间相对隔水作用。另外，太原组9+10号煤层底部岩性多以泥质岩类为主，同时也是奥陶系灰岩岩溶承压水较好的隔水层。2、本溪组隔水层岩性主要由砂质泥岩、铝土质泥岩组成，一般厚度3.34-8.32m，平均厚度为5.82m。经对本溪组岩石物理力学试验数据统计分析，泥质岩类为软性岩层，具柔性，为良好的隔水层，具有阻水作用。砂岩类为刚性岩层，强度较大，完整性好的岩石具有很强的抗隔水性能。第二节 地下水的补给、径流和排泄一、第四系全新统孔隙潜水含水层主要以接受大气降水及河谷两侧的基岩地下水的侧向补给，接受补给后沿沟谷向下游移动或补给下伏地层砂岩含水层，排泄方式主要沿沟谷渗流或以泉的形式排泄到地表。二、二叠系碎屑岩裂隙含水层以接受大气降水补给为主，其次为地表水及上游地下含水层的侧向补给。风化壳裂隙水由高向低径流，往往在地形低凹处以渗流或泉的形式排泄到地表形成地表水。层间裂隙水在接受补给后，一般沿岩层倾向向深部径流，侧向排泄，当含水层被河流或沟谷以及断层构造切割出露地表时以泉的形式排泄。如遇到导水断裂构造时，地层中上、下含水层会有密切的水力联系。三、石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙含水层该地层在本井田处于深埋区，地下水以侧向补给为主，沿岩层产状向深部径流。在奥陶系灰岩岩溶水带压区遇到导水断裂构造时可能与下部含水层产生水力联系。四、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层本井田处于深埋区，地下水主要以侧向补给为主，受浮山断裂构造的影响，地下水的运动方向较为复杂。根据区域水文地质资料，同时结合本井田施工的水文钻孔及探岩溶钻孔资料推测本井田奥陶灰岩岩溶静止水位标高为595.00-615.00m。推测奥陶系灰岩岩溶水是由西北向东南径流，遇到隔水层的阻挡后再由东北向西南径流，并在海头村以泉的形式排泄。第三节 奥灰岩溶水对各煤层开采充水影响奥陶系岩溶裂隙含水层为本井田富水性相对较强的含水层，位于石炭二叠煤系地层下伏，岩溶裂隙含水层静止水位标高595.00-615.00m。可采煤层2号煤层底板标高在460.00-790.00m， 9+10号煤层底板标高为360.00-690.00m。从岩溶水静止水位标高与可采煤层底板标高对比分析认为，2号煤层底板标高大部分位于奥陶系灰岩岩溶水位以上，仅在井田北部、F8断层东北部及东南部存在带压开采；9+10号煤层的北部、南部及东部局部地段均存在带压开采。2号煤层和9+10号煤层带压开采突水系数见表2-3-1、表2-3-2。2号煤层和9+10号煤层带压开采范围见图2-3-1、图2-3-2。为准确判断奥陶系灰岩带压开采范围对矿井煤层开采是否能产生底板突水，现采用据2009年12月1日由国家煤矿安全监督局编制的煤矿防治水规定附录4中的突水系数计算公式进行评估。K=P/M其中 K突水系数（MPa/m） P底板隔水层承受的头水压力（MPa） M底板隔水层厚度（m）， P=（Ho-H1+M）0.0098 其中 Ho奥灰岩溶水水位标高（m） H1煤层底板最低标高根据经验：具有构造破坏的地区，安全突水系数为0.06MPa/m，无构造破坏的地区，安全突水系数为0.10MPa/m。本井田为有构造破坏地区，安全突水系数为0.06MPa/m。2号煤层底板奥灰水突水系数计算表 表2-3-1地点、孔号2煤层底板高（m）奥灰水水位标高（m）水头高度（m）奥灰岩顶面到2号煤层底板隔水层厚度(m)底板隔层承受水压值（Mpa）突水系数(T)备注ZK-1626.66597.2/108.18无压ZK-2546.53602.055.47109.711.620.015ZK-4637.18602.5/110.10无压ZK-5725.01606.5/111.60无压ZK-6691.17612.4/112.58无压补1冲刷602.6未见补2553.39607.053.61112.791.630.0142号煤层最低点460.00605.0145.00109.712.500.0239+10号煤层底板奥灰水突水系数计算表 表2-3-2地点、孔号9+10煤层底板高（m）奥灰水水位标高（m）水头高度（m）奥灰岩顶面到9+10号煤层底板隔水层厚度(m)底板隔层承受水压值（Mpa）突水系数(T)备注ZK-1535.70597.261.517.010.760.045ZK-2456.03602.0145.9719.211.620.084ZK-4541.18602.561.3214.100.740.052ZK-5628.37606.5/14.96无压/ZK-6594.76612.417.6416.220.330.020补1591.70602.610.9022.870.330.014补2455.41607.0151.5914.811.630.1109+10号煤层南翼大巷最低点450613.016316.221.760.119+10号煤层最低点360.00605.0245.0019.212.590.135经过计算， 2号煤层最低点奥灰水突水系数为0.023MPa/m，小于受构造破坏区临界突水系数值0.06MPa/m，因此，奥灰水突水危险性小，属相对安全区。但在带压开采区构造破坏地段为奥灰水突水危险区。9+10号煤层最低点奥灰水突水系数为0.135MPa/m，大于受构造破坏区临界突水系数值0.06MPa/m，因此，奥灰水突水危险性大，9+10号煤层有非带压区、相对安全区、过渡区与突水危险区。详见2、9+10号煤层带压开采范围示意图。第三章 井下长观孔设计第一节 钻孔布置原则本次布置施工的观测孔与已有水文孔相结合，形成相对完整的地下水动态观测系统。钻孔布置原则有：（1）满足水文地质监测的前提下，通过取芯钻进，进一步查明9+10号煤层底板以下奥灰含水层发育情况，建立长期奥灰含水层水文观测点；（2）以矿井南翼为工作重点；（3）结合地下水流向，在井田南翼布置2个钻孔；（4）长观孔应充分考虑矿井采掘工程的规划而布设，根据地形条件、施工条件、钻孔保护要求以及不影响煤矿安全生产等因素确定孔位，以便永久保留。第二节 钻探工程布置本次长观孔工程拟布置钻孔2个，基本位于矿井南翼范围内主、副水仓旁，观测目的层位为奥灰水位。本次预计钻探进尺300m，钻孔坐标及相关参数见表3-2-1，钻孔布设方案见图3-3-1。表3-2-1 井下长观孔相关参数一览表钻孔名称孔口坐标施工位置开孔层位终孔层位设计孔深（m）取芯层段施工方案长观井JG1X=3981064.9Y=19583645.7Z=565中央水仓旁9+10号煤层底板奥灰150进入奥灰0.5m以上取芯垂直孔长观井JG2X=3979841.21Y=19583178.64Z=615.21南翼大巷9+10号煤层底板奥灰150进入奥灰0.5m以上取芯垂直孔由于观测孔所在区域地层厚度变化较大，设计参数取其中间值，终孔深度以实际揭露的地层深度为准，揭露O2厚度原则上不超过100米，以涌水量满足观测要求为准。详见井下长观孔平面布置图（图3-3-2）。第三节 钻孔结构和技术要求一、钻孔结构出于安全施工目的，钻孔均设计为3级变径结构，逐级下入相应套管并固管，安装孔口闸阀，根据终孔孔径确定开孔孔径，终孔孔径裸孔段均为76mm。一级：开孔口径168 mm钻至奥陶面约30m，下入146 mm套管30m；二级：变径为127 mm至峰峰组底界约80m，下入108 mm套管80m；三级：变径为76 mm进入上马家沟40 m终孔。钻孔结构设计详见表3-3-1，单孔结构示意图见图3-3-1。表3-3-1 设计长观孔钻孔结构一览表孔号开孔（一级套管）变径（二级套管）裸孔段孔径(mm)管径(mm)长度(m)孔径(mm)管径(mm)长度(m)孔径(mm)长度(m)长观井JG116814630127108807640长观井JG116814630127108807640二、钻探施工技术要求1、岩芯采取长观井JG1、JG2孔要求全取芯，要求进入奥灰0.5m以上段为全取芯，以下为无芯钻进。通过钻孔取芯，水文地质钻孔又起到了地质勘探孔的作用，对于探查9+10号煤层底板以下地层发育情况具有一定意义。要求设计取芯层段正常地层岩芯采取率不低于70，破碎带(层) 岩芯采取率不低于50%，岩芯要冼净，按顺序排列整齐，妥善保管，对岩芯必须进行详细描述，内容包括：岩石名称、粒度、分选性、颜色、矿物成分、岩石结构、胶结物成分及胶结程度等。2、简易水文观测要求准确记录各主要含水层的岩层层位、名称、换层深度，钻孔出水后记录出水深度及水量，揭露整个含水层后观测水量、水压、水温等水文资料。水量测量采用容积法或流量计法，要求测量准确。水压观测须使用精度不小于0.05MPa压力表，观测时间不小于4h，以最终观测数值为准。3、冲洗液要求尽可能采用清水钻进，遇软弱地层或破碎带成孔困难时可考虑使用泥浆钻进。4、套管及孔口阀要求为施工和使用安全，钻孔套管必须牢固安装。套管为无缝钢管，丝扣连接。根据套管长度、孔径计算所需浆液体积，用水泥单液浆一次注浆封闭，要求管外间隙浆液均匀饱满，凝固时间不低于24h。水泥凝固扫孔进行耐压试验，耐压试验压力不小于水压2倍，耐压时间不小于20min，检查孔壁及围岩无漏水、渗水方为合格，否则重新进行封固。合格后套管上安装高压水闸阀，水闸阀抗压能力不小于水压。套管深度可根据现场施工情况适当调整，以实际揭露地层情况为准，施工过程中如揭露煤层较厚，可考虑预留一级护壁管空间，防止煤层段塌孔。5、原始记录各项原始记录必须使用钢笔填写，做到填写及时、准确、齐全、清楚，并妥善保管，不得追记或写画与生产无关的内容。对写错的地方只准划改不准涂改，且划改不得超过三次。第四章 安全施工保证措施第一节 钻机操作规程一、施工人员经过培训，要熟悉钻机的各种性能和操作程序以及简易故障的处理方法和不同岩石的压力、转速要求等，做到熟练操作，以防造成事故。二、钻机基础必须水平，钻机安设使用液压支柱固定，防止水压太大顶起钻机。三、固定好钻机后，应仔细检查钻机各部件安装是否正确，并用手转动其各有关部件，以检查其是否灵活，检查油管是否有破损，如果有问题应及时解决。四、将钻机操作手柄均置于空档位置，然后再起动电机，检查电机及回转、升降、卡盘是否正常，发现问题及时调整。五、严格执行钻具检查制度，对钻杆接头、丝扣、磨损、弯曲度等认真检查，凡钻杆直径单边磨损达2mm，或均匀磨损达3mm，每米弯曲超过3cm及各种钻具有微小裂隙，丝扣严重磨损、松动或其它明显变形时，均不得下入孔内。六、上述条件达到要求后，可安装钻具，然后起动水泵（或闸门）向钻孔内供水，开始钻进。七、钻机开始钻进或起钻时，严禁转动手柄进入倒档（即立轴倒转）。八、钻机钻进时操作人员不准离开钻机，并做到“三看”、“二听”、“一及时”。即看操作（档位）把手振动、给进压力和进尺速度，看泵压表及回水情况，看皮带及水接头情况；听机器运转声，听孔内振动声；发现异常及时停钻处理。九、钻进过程中若发生机械故障或突然停电，应立即拉开动力开关，并用人力将钻具提到安全孔段，以免埋钻。第二节 安全技术措施一、所有下井人都必须严格按照煤矿安全操作规程进行操作，严格遵守规章制度，必须随身携带矿灯、自救器，正确佩戴安全帽、穿胶鞋，严禁穿化纤衣服，严禁携带烟草等点火物品。二、所有施工人员必须熟悉井下避灾路线，出现异常情况时能够根据调度室指令有序撤离。三、打钻地点必须有良好的供电、通风和供排水系统。钻机供水水量不小于15m3/h，钻场排水能力不小于80m3/h，同时保证水仓有效容积满足要求。四、施工人员必须持证上岗，无证不得操作。施工过程中，每班不得少于1名熟练工，严禁一人操作多项，