紅慶梁煤礦主斜井礫巖層泄水方法研究

楊 旭 東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

紅慶梁井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗境內(nèi)，井田在達(dá)拉特旗政府所在地的西南方向，相距約65 km。井田為一較規(guī)則的矩形。據(jù)地質(zhì)報(bào)告顯示主斜井1 434.534 m～1 530.598 m處，將遇到沿主井方向長(zhǎng)度約96.04 m左右的富水礫巖層，巖性主要為灰白色礫巖，礫石粒徑1 cm～15 cm，為中、粗砂及泥質(zhì)充填，巖芯破碎，裂隙發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)，易產(chǎn)生坍塌、掉塊，在井筒施工時(shí)應(yīng)注意巖石崩落現(xiàn)象的發(fā)生。巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均5.99 MPa，軟化系數(shù)小于0.18。根據(jù)檢6號(hào)鉆孔抽水孔資料，含水層厚度14.87 m，水位埋深126.28 m，據(jù)主井地勘報(bào)告顯示此礫巖層層位的涌水量為7.84 m3/h，涌水量較大，副井地勘報(bào)告顯示此礫巖層含水層涌水量為127.47 m3/d(5.31 m3/h)，風(fēng)井地勘報(bào)告顯示此礫巖層含水層涌水量為142.33 m3/d(5.93 m3/h)。水量較大，施工需要采取泄水措施進(jìn)行防范。

1 泄水方案目的和任務(wù)

對(duì)礫巖含水層富水性探查，根據(jù)施工后各鉆孔的涌水量、水壓情況對(duì)礫巖含水層進(jìn)行富水條件定性認(rèn)識(shí)[1,2]。將主斜井所穿越礫巖含水層段的承壓水疏放至安全范圍內(nèi)，使主斜井掘進(jìn)工程能夠安全、高效進(jìn)行[3]。

鉆孔布置原則現(xiàn)階段以均勻布孔的方式力求疏放水鉆孔全面覆蓋工作面，探放結(jié)合、一孔多用原則：疏放水孔除了可用于判斷含水層富水性以外，還可以用作放水孔(或觀測(cè)孔)。根據(jù)本礦井實(shí)際情況，選擇通過(guò)在礫巖含水層下的3-1煤層的措施巷道中施工專門(mén)的鉆孔，并使鉆孔直接進(jìn)入礫巖含水層，利用地下水的壓力水頭，將含水層中過(guò)量的地下水通過(guò)疏放水措施有控制地疏放到措施巷道中，疏放的水再通過(guò)礦井排水系統(tǒng)排出地表，以實(shí)現(xiàn)含水層的疏水[4-6]。

井下疏放水系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成，主要由泄水鉆孔、鉆井硐室、引水管線(或礦井水溝)等組成。根據(jù)原疏放水經(jīng)驗(yàn)，在礫巖含水層疏放水應(yīng)采用井下群孔預(yù)疏放的方法，首先進(jìn)行先期鉆孔全面覆蓋、均勻布置，施工過(guò)程中根據(jù)鉆孔涌水情況和水壓變化情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)強(qiáng)富水區(qū)段加密鉆孔，對(duì)弱富水段減少鉆孔，以期達(dá)到滿意的疏水效果，井下疏放水鉆孔布置剖面圖見(jiàn)圖1。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下疏水鉆孔應(yīng)盡量自煤層頂板完整段開(kāi)孔。鉆孔開(kāi)孔φ127 mm，煤層直接頂板砂巖、泥巖段下φ108 mm，壁厚6 mm的孔口管，按照《煤礦防治水規(guī)定》孔口管長(zhǎng)度大于6 m。在含水層段以φ75 mm裸孔鉆進(jìn)，終孔位置為礫巖含水層頂板。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 疏放水鉆孔布置

疏放水孔分兩列布置，所用疏放水孔間巷道軸向間距按10.4 m布置，單列疏放水孔間巷道軸向間距按20.8 m布置，兩側(cè)交錯(cuò)布置，編號(hào)為1～9單數(shù)的孔位于巷道中線以北，雙數(shù)孔位于巷道中線以南。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔參數(shù)表

在放水過(guò)程開(kāi)始后，針對(duì)水量的觀測(cè)要求持續(xù)連續(xù)，并準(zhǔn)確記錄疏放水量的變化情況，每小時(shí)記錄一次。

4 井下疏放水孔開(kāi)孔要點(diǎn)

疏放水的孔口管除具有導(dǎo)向作用以外，還具有防止煤巖壁滲水及含水層涌水帶壓潰破的屏障作用，具有極大的重要性，故對(duì)孔口管的安裝需要做到安全合理，疏放水孔口管的安裝與固定要求必須固壁牢靠。

在主斜井中選擇3-1號(hào)煤頂板堅(jiān)硬巖層的完整地段進(jìn)行開(kāi)孔，開(kāi)孔管徑為φ108 mm，壁厚為6 mm，內(nèi)部纏繞6號(hào)鉛絲并對(duì)局部進(jìn)行點(diǎn)焊?？卓诠艿拈L(zhǎng)度應(yīng)隔離煤層直接頂、粉砂巖和泥巖，避免出現(xiàn)導(dǎo)水通道，其長(zhǎng)度參見(jiàn)表1。

孔口管應(yīng)以絲扣連接，并使用外包麻絲固定絲扣。鉆入后孔口管外露部分長(zhǎng)度不得大于0.5 m。鉆至設(shè)計(jì)深度后，用高壓水將孔內(nèi)沖洗干凈。接入雙液注漿泵，采用注漿的方法使孔口管(管周?chē)鷳?yīng)焊扶正肋骨片)與孔壁間充滿水泥漿或化學(xué)漿液。根據(jù)施工計(jì)算，本次使用的漿液成分采用水灰比0.75∶1的水泥漿液，并摻入5%水玻璃(42Be′)，此濃度下的漿液配比在常溫條件下凝固24 h，即可掃孔。掃孔應(yīng)在孔口管周?chē)酀{凝固后進(jìn)行，掃孔深度應(yīng)超過(guò)孔口管長(zhǎng)度0.5 m?？卓诠芙Y(jié)構(gòu)及固管方法如圖3，圖4所示。

掃孔后必須對(duì)孔口管進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)通過(guò)方可使用，實(shí)驗(yàn)條件為：試驗(yàn)壓力6 MPa并穩(wěn)定30 min，若孔口管周?chē)宦┧?，方可進(jìn)行鉆進(jìn)工作。

探放水工程需要收集放水時(shí)的水量、水壓等資料，應(yīng)在孔口管上安裝φ108 mm球閥，球閥應(yīng)是耐壓達(dá)6 MPa的控水閥門(mén)且質(zhì)量合格，還應(yīng)配備壓力表和流量計(jì)等孔口裝置(見(jiàn)圖5,圖6)?？卓谘b置要同鉆孔套管的法蘭盤(pán)用螺栓連接在一起，應(yīng)連接緊固但易于拆開(kāi)，在測(cè)量過(guò)程中要密切觀察密封是否漏水，不漏水為合格。為了減小鉆探施工進(jìn)度的影響，安裝孔口閥門(mén)時(shí)需要安排在鉆進(jìn)至揭露含水層時(shí)提前5 m進(jìn)行安裝。等鉆入至含水異常體部位并發(fā)現(xiàn)管內(nèi)出水后，立即進(jìn)行水量與水壓觀測(cè)并記錄。在鉆進(jìn)施工過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大，應(yīng)通過(guò)減小閥門(mén)加以控制，避免出現(xiàn)涌水帶壓噴出的情況。

鉆探時(shí)，鉆孔仰角應(yīng)嚴(yán)格測(cè)量，角度誤差控制在5%以內(nèi)。為了提高鉆探效率，鉆孔采用無(wú)芯鉆進(jìn)，為保證鉆井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)做好鉆出巖粉的收集、判層和編錄工作，鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確判別不同煤層、巖層厚度，并對(duì)換層深度進(jìn)行記錄。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般每鉆進(jìn)10 m時(shí)，或在更換鉆進(jìn)鉆具時(shí)，測(cè)量一次鉆桿深度并核實(shí)鉆孔深度。在終孔前再?gòu)?fù)核一次，并進(jìn)行測(cè)斜測(cè)量，測(cè)斜可采用燈光測(cè)試法，要求測(cè)量準(zhǔn)確。鉆進(jìn)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)煤層松軟、巖石軟弱破碎、有片幫跡象、周?chē)鷣?lái)壓或孔中的水壓、水量突然增大，以及有頂鉆等現(xiàn)象時(shí)，必須立即停止鉆孔，記錄此時(shí)鉆孔深度并將鉆桿固定牢固，同時(shí)需要立即向礦調(diào)度室匯報(bào)，按照礦應(yīng)急預(yù)案及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。鉆進(jìn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體噴出時(shí)，應(yīng)立即切斷電源、停止鉆進(jìn)，將人員撤離到有新鮮風(fēng)流的地點(diǎn)并立即向礦調(diào)度室報(bào)告，根據(jù)預(yù)案采取相應(yīng)措施。

鉆孔內(nèi)水壓過(guò)大、鉆進(jìn)困難時(shí)，應(yīng)在使用反壓和防噴裝置以后重新進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)應(yīng)具有防止孔口管和煤(巖)壁突然鼓出的措施。

通過(guò)以上方案和措施，對(duì)紅慶梁煤礦主斜井礫巖層進(jìn)行了疏放水，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行了疏放水孔的施工與布置，對(duì)水壓和水量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

放水開(kāi)始后，對(duì)水量進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，對(duì)疏放水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此次為初次揭露含水層，涌水量為靜儲(chǔ)量與動(dòng)儲(chǔ)量的疊加，初始水量較大，需要密切觀測(cè)水量的變化趨勢(shì)。在連續(xù)觀測(cè)72 h后發(fā)現(xiàn)52 h后水量趨勢(shì)為衰減，70 h后，水流量衰減達(dá)到80%以上，涌水量小于2 m3/h，說(shuō)明此次放水較為成功。

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