论文部分内容阅读
【摘 要】大强煤矿施工的三个井筒将要穿过侏罗系砂砾岩裂隙承压含水（气）层，此层为涌水涌气段，压力 7个多，瞬时涌水量25～30m3/h，含有气体，以氮气和甲烷为主。因此当井筒穿过此段含水层时会有水（气）涌出，给井筒施工带来非常大的困难和安全隐患，针对此，编制了井筒揭穿含水（气）层技术方法，并对井筒掘进工作面揭露和进入砂砾岩含水（气）层突出危险性进行了预测。
【关键词】千米井；承压含水；（气）层；突出危险性；经济效益
一、前 言
当井筒施工过程中穿过含水层并有有害气体时，会给掘进带来很大的困难。根据实见资料，发现侏罗系砂砾岩裂隙承压含水层有涌水（气）现象，瞬时涌水量达到25～30m3/h。稳定出水量2m3/h左右。水中氮气含量59.186～67.82%，甲烷20.35～36.50%。
二、概况
铁法煤业集团大强煤矿有限责任公司位于辽宁省沈阳市康平县张强镇与内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗散都镇的交界处。
面积37.0km2。可采储量9616.98万吨，设计能力150万吨/年。一层可采煤层，厚度0.80～7.35m，平均3.85m。井田内的煤种为长焰煤和气煤，倾角5～15°，向南倾斜的单斜构造。
三、水文地质
由上而下分述如下
（一）含水层
（1）第四系砂、砂砾孔隙潜水含水层
由0.82m厚的粉砂、亚粘土所覆盖，往下则是浅黄、灰白色、灰绿色粉、细砂岩组成。厚度0.35～48.45m，平均12.23m。
（2）白垩系风化带孔隙、裂隙承压含水层
由紫红色风化砂砾岩组成。厚度27.0～95.23m，平均62.91m。
（3）白垩系底部与侏罗系上部砂砾岩裂隙承压含水层
主要由白垩系紫红色与侏罗系灰绿色砂砾岩组成。厚度2.18～259.25m,平均87.16m。
（4）侏罗系上部砂砂砾岩裂隙承压含水（气）层
主要由灰、灰白色砂砾岩组成。厚度3.1～163.7m，平均32.98m。
（二）隔水层
（1）白垩系下部砂泥岩弱隔水层：
紫红色或灰绿色泥、粉、细砂岩组成。厚度119.75～380.74m，平均厚度229.6m。
（2）侏罗系上部砂泥岩段泥、粉砂岩隔水层：
灰绿色或灰白色泥粉砂岩组成。厚度2.80～110.36m，平均厚度53.83m。
（3）侏罗系煤层顶板泥岩隔水层：
由灰、灰黑色泥岩、粉砂岩与灰白色泥灰岩组成。厚度2.55～320.65m，平均厚度82.42m。
1.现状
由于存在此涌水涌气层，在整个井田220个钻孔施工过程中，共有40个钻孔中途而费，不得不重新挪位置布置钻孔。
在主井井检钻施工到635.48m时出现涌水涌气现象，导致中途而费。
2.成因分析
1、由于土壤和水中均含有大气。在水循环作用下，进入地下的氮气在遇到高温地层时会从水中逸出呈游离气态存在。
2、沉积岩中有机质在过成熟阶段裂解作用产生的氮气。
3、沉积岩发生变质作用时，无机固定氮经高温变质作用释放出少量的氮气。
4、在成煤的过程中微生物反硝化产生一部分氮气、甲烷，这部分氮气和甲烷沿着断裂带上升至含水段而富集在一起。
3.技术措施
防突措施工艺流程如下图所示。
4.前探钻孔及危险性预测
以主井井筒为例。
4.1第一次揭露含水（气）层突出前探钻孔及危险性预测
在井筒掘进至距此含水（氣）层垂距10m之前，停止掘进，分别施工4个前探钻孔，钻孔布置见下图。
突出危险性预测，采用气体压力法和岩芯法，预测超前距为5m。
4.2进入含水（气）层后前探钻孔及突出危险性预测
在进入含水（气）层后，至含水（气）层底板全段范围内，每一预测循环都必须进行，钻孔布置见下图。在井筒掘进进入含水气层后，前探孔兼作预测孔。初期每隔1～2小时观测一次，以后可适当延长观测时间，并采取水样进行水质分析。一旦发现涌水量变大或有异常情况时马上停止施工，采取相应的安全技术措施以后方可继续施工。超前距保持为10m。
4.3气体压力法
气体压力指标临界值如下表所示。因掘凿断面较大，为保证预测可靠，工作面距此含水（气）层法距5m以前，施工4个测压钻孔，中央布置1个，揭露含水（气）层点在井筒轮廓线以外5m范围布置3个，采用前探孔兼作预测孔。
成孔后30min内进行封孔测压，长度不得小于12m，气体压力稳定后方可拆除压力表，取测得的最大值确定有无危险。
4.4岩芯法
1.当岩芯中大部分长度在150mm以上，且有裂缝围绕，个别为小圆柱体或圆片时，预测为一般突出危险地带；
2.取出的lm长的岩芯内，部分岩芯出现20～30个圆片，其余岩芯为长50～100mm的圆柱体并有环状裂隙时，预测为中等突出危险地带；
3.当lm长的岩芯内具有20～40个凸凹状圆片时，预测为严重突出危险地带；
4.岩芯中没有圆片和岩芯表面上没有环状裂缝时，预测为无突出危险地带。
4.5排放钻孔
根据规定，距含水（气）层垂距10m处，施工抽排钻孔。
钻孔直径?=89mm，终孔间距5.85m，在揭露含水（气）层点周边5m的控制断面内均匀布孔。初步设计29个孔，布置方式为如下图。施工完钻孔后，先进行瓦斯排放措施，排放时间视具体排放效果而定。
4.6防突措施效果检验
当预测有突出危险时，采取抽排钻孔防突措施后，采用气体压力指标、岩芯指标对措施的效果进行检验，经效果检验指标达到要求后，在留足超前距的前提下方可继续井筒掘进施工；若效果检验无效，应采用补充措施，并经措施效果检验，补充措施采用补打抽排钻孔的方法。
5.井筒揭穿含水（气）层安全防护措施
在工作面采取防突措施后，采用远距离放炮揭露含水（气）层。
6.井筒揭露及进入含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
(1)揭露含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
当井筒深536m时，先施工了倾向上部孔1个，又施工了中部孔1个，孔深45m。上部钻孔压力稳定后，相对瓦斯压力值0.03Mpa，钻孔内瞬时瓦斯浓度2%，岩芯中没有圆片；中部钻孔压力稳定后，相对瓦斯压力值为0.18MPa，钻孔内瞬时瓦斯浓度为2.5%，岩芯中没有圆片。经分析，钻孔已经钻进含水（气）层24m，钻孔无涌水情况，且瓦斯压力较小，岩芯完整。可以判定：工作面无突出危险性。
(2)进入含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
根据实际采取边探边掘措施，且保留10m超前距。
井筒施工至597m时停止施工，进行前探钻孔施工并进行突出危险性预测。首先施工中部前探钻孔兼作预测钻孔，该钻孔施工到33m时，出现涌水，涌水量1m3/h，经过观察，开始涌水段为泥岩，岩芯中没有圆片；施工到36m时，涌水量基本无变化，经过观察，该段已经变为砂砾岩，岩芯中没有圆片；施工39.5m时，涌水量基本无变化，该段仍为砂砾岩，岩芯中没有圆片；施工到40.5m时，涌水量突然变大，瞬时涌水量达到50m3/h，井筒内瓦斯浓度升为0.09%。经过连续5天排水后（约2100m3积水），涌水量下降到3m3/h，瓦斯浓度为0.02%。封堵该前探钻孔后，继续进行边探边掘，穿入662m时，钻孔均无涌水、涌气现象，判定穿过此含水(气)层，此层无突出危险性，可以停止实施综合防突措施，进行正常施工。
为防止出现安全事故，采取探放水（气）防突措施，利用含水（气）层气体压力法和岩芯法进行岩石与二氧化碳(瓦斯)突出危险性综合预测，设计采用抽排钻孔方法为主要防治突出措施，并采取远距离放炮等安全防护措施。实际工作中气体压力、岩芯指标均未达到或超过临界值。确定了井筒侏罗系砂砾岩裂隙承压含水(气)层无岩石与二氧化碳(瓦斯)突出危险性。同时在采取安全防护措施的情况下顺利地掘过了含水(气)层。
【关键词】千米井；承压含水；（气）层；突出危险性；经济效益
一、前 言
当井筒施工过程中穿过含水层并有有害气体时，会给掘进带来很大的困难。根据实见资料，发现侏罗系砂砾岩裂隙承压含水层有涌水（气）现象，瞬时涌水量达到25～30m3/h。稳定出水量2m3/h左右。水中氮气含量59.186～67.82%，甲烷20.35～36.50%。
二、概况
铁法煤业集团大强煤矿有限责任公司位于辽宁省沈阳市康平县张强镇与内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗散都镇的交界处。
面积37.0km2。可采储量9616.98万吨，设计能力150万吨/年。一层可采煤层，厚度0.80～7.35m，平均3.85m。井田内的煤种为长焰煤和气煤，倾角5～15°，向南倾斜的单斜构造。
三、水文地质
由上而下分述如下
（一）含水层
（1）第四系砂、砂砾孔隙潜水含水层
由0.82m厚的粉砂、亚粘土所覆盖，往下则是浅黄、灰白色、灰绿色粉、细砂岩组成。厚度0.35～48.45m，平均12.23m。
（2）白垩系风化带孔隙、裂隙承压含水层
由紫红色风化砂砾岩组成。厚度27.0～95.23m，平均62.91m。
（3）白垩系底部与侏罗系上部砂砾岩裂隙承压含水层
主要由白垩系紫红色与侏罗系灰绿色砂砾岩组成。厚度2.18～259.25m,平均87.16m。
（4）侏罗系上部砂砂砾岩裂隙承压含水（气）层
主要由灰、灰白色砂砾岩组成。厚度3.1～163.7m，平均32.98m。
（二）隔水层
（1）白垩系下部砂泥岩弱隔水层：
紫红色或灰绿色泥、粉、细砂岩组成。厚度119.75～380.74m，平均厚度229.6m。
（2）侏罗系上部砂泥岩段泥、粉砂岩隔水层：
灰绿色或灰白色泥粉砂岩组成。厚度2.80～110.36m，平均厚度53.83m。
（3）侏罗系煤层顶板泥岩隔水层：
由灰、灰黑色泥岩、粉砂岩与灰白色泥灰岩组成。厚度2.55～320.65m，平均厚度82.42m。
1.现状
由于存在此涌水涌气层，在整个井田220个钻孔施工过程中，共有40个钻孔中途而费，不得不重新挪位置布置钻孔。
在主井井检钻施工到635.48m时出现涌水涌气现象，导致中途而费。
2.成因分析
1、由于土壤和水中均含有大气。在水循环作用下，进入地下的氮气在遇到高温地层时会从水中逸出呈游离气态存在。
2、沉积岩中有机质在过成熟阶段裂解作用产生的氮气。
3、沉积岩发生变质作用时，无机固定氮经高温变质作用释放出少量的氮气。
4、在成煤的过程中微生物反硝化产生一部分氮气、甲烷，这部分氮气和甲烷沿着断裂带上升至含水段而富集在一起。
3.技术措施
防突措施工艺流程如下图所示。
4.前探钻孔及危险性预测
以主井井筒为例。
4.1第一次揭露含水（气）层突出前探钻孔及危险性预测
在井筒掘进至距此含水（氣）层垂距10m之前，停止掘进，分别施工4个前探钻孔，钻孔布置见下图。
突出危险性预测，采用气体压力法和岩芯法，预测超前距为5m。
4.2进入含水（气）层后前探钻孔及突出危险性预测
在进入含水（气）层后，至含水（气）层底板全段范围内，每一预测循环都必须进行，钻孔布置见下图。在井筒掘进进入含水气层后，前探孔兼作预测孔。初期每隔1～2小时观测一次，以后可适当延长观测时间，并采取水样进行水质分析。一旦发现涌水量变大或有异常情况时马上停止施工，采取相应的安全技术措施以后方可继续施工。超前距保持为10m。
4.3气体压力法
气体压力指标临界值如下表所示。因掘凿断面较大，为保证预测可靠，工作面距此含水（气）层法距5m以前，施工4个测压钻孔，中央布置1个，揭露含水（气）层点在井筒轮廓线以外5m范围布置3个，采用前探孔兼作预测孔。
成孔后30min内进行封孔测压，长度不得小于12m，气体压力稳定后方可拆除压力表，取测得的最大值确定有无危险。
4.4岩芯法
1.当岩芯中大部分长度在150mm以上，且有裂缝围绕，个别为小圆柱体或圆片时，预测为一般突出危险地带；
2.取出的lm长的岩芯内，部分岩芯出现20～30个圆片，其余岩芯为长50～100mm的圆柱体并有环状裂隙时，预测为中等突出危险地带；
3.当lm长的岩芯内具有20～40个凸凹状圆片时，预测为严重突出危险地带；
4.岩芯中没有圆片和岩芯表面上没有环状裂缝时，预测为无突出危险地带。
4.5排放钻孔
根据规定，距含水（气）层垂距10m处，施工抽排钻孔。
钻孔直径?=89mm，终孔间距5.85m，在揭露含水（气）层点周边5m的控制断面内均匀布孔。初步设计29个孔，布置方式为如下图。施工完钻孔后，先进行瓦斯排放措施，排放时间视具体排放效果而定。
4.6防突措施效果检验
当预测有突出危险时，采取抽排钻孔防突措施后，采用气体压力指标、岩芯指标对措施的效果进行检验，经效果检验指标达到要求后，在留足超前距的前提下方可继续井筒掘进施工；若效果检验无效，应采用补充措施，并经措施效果检验，补充措施采用补打抽排钻孔的方法。
5.井筒揭穿含水（气）层安全防护措施
在工作面采取防突措施后，采用远距离放炮揭露含水（气）层。
6.井筒揭露及进入含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
(1)揭露含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
当井筒深536m时，先施工了倾向上部孔1个，又施工了中部孔1个，孔深45m。上部钻孔压力稳定后，相对瓦斯压力值0.03Mpa，钻孔内瞬时瓦斯浓度2%，岩芯中没有圆片；中部钻孔压力稳定后，相对瓦斯压力值为0.18MPa，钻孔内瞬时瓦斯浓度为2.5%，岩芯中没有圆片。经分析，钻孔已经钻进含水（气）层24m，钻孔无涌水情况，且瓦斯压力较小，岩芯完整。可以判定：工作面无突出危险性。
(2)进入含水（气）层现场施工过程及突出危险性参数测定
根据实际采取边探边掘措施，且保留10m超前距。
井筒施工至597m时停止施工，进行前探钻孔施工并进行突出危险性预测。首先施工中部前探钻孔兼作预测钻孔，该钻孔施工到33m时，出现涌水，涌水量1m3/h，经过观察，开始涌水段为泥岩，岩芯中没有圆片；施工到36m时，涌水量基本无变化，经过观察，该段已经变为砂砾岩，岩芯中没有圆片；施工39.5m时，涌水量基本无变化，该段仍为砂砾岩，岩芯中没有圆片；施工到40.5m时，涌水量突然变大，瞬时涌水量达到50m3/h，井筒内瓦斯浓度升为0.09%。经过连续5天排水后（约2100m3积水），涌水量下降到3m3/h，瓦斯浓度为0.02%。封堵该前探钻孔后，继续进行边探边掘，穿入662m时，钻孔均无涌水、涌气现象，判定穿过此含水(气)层，此层无突出危险性，可以停止实施综合防突措施，进行正常施工。
为防止出现安全事故，采取探放水（气）防突措施，利用含水（气）层气体压力法和岩芯法进行岩石与二氧化碳(瓦斯)突出危险性综合预测，设计采用抽排钻孔方法为主要防治突出措施，并采取远距离放炮等安全防护措施。实际工作中气体压力、岩芯指标均未达到或超过临界值。确定了井筒侏罗系砂砾岩裂隙承压含水(气)层无岩石与二氧化碳(瓦斯)突出危险性。同时在采取安全防护措施的情况下顺利地掘过了含水(气)层。