井下探放水技术工艺ppt课件

井下探放水技术工艺 地质测量部 学习要点 掌握矿井水中各类充水水源的探放方法掌握井下探放水设备 仪器与仪表知识 采掘工作面水害的预测预报井下探放水的相关规定井下探放水设计探放老空水探放断层水探放陷落柱水探放含水层水井下探放水设备 仪器与仪表导水钻孔的探查与处理 井下探放水设计 采掘工作面探水前 必须编制探放水设计 确定探水警戒线 并采取防止瓦斯和其他有害气体危害等安全措施 探放水设计由地测部门技术人员提出 煤矿地测副总工程师审定 严格按设计进行探放水 一 探放水设计的内容 分析水文地质情况 确定积水线 探水线和警戒线根据水害性质设计开拓方案及防治水方案设计探水孔的钻探施工方案探放水钻孔孔数的确定 一 分析水文地质情况 确定积水线 探水线和警戒线 探放水采掘工作面和周围的水文地质条件 如 老空积水范围 积水量 水头高度 正常涌水量 老空与上 下采空区 相邻积水区 地表河流 建筑物及断层构造的关系等 以及积水区与其它含水层的水力联系程度 封闭不良钻孔情况含水断层分析煤层底板含水层情况分析 一 分析水文地质情况 确定积水线 探水线和警戒线 矿井要建立水害预测预报制度 要有年报 季报 月报 重点水害要及时发出水害预报通知书 一 每年 季 在安排采掘接替的同时 结合矿井水文地质条件和采掘方式 全面分析水害因素及隐患 提供年 季 水害分析预测预报图表 矿总工程师组织审批 二 要坚持 周分析 月预报 及紧急水情及时通报的工作制度 周分析要有记录 月预报要逐头逐面进行水害分析 提出预报图 表 经矿总工程师审批后 发送有关单位 三 水害预报要做到定时 定性 定量 定位 处理措施符合规定 四 年 季 度水害预测图 在矿井充水性图或采掘工程平面图的基础上编制 月度水害预测图 在采区或工作面图基础上编制 水害预测报表和水害通知单 按 煤矿防治水规定 统一图例绘制 二 根据水害性质设计开拓方案及防治水方案 探水区的开拓方案巷道的开拓方向 施工次序 规格和支护形式排水线路 排水沟设计临时排水设施水闸门及水闸墙设置计算允许放水量人员避灾路线及有害气体预防措施等 三 设计探水钻孔的钻探施工方案 探水钻孔的位置 超前距 允许掘进距离 帮距和密度的确定 探水钻孔的布置方式 钻孔孔数的确定 超前距 探水时从探水线开始向前方打钻孔 在超前探水时一次打透积水的情况少见 常是探水 掘进 再探水 再掘进 循环进行 而探水钻孔终孔位置应始终超前掘进工作面一段距离 该距离称超前距 如上图所示 超前距a可用下式计算a 0 5AL 3p Kp 1 2实际应用中可参考探放水超前据经验数据表 注 煤层的硬度国内多数按普氏硬度算 按煤的抗压强度 10得出的数值 比如抗压强度是45MPa 普氏系数f 4 5允许掘进距离 经探水证实无水害威胁 可以安全掘进的长度称允许掘进距离 探放水超前经验数据表 帮距 帮距是指使巷道两帮与可能存在的老窑积水之间保持一定的安全距离 即呈扇形布置的最外侧探水孔所控制的范围与巷道帮的距离 其值应与超前距相同 超前距一般采用20m 有时帮距可比超前距小1 2m 在薄煤层中可缩短 但不得小于8m 钻孔密度 孔间距 它指允许掘进距离终点横向 纵向剖面上探水钻孔之间的间距 一般要求横向上不得超过3m 纵向不超过1 5m 避免漏掉采空区 老窑和已经报废的井巷 四 单孔出水量及放水量计算 单孔出水量qq c 2gH得 q 钻孔涌水量 m3 s c 流量系数 取0 6 钻孔断面积m2g 重力加速度 9 8m s2 H 钻孔出水口的水头高度 考虑钻孔出水时水头高度不断变小 属非稳定流状态 可取探放水最大水头高度的40 45 计算平均涌水量 四 单孔出水量及放水量计算 最大应放水量QmaxQmax Q静 t Q动Q静 K M L H sin 或Q静 K M S cos Q静 老空积水量m3M 采厚mL 老空积水区走向长度mH 老空积水区宽度或水头高度mS 老空积水区面积m2 煤层倾角K 老空充水系数 一般取0 3 0 5 五 探放水钻孔结构 钻孔结构是指钻孔的技术刻面 表明钻孔的总深度和不同直径的分段深度 钻孔的各分段直径和套管直径 钻孔的加固孔壁方法 钻孔直径 钻孔深度 钻孔方向是组成钻孔的三要素 它是根据钻探的目的 施钻地点的地质 地形等条件而定 正确设计钻孔结构是钻孔顺利施工 满足地质要求的重要环节 它关系着提高钻进效率 确保取芯规格 预防事故发生 达到预计钻进深度和降低钻探成本等一系列经济技术指标的完成 五 探放水钻孔孔径的规定 探放水钻孔终孔孔径规定除兼作疏水或堵水的钻孔外孔径一般不得大于75mm 主要是从探放水现场的围岩稳定性方面考虑的 这样 探放水钻孔的开孔孔径也能得到控制 终孔对围岩的破坏性小 即使遇到不可预测的高压水及其他危险情况 也能够得到有效控制 井下现场空间有限 施工不便 为了提高效率和降低成本 在对井下钻孔设计时要考虑一孔多用 如探查构造 煤层的钻孔或兼作堵水 疏水之用等 探放水钻孔结构示意图 1 高压闸阀2 法兰盘3 橡胶垫4 螺栓5 巷道底板6 水泥7 套管8 孔壁 五 探放水钻孔孔径的规定 井下各类灰岩水文孔结构规定 井下施工的各类灰岩水文孔 钻孔结构视钻孔用途 孔深及水量大小等因素确定 原则上开孔直径不小于 130mm 终孔直径不小于 75mm 煤层中施工的灰岩长观孔 采用三层套管结构 护壁管 146mm 长度不小于2m 孔口管 127mm 长度视灰岩水压大小确定 一般不小于15m 止水套管 108mm 下至第一层灰岩上2m 底板加固钻孔两层套管结构 护壁管 127mm 长度不小于2m 孔口管 108mm 长度不小于8m 六 探放水有关规定 一 探放老空水 陷落柱水和钻孔水时 探水钻孔成组布设 并在巷道前方的水平面和竖直面内呈扇形 钻孔终孔位置以满足平距3m为准 厚煤层内各孔终孔的垂距不得超过1 5m 二 探放断裂构造水和岩溶水时 探水钻孔沿掘进方向的前方及下方布置 底板方向的钻孔不得少于2个 三 煤层内 原则上禁止探放水头压力高于1MPa的充水断层水 含水层水及陷落柱水等 如果确实需要的 可以先建筑防水闸墙 并由闸墙外向内探放水 四 上山探水时 一般进行双巷掘进 其中一条超前探水和汇水 另一条用来安全撤人 双巷间每隔30 50m掘1个联络巷 并设挡水墙 五 井下探放水应当使用专用的探放水钻机 严禁使用煤电钻探放水 探放水必须使用专用钻机的原因 矿井探放水工作存在高承压水突出的危险 必须保证在一定的安全距离才能实施探放 矿井专用探放水钻机具有钻探深度大且可固定具有防喷性能 而煤电钻钻探距离有限 一般只能用于在煤层中探查煤的厚度等 起不到预先探放水的作用 因此 矿井探放水必须用专用探放水钻机 严禁使用煤电钻探放水 在煤层内用煤电钻探放水 可能导致包括探放水作业人员在内的大量人员伤亡 如2008年7月21日广西那读煤矿透水事故即为典型的违规使用煤电钻探放老空水透水事故 案例 2008年7月21日 广西百色市右江矿务局那读煤矿发生老空透水事故 死亡36人 该矿为国有地方煤矿 2007年核定生产能力19万t 矿井周边废弃小煤窑积水情况不清 该矿在4304工作面 靠近废弃小煤矿附近 违规开掘3个切眼 违规用煤电钻探放老空水 前两个切眼均因掘进时有透水征兆而停止施工 随后又在距第一个切眼30m处重开切眼 在发现透水征兆的情况下 仍在相对较低的4301采煤工作面组织生产 事故发生前 在没有认真分析透水量变化的情况下 盲目通知已经撤到安全地点的作业人员 重新返回作业地点恢复生产 导致发生特别重大透水事故 事故直接原因 违反防治水规定用煤电钻代替专用探水钻进行探水 按照该矿探放水设计及安全技术措施的规定 每次探水钻进30m 允许巷道掘进10m 但透水发生地实际探水钻进只有约7m 致使4304工作面第三切眼的掘进头距离老空积水区边界仅为3 9m 诱发了从小股流水冲刷逐渐扩展到大面积煤柱突然垮塌 造成临近小煤矿采空区积水溃入井下 导致了事故的发生 七 探放水安全技术措施 1 探放水钻探现场的规定 探放水现场作业直接关系到探放水人员的安全 关系到探放水周围地区甚至整个矿井的安危 对钻探施工现场的安全环境和安全设施的严格要求非常重要 加强钻场附近的巷道支护 并在工作面打好坚固的立柱和拦板 可以防止冒顶 防高压水冲垮煤壁及支架等事故发生 为满足探放水钻孔出水畅通和施工人员安全撤离 必须清理巷道 挖好排水沟 在适当位置配备与探放水量相适应的完好的排水设备 七 探放水安全技术措施 2 在打钻地点或附近安设专用电话 可以在遇到紧急险情时及时与有关领导和部门取得联系 汇报情况 以便及时采取有效措施 3 为杜绝随意性 保证探放水钻孔准确打到靶位 确保钻孔标定准确 在确定主要探放水钻孔位置 方位 倾角 深度以及钻孔数目时 测量以及负责探放水的技术人员必须亲临现场 根据已批准的设计给予确定 未经批准 不得擅自改变设计 4 在水文地质条件复杂和水头压力 水量大的情况下 按照探放水规定要求 安装孔口止水套管和控制闸阀进行钻进 七 探放水安全技术措施 4 探放水钻孔止水套管的安装和固结 为确保探放水钻孔出水后能有效控制放水量 确保安全 在预计水压大于0 1MPa的地点探放水时 都应预先安装孔口止水套管 为确保止水套管的牢固可靠 开孔位置应选择在岩层比较完整 坚硬的地方 止水套管的长度按防治水规定第九十八条执行 目前一般采用的是双层套管 考虑钻孔出水会影响套管的下放 因此外层套管长度一般较短 尽可能下在无水段 止水套管要用高压注浆泵进行水泥固结 使套管和岩体成为一体 套管下放凝固至规定的时间后 进行扫孔 然后进行压水耐压试验 试验的压力达到设计静水压力的1 5 2倍 稳压时间必须至少保持半小时 孔口周围不漏水 孔口管牢固不活动 即为合格 否则必须重新注浆 这样才能保证孔口管在钻孔出水后不被冲出 孔口管下好后要安装好控制闸阀 这样才能在钻孔一旦出水后能有效地控制水量 防止因排水能力不足且放水孔又不能有效控制而影响矿井安全 孔口止水套管的固结方法 1 下套管技术要求 下套管前须详细检查套管 接头质量和丝扣 不合格者不准使用 事先配好长度并详细记录在班报表内 准备好下套管所用的用具 如麻棉线 丝扣油 套管夹板和卡瓦等 下套管前一定要校正孔深 彻底冲洗干净孔内岩粉 按要求长度把套管下至预定深度 各段套管之间的丝扣必须抹上铅油或缠上棉纱 套管丝扣要拧紧 防止脱扣或漏水 夹板一定要拧紧 防止套管滑脱 掉入孔内 若钻孔偏斜 要在套管外壁四周焊结小段园钢 防止套管紧靠孔壁一侧 造成注浆止水效果不理想 下套管遇阻时 禁止猛礅套管 在套管区段内 提升钻具要稳 减少对套管的撞击 防止提钻时带出套管 为控制钻孔出水 要求放水钻孔 127孔口护壁管和 108套管孔口各焊接法兰盘一个 两法兰盘间加密封垫用螺栓紧密连接在一起 其他钻孔的 108套管孔口焊结法兰盘一个 法兰盘规格统一为外径 250mm 眼中距200mm 螺栓眼 20mm 8 孔口止水套管的固结方法 2 注浆固管要求 注浆前首先彻底清理巷道底板浮矸 露出实底 用425 优质水泥机械注浆固管 浆液浓度不低于0 7 1 返浆后顺时针转动套管 周 使水泥浆液均匀充满套管四周间隙 孔口大量出浆后方可停止注浆 水泥析水沉淀后 上部套管壁与孔壁及管壁与管壁之间均要人工灌注或管壁注浆 确保上部管壁间的环状间隙充满水泥 防止套管松动 注浆后凝固48小时才能扫孔 扫孔至预定深度下1m左右后 做孔口管耐压试验 试验压力大于静水压力的1 5 2倍 稳定时间不少于10分钟 孔口周围无出水冒浆现象 套管不松动方可继续钻进 否则必须重新注浆 七 探放水安全技术措施 5 探放高压水应采取的措施 在高压水的探放过程中 当钻孔揭露含水层后 水头压力和水量会猛增 若不能有效控制 除直接影响钻进效率外 还特别容易出现高压水喷出或钻具被顶出等伤人事故 因此 在钻孔内水压大于1 5MPa的高压水地区施工探放水钻孔时 钻进和回钻应采用反压和有防喷装置的方法进行钻进和控制钻杆 注 反压就是给一个与水头压力反向的作用力 防喷就是防水 防钻杆 防孔内碎岩石块喷出 在高压水地区施工钻孔时 如果不采用反压 防喷装置是非常危险的 如某矿在井下施工探放奥灰高压水钻孔时 由于未采取这些措施 就曾发生突然出水后钻杆无法控制 顷刻之间被高压水顶出并被顶到巷道 近百米钻杆像面条一样被扭曲成麻花状 险些酿成人员伤亡事故 因此 在高压水地区施工钻孔时 防喷问题必须引起高度重视 七 探放水安全技术措施 6 钻孔放水应根据矿井排水系统的能力 控制放水量 防止淹井 钻孔在放水前 应安排专人测定孔内初始水压 在放水过程中 也应安排专人监测放水孔出水情况 观测水量和残存水压 做好记录 及时分析 直至把水放净 如果放水量突然变化 必须及时处理 并立即报告调度室 若水量突然变小 有可能是放水孔被堵塞 为了确保正常放水 可采用钻杆透孔及时处理 但未安装孔口管的不得透孔 八 探放水过程中有透水征兆的处理 人们在与矿井水长期斗争中积累了宝贵的经验 总结出在钻进时接近或揭露强含水体的一般征兆 在钻进时 当煤岩出现松软 来压或钻孔中的水头压力 水量突然增大以及顶钻等异常现象时 说明前方已经接近或揭露了强含水体 当遇到这种异常情况时 如果继续钻进或将钻杆拔出 极有可能造成难以控制的更大出水 以及钻杆在拔出的过程中被高压水顶出伤人事故 后果不堪设想 因此必须及时停止钻进 将钻杆固定 严禁移动和起拔 钻机后面严禁站人 以免钻杆伤人 在钻孔出现涌水异常情况时 应及时将现场情况向矿调度室汇报 调度室接到上报的情况后 应立即派人监测水情 如果发现现场情况危急时 必须立即撤出所有受水害威胁地区的人员 然后采取措施进行处理 二 探放老空水 探放老空水 我国煤矿开采历史悠久 许多矿区浅部都有废弃的采空区及小煤窑 这些废弃的采空区及小煤窑积水后便形成老空水 这些老空水几何形状不规则 积水量大者可达数百万立方米 采掘工作面一旦接近或揭露时 常造成突水淹井和人身伤亡事故 对煤矿安全生产威胁很大 近年来我国煤矿水害事故透水水源主要是老空水 因此防范老空水是当前最重要的防治水任务之一 如 2010年3月28日华晋焦煤公司王家岭老空水透水事故 涉险人数153人 遇难38人 一 探放老空水四个原则 主动探放原则 先隔离后探放原则 先堵后探放原则 先降压后探放原则 二 探放老空水的步骤及方法 1 探水前应注意的事项检查排水系统 包括水沟 水仓 排水管路 排水泵及备用排水设施等 准备堵水材料检查瓦斯检查支护情况检查煤壁检查安全退路 2 探水起点的确定 积水线探水线警戒线 积水线外推探水线 警戒线经验数值表 3 探放水钻孔布设工艺 采用深孔 中深孔和浅孔相结合的方式探水钻孔的布置方式和巷道类型 煤层厚度与产状有关 情况不同时 布置方式也有所不同 总的说来 探水钻孔的布置从平面上看 主要有扇形和半扇形两种 3 探放水钻孔的布置 扇形布置 巷道处于三面受水威胁的地区 进行搜索性探放老空水 其探水钻孔多按扇形布置 3 探放水钻孔的布置 半扇形布置 对于积水肯定在巷道一侧的探水地区 探水钻孔可呈半扇形布置 半扇形的钻孔向巷道一侧撒开 使巷道一侧需要保护范围内的煤层空间有钻孔控制 3 探放水钻孔的布置 孔口安全装置的布设一般的探放水孔都必须安装孔口止水套管 对水压高于1 0MPa且水量较大的积水或强含水层进行探放水时 孔口应安设防喷逆止阀 以避免高压水顶出钻杆 喷出碎石伤人 4 探水与掘进配合 受水威胁或预测有突水危险的地段 必须与掘进施工管理相配合 才能取得良好的放水效果 4 探水与掘进配合 上山探水 双巷掘进交叉探水 积水区在上方 上山巷道三面受水威胁 一般应双巷掘进 其中一条适当超前探水 泄水 另一条随后 用来安全撤人 双巷之间每隔30 50m掘一联络巷 并设挡水墙 以便在其中一条上山出水时 水不会窜到另一条上山中去 4 探水与掘进配合 倾斜煤层平巷探水 双巷掘进单巷超前探水 在倾斜煤层中掘进平巷时 一般是用上方巷道超前探水 探水钻孔布置成扇形 下方巷道为泄水巷 两巷之间每隔30 50m掘一联络巷 4 探水与掘进配合 平巷和开切眼互相配合探水 在煤层内 准备采煤工作面时 平巷 上风道 应先探水 掘进到位置后 再施工开切眼 这样既减少开切眼掘进危险性 又减少开切眼掘进时的探水工作量 4 探水与掘进配合 上山与下山互相配合探放水 下山巷道掘进 除防止工作面和两帮来水外 还应特别注意背后来水 当上山巷道水未消除或正在探水时 下山巷道应停止工作 待水害威胁消除后再掘进 4 探水与掘进配合 隔离式探水 在水量大 水压强 煤层松软和节理发育的情况下 直接探水很不安全 需要采取隔离式探水 如开掘石门时 在石门中预先探放水或在巷道迎头砌隔水墙 在墙外探水 此外 当相邻煤层间距大于20m时 还可采用隔层打孔的方法 探放另一煤层的老空水 三 探放老空水的安全措施 探水巷道掘进的安全措施 探水巷道必须在探水钻孔有效控制范围内掘进 探水孔的超前距 帮距及孔间距必须符合设计要求 每次探水后掘进前 应在起点处设置标志 并建立挂牌制度 探水牌内容包括探水地点 钻孔情况 示意图 允许掘进距离 验收及探水 掘进施工负责人签字等 探水的上 下山及平巷 中间不得有低洼积水段 严格执行 三不放炮 制度 掘进工作面或炮眼有突水征兆时 探水孔超前距不够时 掘进工作面支架不牢固或空顶距超过规定时 三 探放老空水的安全措施 钻探的安全措施注意检查观测周围有无出水征兆 检查安钻场地的巷道支护和通风情况 安全无隐患方可安装钻机 钻机安装必须平稳牢固 严格按设计标定钻孔方位和倾角 钻进中发现有毒气体喷出时 应在加强通风的同时 用黄泥 木塞封堵孔口 若无法处理 应立即停工 切断电源 撤人至新鲜风流巷道内 钻进时要注意判别煤岩层厚度变化并记录换层深度 遇高压水顶钻杆时 用立轴卡瓦和逆止阀交替控制钻杆 使其慢慢顶出孔口 操作时禁止人员直对钻杆站立 钻进中发现孔内显著变软或沿钻杆流水 是钻孔接近或进入积水区的象征 应立即停钻检查 若水压较大应固定钻杆 不得拔出钻杆 并记录深度 三 探放老空水的安全措施 放水及放水后掘进的安全措施探到积水或水压后 应复核原有积水资料 确定放水量及放水孔个数 进一步调整排水能力 使排水能力满足要求 设堰板 指派专人监视放水情况 记录放水量 发现异常及时处理 加强放水地点的通风监测 加设甲烷报警仪 放水结束后 立即核算放水量与预计积水量的误差 查明原因防止有残留积水 恢复掘进前 补孔或扫孔进行放水效果检查 掘透老空时 两侧应有掩护孔 并在有风流进出的钻孔透老空标高点以上掘进 防止积水 假放净 三 探放断层水 据统计 矿井突水点多数出现在断裂带及其附近 采掘工作面接近或揭露含水断裂构造时 必须进行探水 防止突水事故 一 断裂带突水规律 断层带充水特征 含水层和煤层的对接关系 断层切割或沟通其他含水构造或水体采矿与断层导水或突水的关系 探放断层水的原则与探查内容 探放断层水的原则 采掘工作面前方或附近有导水断层存在 但具体位置不清或控制不严时 采掘工作面前方或附近 预测有断层存在 但具体位置和含 导 水性不清 有可能突水时 采掘工作面底板隔水层厚度与承受水压都处于临界状态 采掘工作面影响范围内断层赋存情况不清 一旦遇到就可能突水 巷道揭露或穿越断层无突水征兆 但隔水层厚度及实际水压接近临界状态 工作面回采时可能突水 井巷工程在浅部穿越断层时已证实不含 导 水 但深部有可能突水时 根据井巷工程和断层防水煤柱留设的特殊要求 必须查明断层时 采掘工作面接近推断导水断层100m时 或距已知含 导 水断层60m时 采区内小断层使煤层与强含水层的距离缩短时 或采区内构造不清 含水层水压大于2 3MPa时 探放断层水的原则与探查内容 断层水探查的主要内容 查明断层位置 落差 走向 倾向 倾角 断裂带宽度 充填物和充填程度 断层的导水性与富水性 查明断层两盘断裂带裂隙 岩溶发育情况 两盘对接部位的岩层及其富水性 查明煤层与强含水层的实际部距 即隔水层的实际厚度 查明断层探水孔不同深度处的水压 水量 冲洗液消耗量 确定或判断底板水在隔水层中的导升高度 通过放水试验和连通试验查明断层导水性 富水性以及通过断层的侧向补给水量 为安全采掘和制定矿井防治水措施提供实际资料与理论依据 三 探放断层水的方法 断层探水方法与探老窑水方法相仿 但探水钻孔孔数要比探老窑水少 一般为3个孔 钻孔布置方式按探查目的不同略有差异 探查工作面前方已知或预测含 导 水断层 一般先布置巷道掘进前方1号孔 尽可能一钻打透断层 然后再打2号 3号孔 以确定断层走向 倾向 倾角和断层的落差及两盘的对接关系 四 探放断层水的安全注意事项 水压大于2MPa的断层 一般不宜沿煤层探放断层水 开孔层位必须在坚硬的岩层中 孔口管的长度 超前距离 探断层的起始点符合规定 必须使钻孔在一定的安全深度揭露断层 探水钻进之前 必须先安好孔口管和控制闸阀 进行耐压试验 达到设计承受的水压后 方准继续钻进 钻孔内水压过大时 应采用反压和有防喷装置的方法钻进 并有防止孔口管和煤 岩 壁突然鼓出的措施 揭露断层带或含水层时 孔径应小于60mm 同时采用肋骨钻头 控制孔内涌水量和防止高压水射出钻杆 钻孔终孔后 有水进行放水试验 无水进行压水试验 完成探测任务后 立即全孔注浆封闭 五 断层水的预防与处理 根据断层水文地质性质和通过断层导水水源的不同 断层突水及其造成的危害程度也不一样 相应的防治措施也就不同 类断层带不含 导 水 水源为孔隙 裂隙含水层水时 一般没有突水危险 掘进巷道可以直接通过 回采时可以不留防水煤柱 但需加强支护防止塌落冒顶 若水源是冲积层 薄层岩溶含水层及其他水体时 掘进巷道可通过 必须先打孔疏放其储存量 证实水压 水量不大时 再过断层带 并加强支护 回采时一般可以不留煤柱 五 断层水的预防与处理 类断层带弱含 导 水 有可能突水的断裂带 若水源为孔隙 裂隙含水层时 一般情况下 掘进巷道可以通过 需加强支护 防止冒落 如水压 水量较大时 应先打孔疏水降压 然后再过断层 并加强支护 回采时可以不留防水煤柱 但应留防冒煤柱 若水源是冲积层 薄层岩溶含水层及其他水体时 巷道掘进时要超前探水 把水压降至安全值以下 再接近或穿过断层带 回采时如隔水岩柱不足 应留设防水煤柱 若水源为厚层强岩溶水或大型地表水体时 巷道掘进必须超前探水 无水时要做压水检查 有水时应封孔绕行或预注浆通过 回采时必须留设断层防水煤柱 水压大于安全值时应疏水降压 五 断层水的预防与处理 类富含水或导水性强 突水可能性大的断层 水源为孔隙 裂隙含水层时 巷道掘进必须穿过断层时应超前探水 放水 把水压降至安全值以下 加强巷道支护 保护围岩的稳定性 回采前疏水降压至安全值以下 并留设防塌煤柱 以防止沿断层产生冒顶 若水源是冲积层 薄层岩溶含水层时 巷道掘进时要超前探水 钻孔无水时 用手镐掘进或放小炮通过 但需进行特殊支护 防止滞后突水 水压 水量较大时 应预注浆通过断层或留防水煤柱 回采时应按规定留设防水煤柱 若水源为厚层强含水层或大型地表水体时 巷道掘进应超前探水 并留设断层防水煤柱 不得接近或通过 若必须通过时 应打探查构造和含水层勘探孔 待查明条件后绕行或预注浆过断层带 回采时探明断层位置 留足防水煤柱 必要时暂缓开采 四 探放陷落柱水 煤层底板为厚层石灰岩的华北型煤田 由于导水陷落柱的存在 使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系基底强含水层的中 小型断层或一些张裂隙 成为水源充沛 强富水的突水薄弱带 一旦被揭穿 将引起突水 若导水陷落柱直接突水 其后果就更严重 例如1984年开滦范各庄矿2171工作面陷落柱突水的最大涌水量达2053m3 min 使该大型矿井在21h内被全部淹没 成为世界采煤史上最大的一次突水 2010年3月1日骆驼山煤矿陷落柱突水 7 2万m3 h 仅次于开滦范各庄的突水量 有的陷落柱不导水 有的导水 一 陷落柱水的探放 陷落柱水探放钻孔布置及施工中 要注意如下问题 水压大于2 3MPa的陷落柱原则上不沿煤层布孔 应布置在底板岩层中 孔口安全装置和安全注意事项与探高压断层水要求一致 监测记录孔内水压 水量和水质变化 发现异常加密或加深钻孔 争取直接探到陷落柱 钻孔施工结束后必须注浆封闭 并记录封孔情况 注浆结束压力大于区域静水压力的1 5倍 陷落柱经探查无水或水量很小 要以略大于区域静水压力进行压水试验 检验其导水性 并向深部布孔 检查陷落柱导升情况 提高岩芯采取率 及时进行岩芯鉴定 判定是断层破碎带 还是陷落柱 二 陷落柱水的防治 陷落柱导水性好 涌水量大的 留设防水煤柱 并对陷落柱注浆充填 切断强含水层的水源通道 区域地下水位以上的陷落柱 充填较致密 与地表无水力联系的 可少留或不留煤柱 陷落柱含导水性弱 利用探查孔注浆加固后 可不采取特殊防范措施 回采时留设防水煤柱 掘进时在安全边界外围绕行 岩巷须穿过陷落柱时 应预先全断面注浆 五 探放含水层水 由于基岩裂隙水的埋藏 分布和水动力条件等都具有明显的不均匀性 煤层顶 底板砂岩水 岩溶水等在某些地段对采掘工作面没有任何影响 而在另一些地段却带来不同程度的危害 为确保矿井安全生产 必须探清含水层的水量 水压和水源等 才能予以治理 防治煤层顶 底板含水层的水害 既要从整体上查明水文地质条件 采取疏干降压或截源堵水等防治措施 又要重视井下探查 井下探查往往是疏干降压或截源 堵水等措施的先行步骤和重要依据 如无水或补给量很小 通过探查孔放水即能达到降压或疏干的目的 若补给水源丰富 水量大 需要通过井下 大流量 深降深 的放水试验和物 化探方法的配合 查明条件后才能采取相应的防治方法 探放含水层水是矿井防治水的基本工作内容之一 一 疏干开采 疏干开采是指对煤层顶板或煤层含水层的疏干 而疏水降压是指对煤层底板含水层而言 其目的是使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压 该部分将在下节论述 矿井疏干的目的是预防地下水突然涌入矿井 避免灾害事故 改善劳动条件 提高劳动生产率 消除地下水静水压力造成的破坏作用等 是煤矿防治水的一种主要措施 对于大水矿区 为了减少矿井涌水量 应采取截流 浅排和排 供 生态环保三位一体结合等辅助措施 与疏干工作统筹考虑 进行综合防治 一 疏干开采 疏干程序矿井疏干过程可分为疏干勘探 试验疏干和经常疏干三个逐渐过渡程序 应与矿井的开发工作密切配合 1 疏干勘探疏干勘探是以疏干为目的的补充水文地质勘探 其目的是进一步查明矿区疏干所需要的水文地质资料 确定疏干的可能性 提出疏干方案 2 试验性疏干试验性疏干方案的正确制定表现在矿井开采初期能降低水位 并能经过6 12个月 尤其是雨季的考验 要尽可能利用疏干勘探工程 并补充疏干给水装置 通过试验 视干扰效果及残余水头的状况 进行工程调整 3 经常性疏干经常性疏干是生产矿井日常性的疏干工作 随着开采范围的扩大和水平延伸 疏干工作要不断地进行调整 补充 甚至重新制定疏干方案 以满足矿井生产的要求 二 带压开采 为在复杂水文地质条件下进行带 水 压开采 并获得效益 以下技术问题应予以重视并付诸实施 1 查清带压开采的矿井或采区的地质 水文地质条件 除应对区域水文地质条件有所认识外 对井田或采区的水文地质条件更应了解清楚 对充水含水层的补 径 排条件和不同充水含水层间的水力联系状况以及保护层的隔水性能均应予以研究 以便选择具体防治水方法和制定带 水 压开采的措施 2 编制突水系数图突水系数的应用是通过突水系数图来体现的 有两种突水系数图 一种是矿区或井田的突水系数图 比例尺常为1 5000 1 10000 第二种是采区的突水系数图 比例尺一般是1 1000 1 2000 甚至更大些 突水系数指煤层底板单位隔水层厚度所承受的水压力 是带压开采条件下衡量煤层底板突水危险程度的定量指标 突水系数越大 煤层底板突水的危险性越大 突水系数计算公式T P M式中 突水系数 MPa m p 底板隔水层承受的水压 MPa M 底板隔水层厚度 m 该公式适用于回采工作面 就全国实际资料看 底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0 06MPa m 正常块段不大于0 1MPa m 淮北矿业集团公司规定矿区内底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0 05MPa m 正常块段不大于0 07MPa m 二 带压开采 突水系数的计算 区 区 区 区 M 二 带压开采 3 编制带压开采地质 水文地质说明书开采受水害威胁地区的煤层 在编制开拓 掘进与回采设计之前 必须编制该范围的地质 水文地质说明书 以作为设计的依据 4 建立强有力的排水设施排水设施主要包括水泵 排水管路 适当容量的水仓和保险电源 位于奥灰含水层富水带且又临近排泄带的矿井 其排水基地的建立更为重要 三 顶板含水层的探放 石门揭露含水层之前按前表要求预留超前距 布置扇形孔进行超前探水 井巷开拓之前 回采导水裂缝带可能破坏顶板含水层时 可进行物探或结合附近巷道实揭资料 找出富水异常区或裂隙发育区 布置探查孔 进行放水试验 了解水压和水的补给量 储存量 疏水后进行回采 经探查证实本含水层与强含水层无水力联系 采区排水能力满足要求时 可以在采区最低部位首先回采 也可直接在含水层内掘巷放水 四 底板含水层的探放 矿井采掘活动一般不揭露底板含水层 但随着采深的加大 承压水头愈来愈高 当其与强含水层沟通时 经常发生底板突水淹面 采区甚至是淹井事故 因此底板含水层的防治是矿井防治水工作的重要内容之一 1 底板含水层探查方法 地面和井下 钻探和物探相结合 与探断层水相结合 开展底板含水层水文地质及工程地质条件探查 地面钻探地面物探井下物探井下钻探 2底板含水层探查资料的整理分析 含水层顶面等高线图有效隔水层厚度等值线图含水层富水性分布情况及等水压线断层分布状况探查孔水文地质图表纵横水文地质剖面图 反映断层两盘岩层对接情况 计算工作面掘进 回采时隔水层安全水头和突水系数 判定不同地段突水危险程度 突水系数指煤层底板单位隔水层厚度所承受的水压力 是带压开采条件下衡量煤层底板突水危险程度的定量指标 突水系数越大 煤层底板突水的危险性越大 突水系数计算公式T P M式中 突水系数 MPa m p 底板隔水层承受的水压 MPa M 底板隔水层厚度 m 该公式适用于回采工作面 就全国实际资料看 底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0 06MPa m 正常块段不大于0 1MPa m 淮北矿业集团公司规定矿区内底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0 05MPa m 正常块段不大于0 07MPa m 3煤层底板突水预防 区 区 区 区 M 在上图中 区 奥灰承压水面以上的地区 区 奥灰承压水面以下 但突水系数Ts 0 06MPa m 区 突水系数Ts介于0 06 0 1MPa m的地区 区 突水系数Ts 0 1MPa m的地区 六 导水钻孔的探查与处理 煤矿在勘探阶段施工的各类钻孔 往往会贯穿若干含水层 有的还可能穿透多层老空积水区甚至含水断层 若封孔或止水效果不好 将会人为地沟通本来没有水力联系的含水层或水体 使煤矿开采的充水条件更趋复杂化 因此 必须采取有效的措施防止产生导水钻孔 封闭确已存在或有怀疑的导水钻孔 六 导水钻孔的探查与处理 防止出现导水钻孔的基本措施导水钻孔的调查与分析步骤导水钻孔的探查与处理 七 井下探放水设备 仪器与仪表 钻探设备 杭钻 西安钻机 泥浆泵井下物探设备 矿井地 质探测仪 坑道透视仪 槽波探测仪井下注浆封孔 堵水常用的仪器设备 注浆泵 搅拌机 制浆机 一 井下钻探设备 煤矿探放水钻机按给进 回转驱动方式不不同 主要分为两种类型 一是矿用机械探水钻机 一般采用机械式回转驱动 液压给进 该类钻机具有集成性好 安装使用方便等优点 但扭矩较小 不具反压功能 一般在水压不大 钻深较小的地点使用 二是矿用全液压钻孔 分主机 泵站 操作台三大部分 回转 给进均为液压驱动 其主要优点是 解体性好 搬运方便 布置灵活 回转器与夹持器联动具有反压功能 人机分离 安全性好 适用于水压高 水量大 钻深大的地点钻探施工 但垂面角度调整范围较小 移动对孔较困难 淮北矿区井下常用的探放水钻机有西安煤科院生产的ZDY系列全液压钻机 杭州钻探机械厂生产的SGZ系列立轴式钻机等 一 井下钻探设备 钻探工具包括孔内钻具 打捞工具 附属工具 孔内钻具 包括钻杆 钻头 钻铤 岩芯管 套管等 打捞工具 包括尖丝锥 公锥 和碗丝锥 母锥 等 其他有简易切管器 引导钩 水压扩孔器 抓筒 螺旋式钢丝绳捞矛 冲击锤及冲击栓等 附属工具 包括水接头 套管夹持器 拧管器 垫叉 提引器 管钳 链钳 自由钳 钉锤及手钳等 金刚石复合片取芯钻头 金刚石复合片无芯钻头 金刚石复合片刮刀钻头 金刚石复合片扩孔器 钻杆 接箍 尖丝锥 水接头 提引器 垫叉等 钻头分为 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头等 钻头是钻井时直接破碎岩石的工具 它的结构特点 制造工艺及选用是否得当对提高钻井速度 降低钻井成本很重要 近十多年来 随着钻井技术的提高 冶金和机械制造工艺的改进 钻头的设计 制造和使用都有了极大改善 使各类钻头的技术经济指标有了很大提高 常用钻头性能表 地质钻杆规格 钻铤 钻铤接在钻头上面 主要是给钻头施加钻压和防止井斜 因此它壁厚而粗大 单位长度重量大 壁厚一般是38 53毫米 相当于同尺寸钻杆的4 6倍 它的直径一般与钻杆接头直径相等 这样可以增强刚度 受压时不易弯曲 因而有利于钻直井眼 岩芯管 套管规格 套管 岩芯管与钻头的合理配合 三 常用井下钻探设备 西安煤科院ZDY1900ST MK 5S 适用范围 适用于回转和冲击 回转钻进 主要用于地质勘探孔 瓦斯抽放孔 探放水孔 非开挖过街孔 锚固支护等施工作业 结构特点 1 采用全液压动力头结构 分主机 泵站 操纵台三大部分 解体性好 搬迁方便 摆布灵活 2 回转器为通孔结构 钻杆长度不受钻机结构尺寸的限制 3 机械拧卸钻具 卡盘 夹持器与油缸之间 回转器与夹持器之间可联动操作 自动化程度高 工作效率高 操作简便 工人劳动强度小 4 采用双泵系统 回转参数与给进参数独立调整 提高了钻机对各种不同钻进工艺的适应能力 5 用支撑油缸调整机身倾角方便省力 6 操纵台集中操作 人员可远离孔口 有利于人身安全 7 液压系统保护装置完备 性能可靠 液压元件 通用性强 便于维修 技术参数 钻孔深度350m终孔直径94mm钻杆直径63 5mm钻孔倾角0 90 回转速度85 300r min最大转矩1900N m给进能力46KN起拔能力46KN功率37Kw 西安煤科院ZDY型钻机图片 三 井下钻探设备 石家庄ZLJ 500煤矿用坑道钻机 见下图 适用范围 用于煤矿井下钻进瓦斯抽排放孔 注浆灭火孔 煤层注水孔 探放水孔 地质勘探孔 也可用于地面地质勘探孔及其相应的各类孔 巷道断面要求 井下使用时要求巷道或钻场断面大于4m2 宽度大于2 3m 高度大于1 8m 主要技术参数 最大钻进深度150m开孔直径115 87mm终孔直径65mm钻杆直径42 65mm钻孔倾角 90 90 回转器额定输出转速110 180 320r min额定输出转矩500 300 150N m推进力16 17kN起拔力23 65kN推进速度0 2m min推进行程400mm额定工作压力9MPa绞车绞车提升速度0 22 0 37 0 67m s绞车提升最大负荷9 8 6 5 3 5kN适应煤岩坚固性系数f 8噪声 87煤矿井下用隔爆型三相异步电动机 YBK2 132M 4 额定功率kW7 5额定电压V380 660额定电流A15 4 8 9主机外形尺寸1450 900 1500mm整机重量 不含钻杆 约600kg 石家庄ZLJ 500煤矿用坑道钻机 重庆山兰ZDY 2300煤矿用液压坑道钻机 1 用途及使用范围ZDY 2300型煤矿用液压坑道钻机主要用于煤矿井下钻进瓦斯抽 排 放孔 注浆灭火孔 煤层注水孔 防突卸压孔 地质勘探孔及其它工程孔 适用于岩石坚固性系数f 10的各种煤层 岩层 要求巷道或钻场断面大于6 5m2 高度大于2 3m 宽度大于2 8m2 结构和工作原理2 1钻机结构钻机整体结构 见下图 主要由泵站 操纵台 动力头 座架 夹持器 立柱和钻具等7大部分组成 钻机液压系统 2 2泵站泵站 主要由电动机 双联齿轮泵 油箱 溢流阀 精粗滤油器 冷却器 空气过滤器及底座等部件组成 泵站是通过电动机驱动油泵转动 将电能转换成液压能 压力油 电动机通过弹性柱销联轴器带动油泵工作 油泵从油箱吸油并输出压力油 油箱内装46 抗磨压力油至油位计上标位 为避免在井下加油时脏物进入油箱 须通过空气滤清器加油 重庆山兰ZDY 2300煤矿用液压坑道钻机 重庆山兰ZDY 2300煤矿用液压坑道钻机 2 3操作台操作台是将泵站提供的压力油通过多路换向阀组分配到各液压执行元件 实现钻机的各种功能 多路换向阀组由五片阀组成 分别控制动力头的正 反转 进给油缸的正常进退和快速进退 液压卡盘和夹持器的夹紧或松开 将正常进退阀片上的一组油管接到升降油缸上 即可调定钻机倾角等动作 钻机工作时 可通过调节节流阀 微调 的手柄 改变进给油缸的流量 从而改变钻机给进速度 2 4动力头动力头主要由液压马达 减速箱 卡盘 水辫等组成 主要是将液压能转化为机械能的机构 压力油驱动液压马达 经减速箱后带动中空主轴 液压卡盘 水辫和钻具旋转 输出转速和转矩 减速箱为两级齿轮传动机构 采用牙嵌离合器变速 减速箱前端设有调速手轮 旋转调速手轮可实现高速 空位 低速三个档位变换 卡盘采用碟簧夹紧钻杆 油缸完成松开钻杆动作 该卡盘可直接夹紧钻杆或前置水辫 2 5底架底架用来支承动力头和实现动力头的前进与后退 主要由机架 推进油缸 底座 升降油缸 拖板 支撑柱 拉杆等组成 动力头用螺栓固定在拖板上 推进油缸带动拖板及动力头在机架上做往返运动 升降油缸可调整机架的倾角 使钻机的开孔高度和开孔倾角符合要求 支撑杆和拉杆将机架和底座连接为一个整体 底座前后有四个脚窝 用于立柱锚固钻机 重庆山兰ZDY 2300煤矿用液压坑道钻机 2 6夹持器夹持器用于钻杆导向和上下钻杆时夹持钻杆 安装在机架前端 夹持器由活塞 壳体 卡瓦等组成 2 7立柱立柱由液压支柱 内外导管 柱帽等组成 立柱锚固在巷道或钻场顶底板之用 用于锚固钻机座架 由于采用了内注式单体液压支柱 提高了立柱的整体锚固力 增加了钻机的稳定性 2 8钻具钻具包括钻杆 钻头 前置水辫或后置水辫 ZDY 1250型钻机钻头直径为 65 75mm中心钻头 ZDY 2300型钻机钻头直径为 94mm中心钻头 根据用户需要配置复合片 金钢石或牙轮钻头 满足硬岩钻孔需要 钻杆直径ZDY 1250型钻机为 50mm ZDY 2300型钻机为 63mm 长度为800mm 采用梯形锥螺纹连接 具有强度高 拆装容易 对中性好等优点 前置水辫或后置水辫是向钻杆传递动力和通水 或压风 以便排渣和冷却 润滑钻头 可根据需要选用 杭钻SGZid型钻机 四 井下注浆封孔 堵水常用的仪器设备 注浆泵 搅拌机 制浆机 八矿井水害事故的典型案例分析 1河北开滦范各庄矿2171工作面陷落柱奥灰突水事故一 水害概况与发生经过1984年6月2日10时20分 范各庄矿2171综采工作面发生了世界采矿史上罕见的透水灾害 奥陶系岩溶强含水层的高压承压水经导水陷落柱溃入矿井 根据淹没体积测算 高峰期11个小时平均涌水量为123180m3 h 2053m3 min 历时20小时55分钟 便淹没了一个年产310万t 开采近20年的大型机械化矿井 9名工人未及撤出遇难 6月6日15时30分 当范各庄矿井淹没水位上升到 156 17m时 突然下降了14 80m 涌水又突破范 吕两矿边界煤柱而溃入相邻的吕家坨矿 最大过水量达233281m3 h 388 8m3 min 致使吕矿也遭淹没停产 1河北开滦范各庄矿2171工作面陷落柱奥灰突水事故 6月25日 当吕家坨矿井淹没水位上升到 207 47m时 与其相邻的林西矿井下八水平以下发现边界煤柱地带渗水 最大渗水量为1059 6m3 h 随着吕矿淹没水位上升 渗水量的增加 林西矿受到了严重威胁而被迫停产 与其相邻的唐家庄矿 赵各庄矿 由于矿井之间没有完整的隔离煤住 同样处于水害威胁之中而被迫处于半停产的警戒状态 二 事故损失情况事故牺牲职工11名 致使范各庄矿煤炭减产641 7万t 1984年166 7万t 1985年320万t 1986年155万t 范各庄矿损失资产27782万元 固定24657 7万元 流动3124 3万元 截止到1