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        頂板探放水在工作面生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)踐

        2021-08-31 12:30:16張國(guó)斌
        煤炭與化工 2021年7期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)水孔口富水

        張國(guó)斌

        (中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 物測(cè)隊(duì),河北 邢臺(tái) 054000)

        1 概 況

        雅店礦1417 工作面頂板直羅組和延安組砂巖裂隙水為工作面直接充水含水層,部分地段洛河組砂巖裂隙水通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶增加采后涌水,開(kāi)采煤層后導(dǎo)致煤層頂板穩(wěn)定性破壞冒落,從而生成的導(dǎo)水裂隙為工作面的主要充水通道。因此,為防止水害發(fā)生保證工作面安全生產(chǎn),依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中第六十二條規(guī)定,當(dāng)煤層(組) 頂板導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)的含水層或者其他水體影響采掘安全時(shí),應(yīng)當(dāng)采用超前疏放、注漿改造含水層、帷幕注漿、充填開(kāi)采或者限制采高等方法,消除威脅后,方可進(jìn)行采掘活動(dòng)[1]。要求該礦區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件,必須對(duì)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通范圍內(nèi)的頂板水進(jìn)行探放。

        2 水文地質(zhì)條件

        2.1 含(隔)水層

        (1) 第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水層(Q4),為第四系松散地層含水巖系中富水性強(qiáng)含水巖組。

        (2) 第四系黃土孔隙潛水含水層(Q1+2+3),為第四系松散地層含水巖系中富水性弱的含水巖組。

        (3) 新近系上新統(tǒng)小章溝組粘土弱含水層(N2x),富水性變化較大。

        (4) 白堊系下統(tǒng)華池組弱含水層(K1h),系區(qū)域弱含水層(個(gè)別地段中、下部偶含中、粗砂巖而含水,富水性中等)。

        (5) 白堊系下統(tǒng)洛河組含水巖組(K1l),該層富水性中等。根據(jù)1101 工作面疏放孔,鉆孔涌水量20~50 m3/h,1417 工作面回采過(guò)程中,該層含水為采空區(qū)涌水主要來(lái)源。

        (6) 白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層(K1y),屬富水性極弱—弱的含水層。由于致密堅(jiān)硬,透水性極差,亦可作為穩(wěn)定的相對(duì)隔水層組。

        (7) 侏羅系中統(tǒng)安定組相對(duì)隔水層(J2a),富水性弱,視為相對(duì)隔水層。

        (8) 直羅組含水巖組(J2z),富水性弱。

        (9) 侏羅系中統(tǒng)延安組含水層(J2y),富水性微弱。

        (10) 侏羅系下統(tǒng)富縣組相對(duì)隔水層(J1f),為較好的相對(duì)隔水巖層,局部地區(qū)(如東部無(wú)煤區(qū)附近) 砂巖富集,可能出現(xiàn)含水巖層。

        (11) 三疊系上統(tǒng)胡家村組、銅川組相對(duì)隔水巖組(T3h、T3t),該層埋藏較深,裂隙不發(fā)育,一般無(wú)水。

        2.2 礦井充水因素分析

        (1) 充水水源。

        依據(jù)礦水文地質(zhì)報(bào)告,影響該區(qū)域主要含水層自下而上依次為侏羅系中統(tǒng)延安組含水層,直羅組含水巖組,白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖含水層,白堊系下統(tǒng)洛河組含水層以及第四系全統(tǒng)空隙潛水含水層。根據(jù)礦內(nèi)抽水試驗(yàn)表明,上述含水層為礦井主要充水水源。區(qū)內(nèi)第四系潛水由于未被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通,故其為礦井充水的間接水源。洛河組地下水由于富水性中等,水頭壓力較高且大部分被導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通而成為未來(lái)礦井的主要和間接的充水水源,對(duì)煤層開(kāi)采會(huì)造成直接的威脅。煤層頂板的延安組和直羅組均為承壓水,雖具有較高的水頭壓力,但其富水性極弱,易于疏干,故成為未來(lái)礦井的次要和直接的充水水源。

        (2) 充水通道。

        工作面充水通道主要是煤層開(kāi)采形成的冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶。煤層開(kāi)采后,冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶波及上部主要含水層,從而引起含水層水沿導(dǎo)水裂隙涌入井下。本次采用經(jīng)驗(yàn)公式與周邊礦井實(shí)測(cè)“裂采比”兩種方法共同確定導(dǎo)水裂縫帶高度,從而為探放水鉆孔垂高確定提供依據(jù)。

        依據(jù)《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》 (MT/T1091-2008) 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最大高度計(jì)算H 裂=28×ΣM+10,經(jīng)計(jì)算,工作面內(nèi)4 號(hào)煤層平均高度為113.27 m。

        礦區(qū)直羅組和延安組砂巖裂隙水成為4 號(hào)煤層直接充水含水層,部分地段洛河組砂巖裂隙水(富水性中等) 通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶也可直接進(jìn)入礦井。因此,為保證工作面安全,必須對(duì)導(dǎo)水裂隙帶導(dǎo)通范圍內(nèi)的頂板水進(jìn)行探放。

        (3) 充水強(qiáng)度分析。

        根據(jù)充水水源和通道分析,白堊系洛河組含水層已參與礦井涌水。白堊系各含水層,其分布范圍廣,厚度較大,富水性較強(qiáng)。預(yù)計(jì)礦井涌水量較大,因此,礦井充水強(qiáng)度較大,若不進(jìn)行提前疏放,頂板跨落后生成導(dǎo)水通道含水層水通過(guò)通道直接涌入井下,給礦井帶來(lái)一定的水害威脅。

        3 探放水工程設(shè)計(jì)

        3.1 鉆孔最大間距

        此次探放水工程目標(biāo)層位自下而上分別侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組含水層、白堊系洛河組含水層。探放目的層為洛河組含水層,因此鉆孔間距以該含水層影響半徑為依據(jù)。

        探放洛河組含水層單孔探放水影響半徑計(jì)算公式如下:

        式中:S為含水層降深,m;K為含水層滲透系數(shù),m/d。

        3.2 探放水鉆孔角度

        根據(jù)施工鉆機(jī)性能及巷道寬度,確定鉆孔最佳施工仰角為40°左右。

        3.3 探放水垂直高度

        根據(jù)礦井充水通道分析計(jì)算結(jié)果,該設(shè)計(jì)采用28 倍采高作為導(dǎo)水裂隙帶的高度,以此作為探放水設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),即4 號(hào)煤層開(kāi)采后導(dǎo)水裂隙帶最大高度為113.27 m。因此,確定本次頂板探放水的垂直高度不小于導(dǎo)水裂隙帶高度加維護(hù)帶厚度(20 m),即垂直高度不小于133.27 m。

        3.4 止水套管確定

        根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求,沿巖層探放含水層、斷層和陷落柱等含水體時(shí),按表1 確定探放水鉆孔超前距和止水套管長(zhǎng)度。

        表1 巖層中探放水鉆孔超前距和止水套管長(zhǎng)度Table.1 Exploration and drainage borehole advanced distance and length of water stop casing in stratum

        根據(jù)已施工鉆孔探放水實(shí)測(cè)資料,洛河組含水層初始水壓1.7~2.7 MPa,結(jié)合鉆孔柱狀圖,考慮到地層局部破碎情況及不同區(qū)域水壓變化,故本次設(shè)計(jì)確定套管長(zhǎng)度暫定為30 m,根據(jù)施工情況現(xiàn)場(chǎng)再做調(diào)整。

        3.5 止水套管固定

        止水套管采用無(wú)縫鋼管固結(jié),使套管和煤巖體成為一體。導(dǎo)管自套管與孔壁間隙處注入水泥漿液,直至水泥漿液從套管內(nèi)壁流出為止。常溫條件下,凝固24 h,即可掃孔。固管水泥漿液采用水灰比1∶1 水泥漿,固管示意如圖1 所示。

        圖1 孔口管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of orifice pipe

        3.6 耐壓試驗(yàn)

        掃孔后對(duì)孔口管必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。根據(jù)《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術(shù)規(guī)范》(GB/T 24505-2009),試驗(yàn)壓力不小于預(yù)揭露含水層水壓的1.5 倍,即6.5 MPa,持續(xù)穩(wěn)壓時(shí)間不小于30 min,確??卓谔坠懿凰蓜?dòng)、孔口周?chē)宦┧蠓娇衫^續(xù)鉆進(jìn)[2]。

        3.7 孔口裝置

        探放水時(shí)需要記錄放水時(shí)的水量、水壓等資料,要安裝質(zhì)量合格控水閥門(mén)(4 寸球閥) (圖2~圖3)??卓谘b置要同鉆孔套管的法蘭盤(pán)連接在一起,并且易于拆開(kāi),在測(cè)量過(guò)程中要求密封不漏水。為了不影響鉆探施工進(jìn)度,將孔口高壓閥門(mén)安排在鉆進(jìn)至揭露含水層提前5 m 時(shí)安裝。等鉆入至含水異常體部位并涌水后,進(jìn)行水量與水壓觀測(cè)。在鉆進(jìn)過(guò)程中,一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大時(shí),通過(guò)閥門(mén)控制,根據(jù)《礦井井下高壓含水層探水鉆探技術(shù)規(guī)范》 (GB/T 24505—2009),“下部高壓閥門(mén)和套管法蘭的連接口應(yīng)經(jīng)耐壓試驗(yàn),不應(yīng)滲漏”。

        圖2 井下放水孔孔口裝置示意Fig.2 Hole device of downhole drainage hole

        圖3 井下壓力觀測(cè)孔孔口裝置示意Fig.3 Downhole pressure observation hole orifice device

        孔口安裝防突水裝置如圖4 所示。

        圖4 孔口安全裝置示意Fig.4 Orifice safety device

        孔口管下鉆時(shí),先將巖芯管下入鉆眼內(nèi),再將盤(pán)根密封防噴器套在鉆桿上,當(dāng)鉆桿下到鉆眼底時(shí),擰緊防噴器螺絲,迫使盤(pán)根擴(kuò)張。循環(huán)水返回時(shí)由于盤(pán)根封閉而由三通下口流出,不射向鉆機(jī)。起鉆時(shí),巖芯管拔到防噴器后關(guān)閉閥門(mén)松開(kāi)防噴器螺絲,卸開(kāi)法蘭盤(pán)將防噴器及鉆頭取下。

        3.8 鉆孔結(jié)構(gòu)

        鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一次變徑,便于下入孔口管護(hù)孔,下入層位為開(kāi)孔30 m 深度(或開(kāi)孔穿過(guò)破碎泥巖段)。

        一開(kāi):采用φ133 mm 無(wú)芯鉆頭鉆進(jìn)至孔深31 m(或穿過(guò)破碎地層或泥巖段),下入φ108 mm 套管,用攪拌好的水泥漿采用泵入法封固套管進(jìn)行固井。

        二開(kāi):采用φ75 mm 無(wú)芯鉆頭鉆進(jìn)至富水區(qū),確認(rèn)進(jìn)入富水區(qū)后終孔。

        鉆孔結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

        4 頂板探放水工程完成情況

        此次探放水工程在1417 綜放工作面施工了5個(gè)鉆場(chǎng),完成了16 個(gè)鉆孔,分別為1 號(hào)鉆場(chǎng)(回風(fēng)順槽340 m) 施工3 個(gè)鉆孔,進(jìn)尺605 m,放水量17 599 m3;2 號(hào)鉆場(chǎng)(回風(fēng)順槽400 m) 施工2個(gè)鉆孔,進(jìn)尺473 m,放水量12 331 m3;3 號(hào)鉆場(chǎng)(回風(fēng)順槽490 m) 施工5 個(gè)鉆孔,進(jìn)尺1 096 m,放水量35 010 m3;4 號(hào)鉆場(chǎng)(回風(fēng)順槽580 m) 施工3 個(gè)鉆孔,進(jìn)尺679 m,放水量10 942 m3;5 號(hào)鉆場(chǎng)(回風(fēng)順槽680 m) 施工3 個(gè)鉆孔,進(jìn)尺663 m,放水量12 604.8 m3。其中最大涌水量為2-2 號(hào)鉆孔46 m3/h,最小涌水量為3-1 鉆孔4 m3/h,其余鉆孔涌水量在10~ 30 m3/h(隨著回采大部分鉆孔已不涌水)。合計(jì)鉆探進(jìn)尺3 516 m,總放水量88 486.8 m3。

        圖5 探放水鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意Fig.5 Structural design of water exploration drilling hole

        5 結(jié) 語(yǔ)

        通過(guò)工作面頂板探放水施工,使得工作面上覆含水層富水大量排出,有效的減少了工作面回采期間的架間淋水,緩解了工作面采后涌水量,保障了工作面安全開(kāi)采。目前工作面已安全完成回采工作,實(shí)踐證明,嚴(yán)格按照探放水規(guī)定對(duì)上覆巖層含水層進(jìn)行探放,是一種減少采后涌水量有效可行的方法。

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