浅谈煤矿井下探放水设计与现场施工

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  【摘要】:本文分析了矿井采空区水害情况,确立探放水的总体设计目的和原则,采取合理的探放水设计,井下现场组织有序的施工方案,经过多轮的探放水施工,提高打钻效率,确保钻探效果,增加施工工效,最终确定探放水巷道安全掘进。
  【关键词】:煤矿  采空区  探放水
  引言
  矿井防治水工作是煤矿矿井设计及安全管理最重要的工作之一,为了避免矿井采掘工作面在生产过程中发生不同程度的水害威胁,影响生产建设的发展。因此,煤矿必须严格执行“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后采”的探放水原则,规范探放水设计,加强井下探放水的施工。
  1. 概况
  21112回风顺槽掘进工作面位于云盖山煤矿一矿矿井22采区,-23m水平的西翼,为我矿21112综采工作面上回风巷,该掘进工作面与2014年4月初开始施工,于2014年10月竣工,其煤层倾角15~30°,平均煤厚3m。巷道相对应地面位置主要为农田,无其他建筑物,21112回风顺槽里段掘进范围内垂直上方有神火正德矿业有限公司(该矿采三9煤层,对应21112回风顺槽正上方标高为+150m~+178m),我矿导水裂隙带最大高度为106.76m<153.33m,目前该矿井已经关闭、塌落严实,所以对掘进巷道无影响。巷道北部为21110采煤工作面采空区,在掘进过程中受21110采煤工作面采空区积水威胁,为保证其掘进安全,必须提前对巷道掘进前方和老空积水进行探放,以确保实现安全生产。
  2. 探放水工程设计方案
  2.1 钻孔设计目的及原则
  坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的探放水原则,21110综采工作面里段低洼积水区,保障21112回风顺槽工作面安全掘进。探放水钻孔设计以探放老空水为主,探查21112回风顺槽里段掘进工作面安全距离范围内的地质构造、水文地质情况、煤(岩)层层位及其它相关地质资料。探放水钻孔成组布设,并在巷道前方的水平面和竖直面内呈扇形布置。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。
  2.2 探放水钻孔设计
  探放水钻孔设计施工11组共94个探放水钻孔。第1组探放水施工在21112切眼底抽巷进行,第2组到第11组探放水施工在21112回风顺槽进行。其中第2组、第3组是对第1组探放水进行验证,第4组至第11组是探放21110采空区外段的积水。第1组钻孔开孔φ113mm,采用金刚复合片钻头钻进,下入φ108mm套管,套管长度取6m,采用水泥砂浆进行封孔,套管外口焊接高压法兰盘,法兰盘外连接装压力表的短接,短接外接高压闸阀,然后换φ73mm钻头,钻进至终孔,设计钻孔单孔孔深60~130m;第2组至第11组钻孔开孔φ113mm,采用金刚复合片钻头钻进,下入φ108mm套管,套管长度取10m,采用合成树脂封孔剂进行封孔,套管外口焊接高压法兰盘,法兰盘外连接装压力表的短接,短接外接高压闸阀,然后换φ73mm钻头,钻进至终孔,设计钻孔单孔孔深40~80m。根据《煤矿防治水规定》中的相关要求,规定探放老空积水的超前距离设定为30m。
  3. 井下探放水施工
  1.1 施工组织
  巷道施工至探水线位置或每轮允许掘进位置时,施工单位组织人员清理钻场中高、清除浮煤、矸石,保证底板平整,使用钢筋网、塑编网对钻场迎面墙进行封闭(岩巷打设锚杆封闭),并打设锚杆加固煤墙。后巷人员挖设临时水仓,并在临时水仓安装排水泵铺设排水管路,完善排水系统。电修组人员负责运输钻杆、配套设备、钻具等到钻场位置,钻机使用4根单体液压支柱进行固定,单体液压支柱上部要用防倒绳进行捆绑,确保油泵及开关能正常使用,每班不定时检查U型卡连接点检查,保证不漏油,具备开钻条件。矿井监控中心人员负责延伸监控线到钻场位置,并安装甲烷传感器和一氧化碳传感器,确保监控系统可靠、监控数据准确。生产技术科测量人员负责测放钻孔中线,精确钻孔方位,技术人员完善作业规程、施工图版、探放水记录等内业资料。探放水施工前,由生产技术科组织矿井五大科室进行现场验收,各种安全设施、各个系统准备到位且具备开钻条件时方可组织施工。探放水施工采用“三八”作业,即每天三班作业,每班工作时间为8个小时,施工期间每台钻机配备3名施工人员,其中1人负责操作钻机,其余人员进行辅助工作。
  1.2 施工方法
  施工顺序:无芯钻头开孔→下套管→封孔固管→透孔试压→合格后无芯钻进→提钻→放水。
  探放水钻孔施工,采用直径为113mm无芯钻头开孔(如钻孔内出现塌孔、埋钻等情况无法进行正常钻进时,则使用Φ113 mm取芯钻头进行钻进),钻进至设计套管深度后(实际孔深应大于设计孔深0.5~1m),下入Φ108 mm套管10m,套管安装后岩巷采用水泥砂浆固结套管,煤巷采用合成树脂封孔剂固结套管。然后用Ф 75mmPDC复合片钻头透出套管底口1m并做耐压试验,试验压力稳定在0.8MPa,稳压时间不少于30min,孔壁周围不漏水、不渗水为合格,否则重新固管。
  封孔固管工艺流程:套管下好后,将套管螺丝头与套管连接牢固,先向套管内连续压清水,将套管与孔壁之间残留岩粉冲出,打通封孔通道。将合成树脂封孔剂送入孔内,直到合成树脂封孔剂膨胀后返出管外,等待凝固。
  套管耐压试验合格,安装好Ф108mm控水闸阀后,使用Ф75mm无芯钻头钻进至终孔,钻孔施工结束后,控水闸阀不得摘除,防止施工下个钻孔出水时串孔,待下个钻孔施工结束后,没有出水现象时,方可摘除第一个控水闸阀,以此类推。若钻探期间,钻孔出水量突然增大,必须停止钻进,但不得拔出钻杆,根据排水能力,调节控水闸阀;待出水量小后,方可拔出钻杆,并使用Ф108mm钢丝胶管接到控水闸阀上的法兰盘,然后打开控水闸阀进行排水。
  孔口防喷控水装置的安装使用:防喷控水装置共分固定与活动安装两个部分,固定安装部分在套管闸阀安装完毕后将4吋法兰盘胶垫用螺栓与闸阀连接固定牢固,活动部分为3吋法兰盘和软胶垫组成,在开钻前将活动部分套入钻杆上,在打钻过程中第二部分与第一部分距离不能低于200mm,防止胶垫磨损。正常钻进过程中,防喷控水装置利用外面3吋盘阻水,下部三通闸阀始终保持常开状态泄水达到防喷目的。若钻孔出水量较大,且不能拔出钻杆的情况下控水,应迅速将迅速将套在钻杆上的胶垫、3吋盘移动到固定部分3吋法兰盘处,用螺栓连接固定,螺栓紧好孔口不在出水后,慢慢关闭三通阀门实现控水。确认排水系统畅通正常后,方可再次打开控水装置进行放水。
  见老空及透孔放水:在钻孔施工至预计见老空深度前2m,现场跟班人员要再次确认排水系统是否运转正常,各地点清淤、排水、机修工及瓦检员是否到位,否则要停止施工。透孔要先检查孔内瓦斯涌出情况,以便及时采取相应措施,透孔放水时排水、清淤、放水人员要密切配合,区队、科室、矿领导跟班人员统一指挥,做到有序施工,可控放水。
  4. 结语
  施工每组探放水时,按照先设计,编制探放水规程,现场施工,生产技术科出成果及评价,下发允许掘进通知单的顺序进行,若评价不合格,要进行补孔,待评价合格后,再下发允许掘进通知单,严格按照公司要求的“一工程一设计一措施一总结一评价”来进行探放水,经过在21112切眼底抽巷及21112回风顺槽施工探放水孔,总放水量2918 m?,21110采空区积水已放净,21112综采面可以安全回采。
  参考文献:
  [1] 武强 赵苏启 董书宁 李竞生. 煤矿防治水手册 [M] . 北京, 煤炭工业出版社,2013年.
  [2] 葛均刚. 煤矿地质防治水工程精细化管理规范 [M] . 徐州, 中国矿业大学出版社,2014年.
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