杭锦能源塔然高勒煤矿试采工作面防治水施工组织设计.docx

神华杭锦能源有限责任公司塔然高勒煤矿试采工作面防治水施工组织设计前言2第一章工程概况3第一节试采工作面概况3第二节地质及水文地质条件4第三节工作面水害威胁及排水能力8第四节主要疏放水工程量12第二章施工要求及技术方法14第一节探放水设计的原则及依据14第二节顶板水疏放方法15第三节井下钻探施工技术设计15第四节疏放水辅助措施21第三章设备、人员、材料24第一节 本工程拟投入的设备24第二节 本工程拟投入的人力24第三节 本工程拟投入的物资材料25第四节 设备、人员动员周期26第五节 设备、人员、材料运到施工现场的方法26第四章施工作业计划27第一节 施工顺序总体安排27第二节 探水孔的施工程序27第三节 工期安排28第五章质量保障措施31第六章工期保障措施34第七章安全生产保障措施36第八章环境保护措施42第九章应急救援43第十章钻孔竣工资料44 44 前言一、目的东胜煤田塔然高勒井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政区划属杭锦旗及达拉特旗，井田东西长25.23km，南北宽约15.73km，面积约229.1km2。本区可采储量约915.7Mt，设计生产能力10Mt/a，服务年限为67.8年，煤层平均埋深600m左右。其中首采区3-1煤层底板标高+725+1000m，埋深270860m，一般超过500m。根据井筒掘进及水文地质补勘成果，试采工作面主要面临顶板侏罗系中统-侏罗系中下统延安组（J2zJ1-2y）裂隙孔隙承压水含水层水的威胁，由于含水层厚度大，距离煤层近，富水性中等，因此在工作面回采期间，可能面临顶板含水层水的威胁，需要对试采工作面顶板水进行提前疏放。2013年，神华杭锦能源有限责任公司委托中煤科工西安煤科院对试采工作面进行了地面瞬变电磁勘查和井下放水试验工作，圈定了富水异常区，并根据防水试验成果，取得了3-1煤层顶板含水层的技术参数。工程进行系统的设计，不仅为试采工作面顶板水的防治提供依据，也为今后工作面的顶板水防治提供经验。在此基础上，神华杭锦能源有限责任公司特委托神华地质勘查有限责任公司对矿井试采工作面进行疏放水工程实施。二、任务（1）将整个工作面顶板砂岩水的水位降低2/33/4，减小回采时顶板垮落后的集中涌水水量。（2）建立地下水数值模型对整个矿区渗流场进行模拟分析，预测工作面回采期间的涌水量值，并对工作面疏放水后全矿井水位变化进行研究。第一章 工程概况第一节 试采工作面概况试采工作面回采长度2084m，倾斜长320m，面积666880m2（图1-1）。工作面主采3-1煤，本工作面范围内煤层厚度3.65m，煤层倾角约2。工作面范围内3-1煤底板标高约+890+910m，对应地面标高约+1480m，工作面3-1煤埋深约570m590m。据井上下对照图分析，试采工作面地面地貌主要为泊什太沟（图1-2、图1-3），其次为缓坡丘陵。图1-1 塔然高勒煤矿试采面布置图第二节 地质及水文地质条件一、地质概况1、地层试采面范围内无地质钻孔，据工作面周边Q108、Q22、Q104、Q105及WB13钻孔资料，结合前期勘探成果，井田内大部分地区被第四系（Q）风积砂所覆盖，仅在井田西南部有零星基岩出露。经钻孔揭露井田内地层由老至新依次有：中生界三叠系、侏罗系、白垩系，新生界新近系、第四系等。各地层由新至老简述如下：1）第四系：河湖相冲、洪积层及风积层等近现代沉积。底部多含底砾岩。厚度 040m。不整合2）新近系：黄褐、棕红、灰绿砂质泥岩、砂岩等，松疏半胶结。下部夹砾岩、砂砾岩等，不整合于一切老地层之上。厚度0100。该段地层在区内地表及沟壑广泛出露。不整合3）白垩系下统志丹群：上部为暗红、灰绿、黄褐砂质泥岩、各类砂岩等，下部为紫红、黄褐、浅灰砂砾岩、砾岩、含砾中粗砂岩等。厚层状。砾石成分多为火成岩、变质岩、石英砂岩砾块，次圆状，间夹中粗粒长石砂岩等。厚度30230m。不整合4）侏罗系中下统：（1）上部：棕红、浅灰、灰绿、黄紫褐色泥岩、砂质泥岩等，夹灰白中、粗砂岩多层。厚度67.7153.2m 平均123.05m。（2）下部：灰白、灰黄、灰绿、紫红色砾岩、中粗砂岩、夹砂质泥岩、细砂岩。局部含薄煤层及油页岩，含1煤组。底部多见煤及泥岩包裹体，显明显的冲刷相沉积建造。厚度117190.1m，平均162.78m。不整合5）侏罗系中下统延安组：（1）三岩段（J12y3）：位于延安组上部，该岩段界线从3煤组顶板砂岩底界至延安组顶界。岩性以灰白色细粗砂岩为主，夹灰色、深灰色粉砂质和砂质泥岩，发育有平行层理和水平纹理。其中下部普遍发育厚层状含砾粗砂岩或细砾岩。砂岩成份以石英为主、长石次之，含岩屑及大量植物化石碎片。含2煤组，含煤0-3层，其中含不可采煤层1层，即22煤层。该岩段在井田内大部地段遭受后期剥蚀。厚度11.65161.79m，平均47.69m。整合（2）二岩段（J12y2）：位于延安组中部，该岩段界线从5煤组顶板砂岩底界至3煤组顶板砂岩底界。岩性主要由浅灰、灰白色中、细砂岩，灰色粉砂岩和深灰色砂质泥岩、泥岩及煤层组成，局部含植物化石，并发育有平行层理。砂岩成份以石英为主、长石次之，含岩屑及云母碎片，泥岩胶结。含3、4煤组，含煤2-7层，其中含可采煤层3层，即3-1、41、4-2煤层（均为井田内大部可采煤层）。厚度30.91214.94m，平均75.34m。整合（3）一岩段（J12y1）：由延安组底界至5煤组顶板砂岩底界止。该岩段在井田内沉积不完整，仅在西部、中南部及东南部一带发育，面积不大，由南向北厚度渐小。地层岩性组合为：底部以灰白色略显绿色之中、粗粒石英砂岩为主，具斜层理，分选较好，局部地段含砾。中部为灰白色砂岩与深灰色粉砂岩、砂质泥岩互层，具有透镜状层理和水平纹理；上部为浅灰、灰色砂质泥岩、泥岩，夹粉砂岩和细砂岩，发育有水平层理。该岩段含5、6煤组，由于沉积基底的抬升，该岩段超覆沉积，区内大部地段赋存有5煤组（井田内的局部可采煤层），6煤组仅在局部地段接受了沉积。该岩段含煤04层。厚度0.93154.30m，平均39.66m。假整合6）三叠系延长组（T3y）：灰绿砂岩等，为井田的基底沉积,厚度不详。2、 煤层顶板岩性试采工作面长约2084m，宽320m，在工作面内部无地质钻孔，工作面顶底板岩性可参考工作面周边地质钻孔（Q108、Q22）及水文地质钻孔（WB13、WB6）资料，Q108钻孔位于试采面东侧，距离试采面胶带顺槽85m，WB6孔位于试采面东北方向，距离试采工作面约600m。据主、副井井筒及试采面周边地质钻孔（Q108、Q22）资料，3-1煤直接顶为砂岩，局部直接顶为中砂岩，向切眼方向有一层厚度0m1.33m的夹矸，夹矸主要以砂质泥岩为主，灰色深灰色，波状层理，断口呈参差状，含丰富植物化石，夹矸上方为2-2煤层，煤层厚度1m1.5m；老顶以砾岩、粗砂岩为主，夹灰色、深灰色砂质泥岩，砾岩胶结性差，其中上部普遍发育厚层状砾岩，厚36.773.43m，砂岩成为以石英为主、长石次之，含岩屑及大量植物化石碎片。直接底厚2.68.73m，由深灰色砂质泥岩、泥岩及煤层组成，局部含植物化石，并发育有平行层理，含岩屑及云母碎片，泥岩胶结。3、工作面地质构造据前期勘探资料，试采工作面主要受向斜的影响，以单斜构造为主，工作面东高西低，北高南低，据煤层底板等高线推测，工作面范围内最高点位于主运顺槽停采线附近，最低点位于切眼与回风顺槽附近。从煤层底板等高线看，3-1煤底板标高在+890m+910m之间，工作面范围内无褶曲与大断层构造，构造相对简单，但从西翼回风大巷掘进情况看，不排除工作面范围内有小落差的断层存在的可能。二、水文地质条件试采工作面位于井田西翼南侧，整个井田范围内地下水补给来源主要为大气降水，其次为含水层之间的越流补给；从井田所处区域水文地质资料分析，地下水处于滞留区，特别是对煤矿开采影响较大的侏罗系中统及中下统砂岩含水层，与上部白垩系之间泥岩隔水层阻止了地表水及大气降水的入渗，因此工作面范围内顶板砂岩水以静储量为主。1、 含水层1）第四系（Q）松散层潜水含水层岩性为灰黄色、棕黄色冲洪积砂砾石（Q4al+pl），残坡积中细砂（Q3+4），风积砂（Q4eol）等，在井田内广泛分布。含水层厚度1.507.50m，地下水位埋深为1.308.50m，一般埋深为35m左右，含水层的富水性弱中等，透水性能较强。潜水含水层与大气降水及地表水体的水力联系非常密切，与下伏承压含水层水力联系较小。该含水层为井田间接充水含水层。2）白垩系下统志丹群（K1zh）孔隙潜水承压水含水层岩性为灰绿色、深红色各种粒级的砂岩、砂砾岩及砾岩，夹砂质泥岩。在地表沟谷两侧广泛出露，主要出露在陡峭沟谷两侧及山坡之上与冲沟之中。首采区水文地质补充勘探成果显示，志丹群静水位标高在+1340+1350m之间，埋深为100150m。渗透系数为3.55610-3m/d6.01510-5m/d，多孔抽水试验未发现本含水层组与下部侏罗系含水层组有明显水力联系。3）侏罗系中统-侏罗系中下统延安组（J1-2y）裂隙孔隙承压含水层侏罗系中统（J2）岩性为浅黄色、青灰色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，紫红色、杂色粉砂岩及泥岩与砂质泥岩，在井田内分布广泛，厚度巨大且稳定。侏罗系中下统延安组（J1-2y）岩性主要为浅灰色、灰白色中粗粒砂岩、灰色、深灰色砂质泥岩，次为细粒砂岩、粉砂岩等，含煤层，全区赋存，分布广泛。根据首采区水文地质补充勘探成果，该段含水层在试采面范围内厚度为12135m，平均128m，地下水位埋深为124204m，水位标高为+1337.14+1343.69m，单位涌水量q=0.030.2 L/sm，渗透系数K=0.01540.2327m/d；富水性弱到中等，导水性中等，地下水的补给条件与径流条件均较差，与上覆潜水含水层及大气降水的水力联系较差。该含水层段为井田的直接充水含水层和主要充水含水层。4）三叠系上统延长组（T3y）碎屑岩类承压水含水层首采区水文地质补勘时未揭露，据以往资料，其岩性主要为灰绿色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，夹杂色砂质泥岩。钻孔揭露厚度不全，地表没有出露。根据以往资料该含水层富水性弱，导水性与透水性能差，与上部含水层的水力联系较小，为井田的间接充水含水层。2、 隔水层1）侏罗系中下统顶部隔水层位于白垩系底界以下至侏罗系中下统顶段，相当于区域地层中的安定组，总体沉积面貌由顶底界及中部三段紫红色泥岩、砂质泥岩夹两段中粗粒砂岩构成；厚度87-91m，平均89.5m。2）侏罗系中下统延安组（J1-2y）顶部隔水层位于延安组顶部2煤组顶板以上，岩性主要由灰色泥岩、砂质泥岩等组成，隔水层厚度06.10m，平均4.09m，一般小于5m，由于受后期的风化剥蚀，隔水层的厚度不稳定，分布也不连续，存在很多透水天窗，隔水性能较差，只起局部隔水作用。3）侏罗系中下统延安组底部隔水层位于6煤组底部，岩性以深灰色砂质泥岩为主，隔水层厚度0.9013.89m，平均7.85m，地层比较稳定，隔水性能较好。3、地下水的补给、径流和排泄条件1）潜水井田潜水主要赋存于沟谷第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）砂砾石层及第四系残坡积（Q3+4）中细砂中。因此，潜水的主要补给来源为大气降水。本区大气降水量较小而且集中，潜水的补给量一般也不大，降水多以地表径流的形式流出区外，降水的一部分渗入地下补给地下水，因此雨季潜水的补给量较大，旱季潜水的补给量较小。潜水一般沿沟谷方向向北径流，潜水的排泄方式有径流排泄、人工挖井开采排泄、泉水排泄、蒸发排泄等。根据原详查报告水文地质填图成果：黑赖沟上游流量38.00L/S，下游流量80.00L/S，由此可知，潜水补给河水。因此，潜水还向河水排泄。潜水沿沟谷向北流出区外。2）承压水井田承压水主要赋存于白垩系下统志丹群（K1zh）、侏罗系中统（J2）、侏罗系中下统延安组（J1-2y）砂岩中，志丹群（K1zh）在地表沟谷两侧大面积出露。承压水的主要补给来源为区外承压水的侧向径流补给，次为上部潜水的越流补给，在沟谷两侧基岩出露处也接受大气降水的垂直渗入补给。承压水一般沿地层走向径流，其排泄以侧向径流排泄为主，次为人工打井开采排泄，在地形低洼处还以泉水的形式排泄，一般沿北及西北方向流出区外。第三节 工作面水害威胁及排水能力一、充水水源根据塔然高勒煤矿试采工作面布置，可能存在的威胁水源主要包括大气降水、地表水、顶板水及断层水等。1）大气降水据东胜区气象局历年资料：当地年降水量为194.7531.6mm，平均为396.0mm，井田属高原侵蚀性丘陵地貌特征，大部分地区为低矮山丘，第四系广泛分布，因此大气降水一般补给地表水和第四系及上部基岩含水层，但由于煤层埋藏较深（平均600m），采煤形成的顶板导水裂隙带不会发育到地表，故大气降水不会成为矿井直接充水水源。2）地表水塔然高勒矿试采工作面对应地表为泊什太沟，工业广场周边发育的沟谷均为季节性浅沟，雨季暴雨后可形成短暂洪流，通过泊什太沟最终向北注入黄河。主井井口标高为+1493.50m，副井井口标高为+1493.50m，历时最高洪水位1484m。在场地西侧设有防洪堤，堤顶标高高出河槽7m，井口及场地是安全的，能满足规范规定的防洪设防标准。目前，泊什太沟为矿井排水的主要通道，后期需要考虑采动裂缝带是否导通白垩系，使地表水体成为矿井间接充水水源。3）老空水矿井周边无小煤窑开采历史，不存在老窑分布，因此试采工作面不存在小窑开采形成的老空水影响。矿井2014年开采相邻的首采工作面时，试采面局部低洼地带形成的老空积水可能对首采面有一定影响，需要在首采面回采前予以考虑。4）地下水第四系松散层潜水含水层不会对矿井直接充水，可能会通过向下越流补给承压含水层而成为矿井间接充水含水层，但影响甚微，可以不予考虑。白垩系下统志丹群（K1zh）裂隙孔隙潜水承压水含水层距离3-1煤层约260m，其间存在比较稳定的侏罗系中统顶部（J2a）隔水层，首采区水文地质补勘时多孔抽水试验也未发现其与3-1煤层顶板侏罗系中统直罗组-侏罗系中下统延安组（J2zJ1-2y）裂隙孔隙承压水含水层存在水力联系，不会受到采动破坏影响。据已有勘探资料，3-1煤层底板以下至5-1煤层底板虽然也有部分砂岩含水层，但总体含水微弱，对矿井安全没有威胁。因此，对矿井充水影响最大的是侏罗系中统-侏罗系中下统延安组（J2zJ1-2y）裂隙孔隙承压水含水层。该含水层段厚度大，试采面范围内厚度121135m，平均128m，水位标高为+1337.141343.69m，单位涌水量q=0.030.2 L/sm，渗透系数K=0.01540.2327m/d。含水层富水性中等，渗透性中等，因埋藏较深，地表无出露，所以垂向补给条件较差，但存在一定的侧向补给。该含水层段为井田的直接和主要充水含水层段。目前，3-1煤层开拓巷道和开采标高在+910m左右。据此计算，矿井巷道和工作面顶板承受下含水层段水压为4.3MPa。采动破坏后，因上覆含水层段水头压力大，含水层段本身具有一定静储量和补给量，从而对矿井安全形成威胁。综上所述，下含水层段裂隙孔隙承压含水层是矿井直接和主要充水含水层，是矿井的主要充水因素；白垩系下统志丹群裂隙孔隙潜水承压水含水层和三叠系上统延长组（T3y）承压含水层富水性弱，是矿井的次要充水因素。二、充水通道塔然高勒煤矿充水通道主要是煤层开采形成的冒落带和导水裂隙带，其次为断层、裂隙等。煤层开采后，冒落带和导水裂隙带进入下含水层段，是该含水层段中的地下水从冒落带溃入矿井或沿导水裂隙带涌入试采工作面。1）导水裂隙带依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范及宁东梅花井112203工作面实测数据计算的导水裂隙带均明显不会发育到白垩系下统志丹群裂隙孔隙承压水含水层，侏罗系中下统延安组与直罗组含水层为3-1煤开采时的主要充水含水层。但上述结论为依据三下规程与类似地区的经验数据进行的理论计算，由于顶板白垩系下统志丹群砂砾岩含水层富水性强，作为煤层开采的间接威胁水源，对矿井防治水工作具有重要的影响，另外在类似地区的采裂比经验数据得出的结果与三下规程的的结果差距较大，因此建议在工作面开采时，进行上三带发育高度的专项探测。2）断层据前期的地质勘探与水文地质勘探资料，包括进行的三维地质勘探成果，试采面范围内不存在大的断层等构造，但根据西翼回风大巷及井田掘进资料，工作面范围内可能存在一些小断层，形成局部的富水区或导水通道，对工作面巷道掘进或回采造成一定的影响。三、充水强度目前，井下涌水主要来自三条井筒在掘进过程中的涌水，其次为掘进巷道的滴淋水。其中最大涌水出现在主井，2012年7月份注浆堵水之前实测涌水量约236m3/h。1）主井主井在深度达到271m时，井筒涌水量达到44.3m3/h，后采用冻结法施工，井筒不出水，在2011年解冻后，井壁又出现不同程度涌水，2012年2月10日，涌水量最大达到236 m3/h，后采用井筒混凝土壁间与混凝土壁后注浆封堵，涌水量减小，2012年8月1日实测涌水量为13.4 m3/h，随后涌水量基本稳定，2013年2月份实测涌水量为10m3/h。2）副井副井在掘进至深度达到216.6m时，井筒涌水量为7.5m3/h；在深度达到490m时，井筒涌水量达到68.7m3/h，后采用冻结法施工，2012年3月8日，涌水量最大达到103.5m3/h，后采用井筒混凝土壁间与混凝土壁后注浆封堵，涌水量减小，5月2日实测涌水量为1.7 m3/h。 3）风井风井在深度达到292m时，井筒涌水量超过70 m3/h，在483m时，涌水量达到118.7 m3/h，后采用井筒注浆封堵，涌水量减小，2013年2月份实测涌水量22.8m3/h。4）周边矿井涌水概况在矿井以东30km以外的地区有少量生产矿井和小窑，各生产矿井和小窑开采3-1、4-2中煤层不等，采用斜井或平硐开拓，房柱式开采，年产多在10万t以下，顶、底板岩性多为砂质泥岩和粉砂岩。各煤矿在采掘过程中矿井的涌水量不大，一般10-20m3/d；普遍存在顶板小面积垮落，个别煤矿有底鼓现象发生。（1）吴四圪堵煤矿吴四圪堵煤矿资源量1.6亿t，开采石炭二叠系煤层。矿井设计规模2.4Mt/a，已经投产，已经开采第3个工作面。矿井涌水量情况：矿井初始矿井涌水量较大，为330416m3/h，首采工作面涌水量200m3/h，后续第2个、第3个工作面涌水量很小，仅17m3/h。（2）高头窑煤矿高头窑煤矿资源量20亿t，开采侏罗系中下统延安组煤层。矿井设计规模8.0Mt/a，最近投产。矿井涌水量情况：目前矿井涌水量84m3/h（2000m3/d），第1个工作面涌水量仅17m3/h。四、排水系统矿井排水系统正在建设中，永久排水系统设计为：2台运行泵，2台备用泵、1台检修，水泵电机功率1600KW，流量580m/h，水泵扬程790，3趟377mm排水管路。另外，在建的应急排水系统为2台排水应急电泵，水泵电机功率1600KW，流量550m/h,1趟426mm排水管路。矿井排水系统的建设根据前期水文地质补勘报告放水试验成果，预测的正常涌水量872m3/h，最大涌水量1046m3/h的预测涌水量建立的排水系统，预测试采面正常涌水量370m3/h，最大592m3/h，加井筒、巷道掘进涌水与生产用水不大于50m3/h，因此试采面生产期间，矿井排水系统根据预测涌水量能满足要求。据矿方数据，目前工作面两侧顺槽各有159mm临时排水管路各一趟，仅能满足目前巷道掘进临时排水需要，在井下工作面配套排水系统形成前，疏放水孔无法施工，因此除矿井主排水系统外，工作面排水系统和排水能力也应该形成，以便顶板水的预疏放与采后涌水的抽排。第四节 主要疏放水工程量1） 测量一级三角（边）3个点，一级导线30Km，三等水准测量30Km。2） 井下探放水孔及观测孔切眼位置1个钻场共5个钻孔。上巷共需要布置13个钻场，其中SJ1、SJ2、SJ3、SJ4、SJ11、SJ12、SJ13七个钻场为3个钻孔，FS5FS10六个钻场为4个钻孔，因此，试采工作面上巷共布置13个钻场45个钻孔。试采面下巷共需要布置13个钻场，其中SH1SH4、SH8SH9、SH12SH13八个钻场为3个钻孔，SH5SH7、SH10SH11五个钻场为4个钻孔，因此，试采工作面下巷共布置13个钻场45个钻孔。观测孔的布置在顶板水预疏放范围内，以切眼附近为观测重点，结合探放水钻孔的布置，在每个钻场布置1个观测孔，原则上选择涌水量小的钻孔作为观测孔，同时观测孔的分布应较为均匀，以能用最少钻孔控制最大范围的水位变化为原则，后期观测孔可根据放水情况，每23个钻窝选择施工一个观测孔。3） 地下水数值模拟（放水工程效果评价及涌水量预测）收集矿区水文地质资料及放水试验数据对整个矿区进行三维建模，模拟整个矿区地下水渗流流畅，模拟面积229 Km2。表1-1 设计实物工作量一览表项目计量单位设计工程量备注测量一级三角（边）点3测量一级导线Km30Km三等水准Km30Km钻探井下预疏放孔钻探m/孔8331m/95地面观测孔钻探m/孔730m/1模拟地下水模拟Km2229第二章 施工要求及技术方法第一节 探放水设计的原则及依据一、原则（1）钻探工程应该与工作面巷道工程围岩环境、构造条件、采掘现状相适应。（2）探放水工程在疏放水试验的指导下进行。尽可能在初次放水时就做到一定的优化，争取利用最少的钻探工程量、最短的放水时间放出尽可能多的水量。（3）放水钻孔以尽可能提高疏放水量、消耗地下水静储量、削减水头高度为目的。根据地区顶板水涌水特点，本次探放水以疏放静储量为主，消减顶板周期性垮落、特别是初始垮落时涌水的峰值涌水量，从而实现工作面采后涌水平稳泄出；（4）进行可控疏放，井下钻场应靠近防护地段，并尽可能从含水层底板低洼区段开始。因此，首先选择切眼外推顶板初始来压位置(预计30m)附近为疏降中心；（5）疏水钻孔裸孔段应尽可能多地穿过疏放目的层，本次疏水段为自试采工作面切眼向外0-2084m段，疏水孔应全面覆盖区段，且孔间干扰尽可能达到最大值；（6）实际施工过程中应根据前期钻孔涌水量与疏水降压效果动态调整钻孔布置方式；（7）钻探工程量在满足上述原则的基础上兼顾经济有效和施工方便的原则。二、依据（1）井下探放水技术规范（MT/T632-1996）（2）矿井井下高压含水层探水钻探技术规范（GB/T 24505-2009）（3）煤矿防治水规定（2009年11月）（4）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，2005年1月1日）第二节 顶板水疏放方法本次探放水工程以钻探为主，包含了探放水钻孔的施工、观测系统的布置、水化学取样与分析，探放水过程中水量与水位的观测和数学建模分析等共五个主要部分。第三节 井下钻探施工技术设计一、钻孔结构根据井下放水试验成果报告，结合具体施工设备与现场情况，钻孔结构分两种类型，两种类型钻孔倾角均为50，孔深80m。1）第一型。需要下入二级套管的钻孔，钻孔结构见图2-3所示。（1）开孔孔径172mm，孔深6m，下入一级孔口管，管径168mm，壁厚6mm，注浆固管，待凝24小时后进行打压试验（加入水玻璃等速凝剂后时间可适当减少，但不得少于8h，下同），对套管的稳定和固结情况进行检测，打压压力5MPa。（2）打压合格后，用146mm钻头钻进至孔深20m，下入二级套管，管径127mm，壁厚6mm，注浆固管，同样进行打压实验，打压压力6.5MPa。（3）打压合格后，用110mm钻头钻进至设计孔深。2）第二型。下一级套管，钻孔结构见图2-4所示。（1）开孔孔径146mm，孔深20m，下入管径127mm孔口管20m，注浆固管，待凝24小时后进行打压试验，对套管的稳定和固结进行检测，打压压力6.5MPa，保证套管的牢固和稳定。（2）打压合格后，用110mm钻头钻进至设计孔深。（3）开孔时，用75mm小钻头至孔口管位置，确保无水，否则应增大开孔孔径并下入二级套管。图2-3 井下疏放水钻孔结构示意图（1）图2-4 井下疏放水钻孔结构示意图（2）二、孔口装置1）孔口管的安装与固定：孔口管除导向作用，还是防止煤岩壁渗水及含水层涌水带压溃破的最后屏障，必须固壁牢靠。选择煤层顶板岩层坚硬完整地段开孔，孔口管孔径127mm，壁厚6mm，缠绕6#铅丝并对局部进行点焊。孔口管长度以隔离煤层直接顶板粉砂岩、泥岩为目标，其长度暂定20m，后期根据砂岩含水层水压大小依据煤矿防治水规定表5-1的要求进行调整。孔口管采用钻机卡盘夹持，顶入的方法下入，孔口管以丝扣连接，外露部分长度不得大于0.5m。钻至预定深度后，将孔内冲洗干净。注浆使孔口管(管周围应焊扶正肋骨片)与孔壁间充满水泥浆。浆液成分：水灰比0.75：1，可掺入5%水玻璃(42Be)，常温条件下，凝固24小时，即可扫孔。待孔口管周围水泥浆凝固后扫孔，扫孔深度应超过孔口管长度0.5m。孔口管结构及固管方法见图25、图26所示。图2-5 孔口管结构示意图图2-6 孔口管固结注浆接头结构示意图2）耐压试验固孔后扫孔钻到岩石段0.5米，对孔口管进行耐压试验。试验压力为6.5MPa并稳定30min后，孔口管周围不漏水时，方可钻进。3）孔口装置探放水或需要收集放水时的水量、水压等资料时，除了要安装质量合格耐压达10Mpa的控水阀门（127mm球阀），还需压力表和流量计等孔口装置（见图2-7、图2-8）。孔口装置要同钻孔套管的法兰盘连接在一起，并且易于拆开，在测量过程中要求密封不漏水。为了不影响钻探施工进度，将孔口阀门安排在钻进至预计深度提前5m时安装。等钻入至含水异常体部位并出水后，进行水量与水压观测。在钻进过程中，一旦发现钻孔中水压、水量突然增大时，应通过阀门加以控制。图2-7 井下放水孔孔口装置示意图（1、压力表 2、球阀 3、蝶阀 4、滤板 5、流量表 6、软管）图2-8 井下观测孔孔口装置示意图（1、压力表 2、球阀 3、软管）三、辅助措施钻场布置：施工单位根据疏放水钻孔施工的编号，必须在孔口悬挂钻孔编号，便于管理，钻场悬挂标识牌板、钻场钻孔设计。水窝：其作用为施工期间钻探用水池。可就钻窝附近就地开挖，深0.5m、1m见方即可；现场不许残留碎块岩石及岩粉，保持现场清洁、整齐。输水：钻探用水，2管即可满足施工。送电：本工程所用设备的钻机、泥浆泵等，须配相应的电流，并送至施工现场，接80或120防爆开关，另须若干防爆开关，以控制施工设备。排水：施工过程中排水向下巷水沟排水，钻孔疏放水应通过管线引至水沟。通风：施工过程中可利用工作面自然风流，不需单独送风。安全：由矿方指派安全检查员专项负责施工过程中的安全问题，施工现场应标明避灾路线。四、技术要求1）钻孔施工技术要求（1）钻孔的方位、倾角、孔深和钻孔数量必须按设计执行，钻孔仰角应严格测量，角度误差控制在5%以内。为了提高钻探效率，钻孔采用无芯钻进，但钻进中应做好岩粉的采取、判层和编录工作；（2）钻进时应准确判别煤、岩层厚度并记录换层深度。一般每钻进10m或更换钻具时，测量一次钻杆并核实孔深。终孔前再复核一次，并进行孔斜测量；（3）钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等现象时，必须立即停钻，记录其孔深并同时将钻杆固定。要立即向矿调度室汇报，及时采取措施，进行处理；（4）钻进中发现有害气体喷出时，应立即停止钻进、切断电源，将人员撤到有新鲜风流的地点。立即报告矿调度室，采取措施；（5）钻孔内水压过大时，应采用反压和防喷装置的方法钻进，应有防止孔口管和煤(岩)壁突然鼓出的措施。（6）施工裸孔段应在孔口闸阀中钻进，水量大于10m3/h应加孔口防喷装置控制。单孔施工完成后关闭孔口阀门后再施工下一钻孔。孔口防喷装置由孔口管、防突封孔器、孔口高压阀和钻杆逆止阀(必要时安装)等组成，见图2-9。图2-9 探水孔孔口防喷装置示意图1钻杆；2防突封孔器；3孔口高压阀；4孔口管；5钻杆逆止阀；6钻头；7地层；8截止阀（排渣、水压测量、注浆用）探放水钻孔钻进施工中，先行在孔口安装大直径孔口高压阀，并将钻杆逆止阀安在钻头后面，以便遇高压水及有害气体时带压卸钻具，钻头入孔后，安装防突封孔器，但不要旋紧，以减小钻具扭矩损耗。打开封孔器旁路截止阀开始钻进。钻进过程中，如遇水、气突出，关闭旁路截止阀，调整防突封孔器松紧以进行可控制逐步卸出钻具。最后卸钻头时要注意先关闭大直径孔口高压阀，后将防突封孔器前法兰放松与钻头一并卸出。期间可在封孔器旁路截止阀处安置三通管路进行钻孔内压力监测。钻孔施工完成后，可在大直径孔口高压阀外安装管线以便进行可控放水或注浆封闭钻孔。（7）简易水文观测施工过程中要严格执行煤田地质勘探钻孔简易水文观测规程，除认真及时作好原始记录外，在钻进过程中，应每小时观测或每10m观测一次钻孔涌水量，不足一小时的回次，每回次观测一次，发现涌水量增大时，每1030分钟观测一次。在钻进过程中，如遇有严重漏水、掉块、塌孔、缩径等异常现象时，要准确记录其发生的层位和深度及涌水量等。（8）须在钻孔施工组织设计经矿方审查后方可施工。（9）原始记录要认真填写，做到内容齐全，字体工整，纸面清洁。（10）钻孔竣工后，按照煤田勘探钻孔工程质量标准的要求，对各项成果进行质量验收。2）放水及观测技术要求（1）在进入含水层时，要带闸阀钻进。钻孔初次出水后，要观测水压、水量、水温并采取水样，必要时进行水质化验。估计静水量或补给量。根据矿井排水能力及水仓容量，控制放水孔的流量或调整排水能力，并清理水仓、水沟等；（2）钻进至含水层时，应停钻观测水压、水量、水温，需要时按设计要求采取水样，以备进行水质化验；（3）钻孔终孔后再次观测水压、水量、水温，并按设计要求，在需要时采取水样进行水质化验。第四节 疏放水辅助措施塔然高勒煤矿试采工作面防治水工作除了重点的顶板水疏放外，还有常规的涌水量观测等防治水工作需要进行。另外，为了提高矿井的整体防治水技术水平，还有一些辅助措施用于提高疏放水效果，经对比分析，建议采取水化学分析、地下水数值模拟等两项辅助措施。一、水化学分析地下水的化学特征是围岩矿物和水流之间内在关系所形成的结果，地下水的化学特征决定于地下水运动时接触的围岩成分，循环的水文地质条件和氧化还原环境等，是其接触的围岩成分、循环的水文地质条件和氧化还原环境的反映。试采工作面水化学的分析可用于判断分析下部含水层内部是否存在分层，在顶板水疏放过程中，通过水化学分析可以辅助判断疏放水源是否发生变化。1）取水样地点和方法的要求取样地点布置在切眼试验段的钻孔内，水化学取样孔布置在各钻场取一个，每周取一个，出现异常情况时，取样情况可根据现场情况再决定。共计至少27个取样点216个水样，每个水样不少于2000ml。水样采集时，应注意：（1）应在现场测量水温，观察和描述水的外观物理性质（色、嗅、味、肉眼可见物质）。（2）取样后应及时将填好的标签贴在水样瓶上，并填好送样单，注明特殊要求。（3）盛水样容器应清洗干净，并用水样水洗3次以上。（4）水样采取后应认真仔细密封。2）测试所有样品均应按要求送专门实验室进行测试，并详细记录取样的时间、地点和编号，汇同样品测试结果一起进行分析。一般水样应做全分析，目的是为了全面地了解地下水的化学成分。通常在简分析的基础上选择有代表性的水样进行全分析。特点：分析项目较多，要求精度高。一般分析的项目有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO32-、CO32-、NH4+、NO3-、NO2-、Fe3+、Fe2+、F-、游离二氧化碳、可溶性二氧化硅、PH等项目。定期监测铀含量的变化。该阶段的水化学分析共计216个水样，若水质差别较大，可以为后期建立水化学库，进行系统的水质分析与判断奠定基础。二、数值模拟 随着矿井探放水工作的开展，可积累大量原始数据，为了更加有效的利用这些数据，通过目前常用的数值法，建立三维地质模型进行水文地质条件分析。同时，通过模型预测未来数据的变化情况，为矿井的安全开采提供依据。数值法能灵活地适应各种非均质地质结构和复杂边界条件下的水量计算，由于采用了与空间状态有关的分布参数数学模型，数值法能较真实地描述地质模型的各种特征，较好地解决实际生产问题中出现的复杂水文地质条件下的地下水定量问题。1、数值模拟的特点（1）通过数学模型模拟的放水时地下水渗流场的变化与实际观测值的相互识别验证，从而更深刻的了解该区水文地质情况。（2）可精确的刻绘出水头和水量的时空变化。（3）预测工作面回采期间的涌水量值，预测不同计算范围、疏放水方式下的模拟区疏降水量特征。为疏放水的优化提供充足依据。（4）矿区水文地质资料不足，不能满足模型设计要求，是应用这种方法面临的最大问题。但随着矿井探放水工程的不断进行，资料将越来越丰富，从而模型将不断完善，以后的预测也将越来越准确。2、模拟步骤1）建立概念模型水文地质概念模型是地下水系统（地质实体）的综合反映，更是建立地下水系统数学模型的基础和依据。水文地质概念模型主要是通过分析区域水文地质条件对地下水流系统进行概化，主要包括模拟区域、含水层结构、边界条件和补排泄项等。 概念模型主要包括以下几方面概化:(1)含水层概化 (2)地下水流系统概化 (3)边界条件概化(4)补排项概化 2）建立数学模型数学模型是水文地质概念模型的逼真数学形式。 3）模型的识别和验证模型的识别与检验过程是整个模拟过程中极为重要的一步工作，可理解为对研究区水文地质条件的一次全面分析判断。模型的识别与检验过程采用的方法称为“试估校正法”，属于反求参数的间接方法之一。根据已掌握的矿井水文地质条件，将模型所需全部数据输入模拟计算程序，运行模拟软件中自带的计算程序，可得到水文地质概念模型在给定水文地质参数和各均衡项条件下的地下水位时空分布。通过不断调整模型参数，修正模型的各部分，完成数值模型对客观水文地质原型较为逼真的拟合。4）结果分析第三章 设备、人员、材料第一节 本工程拟投入的设备为按期完成本工程的施工，施工拟投入ZDY4000S型钻机4台套，ZDY3200S型钻机3台套，以及相应的附属设备、材料等，具体见表3-1所示。ZDY-4000S型钻机为全液压坑道钻机，能够进行90全方位使用，钻深能力达到350米，给进能力102KN，起拔能力70KN。ZDY-3200S型钻机为全液压坑道钻机，能够进行90全方位使用，钻深能力达到350米，给进能力102KN，起拔能力70KN。其他附属设备和主设备配套施工，单位均以配备完毕。其他材料都是近期购置的，设备性能良好，能够保证项目施工连续运转的需要。拟投入井下钻探的主要施工机械设备表 表3-1设备名称设备型号最大扭矩（Nm）功率（KW）数量（台）新旧程度全液压坑道钻机ZDY-4000S4000554100全液压坑道钻机ZDY-3200S3200373100防爆电机YBK2-225S-4374100泥浆泵BW-260227100防爆电机YB180L-4223100孔口防喷装置KZ41H-100C-DN64/63.5 10100工程指挥车尼桑皮卡1100经纬仪2100罗盘480排水泵50m3/h7配套材料若干第二节 本工程拟投入的人力为按期完成本工程的施工，施工拟投入105人，其中项目技术及管理人员11人，7个钻井队钻井队91人，放线3人，具体见表3-2所示。本项目实行项目经理负责制，为保证本项目的工程质量及施工工期，公司生产经理将作为本项目的行政组织负责人。拟投入施工的主要人员一览表 表3-2项 目 部（11人）岗位名称人数服务阶段岗位名称人数服务阶段项目经理1施工全过程项目副经理1施工全过程技术负责1施工全过程地质技术人员2施工全过程钻探技术人员1施工全过程材料员1施工全过程质检员1施工全过程司机1施工全过程安全员1施工全过程厨师1施工全过程7个 钻 井 队（91人）岗位名称人数服务阶段岗位名称人数服务阶段钻井队队长7施工全过程钻井队副队长7施工全过程 班长21施工全过程钻井队记录员7施工全过程钻工42施工全过程炊事员4施工全过程修理工3放线人员3人，负责井下各钻场方位确定。第三节 本工程拟投入的物资材料为按期完成本工程的施工，本工程拟使用的主要物资材料见表3-3所示。 拟投入施工的主要物资材料一览表 表3-3名称规格单位数量名称规格单位数量套管1686mm无缝地质钢管吨套管1276mm无缝地质钢管吨固井水泥PO42.5吨20水玻璃42 Be吨1铸钢闸阀127mm,耐压10MPa个95法兰127mm,耐压10MPa组95流量表180m3/h个95三通127mm,耐压10MPa件95法兰垫片127mm个95第四节 设备、人员动员周期拟投入本工程施工的钻进设备、其附属设备处于待命状态，存放在公司上湾库房，可随时进场施工。施工所需材料，已经落实，可根据施工进度随时进场。第五节 设备、人员、材料运到施工现场的方法（1）拟投入本工程施工的钻进设备及其附属设备，通过公路运输方式到达施工现场。（2）拟投入本工程施工的人员，通过客运或专车到达施工现场。（3）拟投入本工程施工的物资材料，通过公路运输方式到达施工现场，不同的物资材料根据施工进度需要提前5-7天到达施工现场。第四章 施工作业计划第一节 施工顺序总体安排（1）首先分析杭锦能源以往水文地质资料及井下放水试验成果，根据设计方案编制施工组织设计。施工组织设计审批后进行井下探放水钻孔施工。（2）施工过程中应根据前期钻孔涌水量与疏水降压效果动态调整钻孔布置方式。（3）钻孔施工完毕后，室内整理放水资料，建立地下水数值模型对整个矿区渗流场进行模拟分析，编制总体报告。第二节 探水孔的施工程序钻孔均按照“钻前阶段”、“钻进阶段”、“下管、水泥封固、含水层观测”、 “验收阶段” 等程序进行施工。如图4-1所示。钻窝（钻场）、水池开掘设备入井、放线、就位146mm径施工，孔深20m。下入127mm孔口管，管外水泥封固打压试验110mm径施工遇含水层进行水量、水压等观测施工至终孔进行水量、水压等观测验收图4-1 施工程序流程图一、钻前阶段（1）入井前，接受矿方安全教育培训，经考试合格后，方可入井；同时，进行项目、班组安全教育，经考试合格后，方可进行入井作业。（2）矿方负责施工钻窝，尺寸为5m长3.5m宽3m高。井队实施蓄储水池的开掘，尺寸为1m长1m宽1m深。（3）和矿方沟通，将钻机、泥浆泵、钻杆等设备材料入井，运输时，听从矿方安排，严格按照设备转运规定进行运输。（4）利用经纬仪、罗盘进行钻孔放线，确定钻孔实施的方位和角度。二、钻进、下套管阶段（1）采用146mmPDC钻头无心正循环钻进施工，待孔深20m时，下入1276mm无缝管，采用水泥（助剂）双液进行套管封固工作；（2）水泥凝固后，用刮刀钻头和钢刷钻头清扫套管内多余的水泥塞，打压6.5MPa进行水泥封固质量的检查,稳定30min后，套管周围不漏水时，为合格。方可钻进，封固质量不合格时，进行重新封固。（3）继续进行110mmPDC钻头无心正循环钻进施工，钻至孔深80m时终孔。（4）钻进中，对于钻孔初次出水、钻至预计深度和钻孔终孔后，要观测水压、水量、水温，并采集水样进行水质化验。（5）钻进施工中的钻孔涌水，要及时排放。三、验收交接阶段（1）进行钻场清理，检查闸门、压力表、流量表等钻孔孔口装置。在孔口悬挂钻孔编号，钻场悬挂标识牌板、钻场钻孔设计。（2）将探放水孔移交给矿方，并办理交接手续。（3）整理施工的所有资料，编制、