xx矿井下长观孔设计

XX 煤业有限公司 井 下 长 观 孔 设 计 编 制： 审 核： 总工程师： XX 钻探公司 XX 年 XX 月 2 目 录 前言 1 1 矿井水文地质条件 2 1.1 含（隔）水层 2 1.2 断层水文地质特征 4 1.3 地下水的补给、径流和排泄 5 2 井下长观孔设计 5 2.1 钻孔布置原则 5 2.2 断裂构造对布孔影响 5 2.3 钻探工程布置 6 2.4 钻孔结构和技术要求 8 3 安全施工保证措施 13 3.1 钻机操作规程 13 3.2 安全技术措施 14 1 前言 XX 煤业有限公司原属 XX 市地方国有企业，XX 年整合为“XX 煤业有限公司” 。公司现开拓方式为斜井开拓，采煤方式为倾斜或走向长臂恒底后退式，以一 个炮采工作面和一个综采工作面满足产量需要。该矿根据发展需求历经多次改 造扩建，设计生产能力为 XX 万吨/年，核定生产能力为 XX 万吨/年。公司 XX 水 平已结束，目前在 XX 水平生产。 XX 煤业有限公司位于 XX 市东南 24处，行政区划属 XX 工业区。矿区南北 长 XXkm，东西宽 XXkm，井田面积 XXkm2。 图 0.1 XX 煤业交通位置示意图 该矿目前施工了 2 个井下长期观测孔，钻孔位置位于 XX 采区回风绕巷及 XX 采区水仓口，分别观测石炭系太原组 L7-8灰及寒灰水位。由于矿井开拓规划 向北翼延深，目前的观测系统已经不能满足安全生产需要。因此，XX 煤业有限 公司决定在井下补充施工长期观测孔，观测奥（寒）灰及太原组 L7-8灰水位， 结合已投入使用的 2 个长期观测孔，进一步完善矿井地下水动态观测系统。本 次长观孔工程委托 XX 钻探公司进行设计施工。 本次井下水文长期观测孔设计编制依据和参考资料有： （1） XX 煤业有限公司生产矿井地质报告 ； （2） XX 煤业有限公司水文地质类型划分报告 ； （3） 煤矿安全规程 （国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监督局， 2011 年 3 月 1 日） ； （4） 煤矿防治水规定 （国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监督局， 2009 年 12 月 1 日） ； （5） 矿区水文地质工程地质勘探规范 （中华人民共和国国家标准，GB 1271991，国家技术监督局） ； 2 1 矿井水文地质条件 1.1 含（隔）水层 1.1.1 含水层 奥陶系灰岩岩溶、承压含水层 区内有 1 孔揭露，揭露厚度 20.81m。岩性为浅灰色石灰岩，裂隙多被方解 石充填。XX 煤矿供水井取水层位为 O2 3风化裂隙带，井深 200m，静水位埋 深 37.1m，水位标高 221.48m，水位降低 0.6m，涌水量达 80m3/h，则该含水层 为含水丰富而不均的强含水层。水化学类型为 HCO3CaMg 型。该含水层上距 二 1煤层平均垂距约 80m，其间本溪组铝质泥岩和太原组中段砂泥岩隔水层阻隔 了其与太原组下段灰岩含水层、太原组上段灰岩含水层之间的水力联系，在无 较大落差的断层影响下，对二 1煤层开采不会有直接影响。 石炭系上统太原组下段灰岩裂隙、岩溶、承压含水层（L 1-4） 由四层深灰色石灰岩（L 1-4）组成，裂隙较发育，充填方解石，层位稳定， 为矿区二 1煤层间接底板含水层。该含水层厚度变化大。根据 XX 孔钻探资料， 厚度 20.90m。 据 XX 孔抽水资料，该含水层水位埋深 76.23m，静水位标高 223.83m，单位 涌水量 0.37L/sm，渗透系数 2.8m/d，水化学类型 HCO3Cl（K+Na）Mg 型，矿化度 0.511g/L。 石炭系上统太原组上段灰岩裂隙、岩溶承压含水层（L 7-9） 由 23 层灰、深灰色石灰岩组成，其中 L7-8层位稳定，裂隙发育，为二 1 煤层直接底板含水层。根据井田内钻探资料：最厚 13.77m（11710 孔） ，最薄 7.00m（11707 孔） ，一般 8.0012.00m，平均 11.09m。在矿区内 31 个钻孔中， 揭露 L7-8灰岩含水层的有 16 孔，其中打到而未揭穿的 8 孔,揭穿的 8 孔。平均 每平方公里揭穿 L7-8灰岩钻孔 1.05 个。 据 XX 孔和 XX 孔抽水试验资料，该含水层静水位标高 166.61224.76m， 单位涌水量 0.01471.362L/sm，渗透系数为 0.12472.775m/d，水化学类 型为 HCO3Cl(K+Na)型，矿化度 0.2750.47g/L。该层上距二 1煤层一般 510m，富水性中等。充水形式以裂隙涌水为主，据矿井资料：原八号立井北 160m 底板裂隙涌水量达 100m3/h。该含水层对煤层开采有一定影响。 3 二叠系山西组砂岩裂隙、承压含水层 岩性为灰、灰白色中、粗粒石英砂岩，一般不超过 3 层，上部裂隙发育， 部分充填方解石。厚度变化较大（047.75m） ，最厚 47.75m（11707 孔） ，局部 尖灭，一般 710m。 据 XX 孔和 XX 孔抽水资料，该含水层静水位标高 218.54269.48m，单位 涌水量 0.000490.034L/sm，渗透系数 0.0064940.28m/d，水化学类型为 HCO3 ClCO3SO4 (K+Na)型。该层富水性弱，是二 1煤层顶板直接充水 含水层。充水形式以淋水为主，对煤层开采影响不大。 第四系砂、卵石孔隙含水层 仅在北部颖河一级阶地（河漫滩）下部砂、卵石层中含丰富地下潜水。水 位随季节变化，对开采其下部浅埋煤层有一定影响。 1.1.2 隔水层 石炭系上统本溪组铝质泥岩隔水层 上覆在 3和 O2灰岩地层之上，灰色铝质泥岩，层位稳定。厚度变化大， 据矿区资料：最厚 31.9m（11904 孔） ，最薄 4.00m（11505 孔） ，平均 10.45m， 一般 6m 左右。隔水性能良好（局部较薄，隔水能力减弱） 。 石炭系上统太原组中部砂泥岩段隔水层 由砂质泥岩、泥岩、细砂岩等组成，厚度 12.0519.64m，平均 16.2m，一 般 15m 左右，对太原组上、下段灰岩含水层具良好的隔水作用。 二 1煤层底板砂泥岩隔水层 自二 1煤层底板至 L7-9灰岩含水层顶，岩性主要由深灰色砂质泥岩、泥岩 等组成，为二 1煤层直接底板隔水层。最厚 13.55m（11508 孔） ，最薄 1.92m（2-2 孔） ，一般 510m，具一定隔水能力。局部厚度变薄，隔水能力相 应降低，要注意底鼓突水隐患。 二 1煤层顶板隔水层 指二 1煤层顶板含水层与二 1煤层之间的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等。厚薄 不一，一般 20m 左右，层位稳定，裂隙不发育，透水性差，为二 1煤层顶板良 好隔水层。 4 1.2 断层水文地质特征 北部边界 XX 断层，走向 NE55，倾向 NW，倾角 55-60，东南盘升，西北 盘降，为一高角度正断层，断距 80-250m。矿区二 1煤层与其西北下降盘下石盒 子组对接。该断层实为矿区水外排导水边界断层，但据补 2 孔抽水资料，该断 层无水，说明该断层为局部隔水断层。 南部边界断层 XX 走向大致与 XX 断层平行，倾向 SE，倾角 70，断距 4560m。矿区内二 1煤层与东南下降盘山西组上部细碎屑沉积岩对接。实为矿 区水外排导水边界断层，但区内该断层带附近 XX 孔在孔深 291.75m 遇破碎带， 全孔冲洗液消耗量稳定在 0.2m3/h，最大 0.4m3/h。由此说明该断层带为一充水 边界。井下有 XX 工作面切眼揭露。井下观察其导水性不强。 南部 XX 正断层总体走向 NE60，倾向 NW，断层倾角地表为 40-45，落差 30-50m，该断层有地表断层点控制，在井下掘进开采中 XX 机巷、XX 副巷、下 山二平巷均遇见，其中下山二平巷量取断层走向为 SW235，倾向 NW，倾角 53，断面与煤层斜交，下部落差小于地表，约为 15m 左右。据井下资料显示， 该断层在井下部分区段未切断煤层，但造成煤层产状的显著变化，在 XX 采区倾 角变大，约 18，断层附近顶板有滴水现象。根据以上情况分析，该断层应为 缓倾角的滑动构造，断面在二 1煤层附近倾角变缓，水平运动量增加，垂向地 层缺失量减少，所以在井下表现为断层落差变小，如在 XX 及 XX 采区,未影响工 作面的布置。 XX 断层。位于矿区北部石淙河断层附近，为区域性断层，走向 50左右， 倾向北西，倾角 3035 。上盘为三叠红层，下盘为煤系地层，因倾角平缓， 未影响到矿区二 1煤层的赋存，在矿区边缘有 XX、XX 钻孔控制。在 XX 孔深 122.10m 出遇断层挤压破碎带 4.60m，上部为三叠红层，下部为二叠系山西组， 缺失 1400m，XX 孔深 292.80m 遇断层带，同样为三叠系红层和二叠系山西组直 接接触。XX 孔深 23.50m 遇断层带，上部为三叠系红层，下部为二叠系下石盒 子组，缺失 1100m，初步判断该断层为阻水断层。 1.3 地下水的补给、径流和排泄 矿区东部及东北部为二 1煤层露头及隐伏露头区。地表颖河水自西北向东 南从此穿过，且河漫滩松散层孔隙潜水也会沿孔隙、裂隙渗入矿层，形成矿区 的最近补给区，且以大气降水补给为主，颖河水渗漏补给为辅。 5 区内总体构造为单斜，地层倾向总体为 NW。潜水流向受地层、构造、地势、 地貌的控制，所以本区地下水的迳流方向为 EW、NESW。区内地下水的排泄 除了泉、矿井、机井及供水井外，其余部分则通过迳流方式向西南排泄到区外。 2 井下长观孔设计 2.1 钻孔布置原则 本次布置施工的观测孔与已有观测孔相结合，形成相对完整的地下水动态 观测系统。钻孔布置原则有： （1）满足水文地质监测的前提下，通过取芯钻进，进一步查明二 1煤层底 板以下各含水层发育情况，实现部分勘探钻孔功能； （2）以矿井北翼为工作重点； （3）结合地下水流向，以观测线形式均匀布置钻孔； （4）长观孔应充分考虑矿井采掘工程的规划而布设，根据地形条件、施工 条件、钻孔保护要求以及不影响煤矿安全生产等因素确定孔位，以便永久保留。 2.2 断裂构造对布孔影响 井田南部边界断层 XX 正断层，据XX 煤业有限公司矿井水文地质类型划 分报告 ，该断层为矿井南部充水边界。井田南部发育 XX 正断层，井下采掘巷 道曾揭露该断层，随深度延伸，断层倾角逐渐变缓，具有滑动构造特征，破坏 了煤层及其顶底板完整性，但就巷道实际揭露情况看，该断层富水性较弱，未 导通深部高承压含水层。目前矿井采掘工作面均布置在北翼，相应地下水动态 系统也以控制北翼为主，矿井南翼断裂构造一般情况下对观测孔布置无影响。 井田北部边界断层 XX 断层，为一区域性正断层，据 XX 孔抽水资料，该断层无 水，说明该断层为局部隔水断层，对本次观测孔布置影响较小。 2.3 钻探工程布置 本次长观孔工程拟布置钻孔 4 个，基本位于矿井北翼范围内主要下山及暗 斜井内，观测目的层位有 L7-8灰和奥（寒）灰，其中井 1 孔、井 2 孔、井 4 孔 终孔层位为奥（寒）灰，井 3 孔终孔层位为 L7-8灰。 本次预计钻探进尺 411m，钻孔坐标及相关参数见表 2.1，钻孔布设方案见 6 图 2.1。 表 2.1 井下长观孔相关参数一览表 钻孔 名称 孔口坐标 施工位置 开孔层位 终孔层位 设计孔深 （m） 取芯层段 施工方案 井 1 X=XX Y=XX Z=XX XX 二 1煤层底板 奥（寒） 灰 110 进入奥灰 0.5m 以 上取芯 垂直孔 井 2 X=XX Y=XX Z=XX XX 二 1煤层顶板砂岩 奥（寒） 灰 145 进入奥灰 0.5m 以 上取芯 垂直孔 井 3 X=XX Y=XX Z=XX XX 二 1煤层顶板砂岩 L7-8灰 42 全取芯 垂直孔 井 4 X=XX Y=XX Z=XX XX 二 1煤层底板 奥（寒） 灰 114 进入奥灰 0.5m 以 上取芯 垂直孔 由于观测孔所在区域地层厚度变化较大，设计参数取其中间值，终孔深度 以实际揭露的地层深度为准，揭露 O2 + 3厚度原则上不超过 40 米，以涌水量 满足观测要求为准。 图 2.1 井下长观孔平面布置图 2.4 钻孔结构和技术要求 1、钻孔结构 出于安全施工目的，钻孔均设计为多级变径结构，逐级下入相应套管并固 管，安装孔口闸阀，根据终孔孔径确定开孔孔径，终孔孔径裸孔段均为 75mm。 钻孔结构设计详见表 2.2，单孔结构示意图见图 2.2、2.3、2.4、2.5。 2、钻探施工技术要求 （1）岩芯采取 7 井 3 孔要求全取芯，井 1、井 2、井 4 孔要求进入奥灰 0.5m 以上段为全取 芯，以下为无芯钻进。通过钻孔取芯，水文地质钻孔又起到了地质勘探孔的作 用，对于探查二 1煤层底板以下地层发育情况具有一定意义。要求设计取芯层 段正常地层岩芯采取率不低于 70，破碎带(层) 岩芯采取率不低于 50%，岩 芯要冼净，按顺序排列整齐，妥善保管，对岩芯必须进行详细描述，内容包括： 岩石名称、粒度、分选性、颜色、矿物成分、岩石结构、胶结物成分及胶结程 度等。 （2）简易水文观测 要求准确记录各主要含水层的岩层层位、名称、换层深度，钻孔出水后记 录出水深度及水量，揭露整个含水层后观测水量、水压、水温等水文资料。水 量测量采用容积法或流量计法，要求测量准确。水压观测须使用精度不小于 0.05MPa 压力表，观测时间不小于 4h，以最终观测数值为准。 （3）冲洗液要求 尽可能采用清水钻进，遇软弱地层或破碎带成孔困难时可考虑使用泥浆钻 进。 （4）套管及孔口阀要求 为施工和使用安全，钻孔套管必须牢固安装。套管为无缝钢管，丝扣连接。 根据套管长度、孔径计算所需浆液体积，用水泥单液浆一次注浆封闭，要求管 外间隙浆液均匀饱满，凝固时间不低于 24h。水泥凝固扫孔进行耐压试验，耐 压试验压力不小于水压 2 倍，耐压时间不小于 20min，检查孔壁及围岩无漏水、 渗水方为合格，否则重新进行封固。合格后套管上安装高压水闸阀，水闸阀抗 压能力不小于水压。 8 图 2.2 井 1 孔钻孔结构示意图 9 图 2.3 井 2 孔钻孔结构示意图 10 图 2.4 井 3 孔钻孔结构示意图 11 图 2.5 井 4 孔钻孔结构示意图 12 表 2.2 设计长观孔钻孔结构一览表 开孔（一级套管） 变径（二级套管） 变径（三级套管） 裸孔段 孔号 孔径 (mm) 管径 (mm) 长度 (m) 孔径 (mm) 管径 (mm) 长度 (m) 孔径 (mm) 管径 (mm) 长度 (m) 孔径 (mm) 长度 (m) 井 1 133 127 25 94 89 74.5 / / / 75 35.5 井 2 133 127 10 114 108 44 94 89 115.5 75 29.5 井 3 133 127 18 94 89 25.5 / / / 75 16.5 井 4 133 108 20 94 89 75.5 / / / 75 38.5 套管深度可根据现场施工情况适当调整，以实际揭露地层情况为准，施工 过程中如揭露煤层较厚，可考虑预留一级护壁管空间，防止煤层段塌孔。 （5）原始记录 各项原始记录必须使用钢笔填写，做到填写及时、准确、齐全、清楚，并 妥善保管，不得追记或写画与生产无关的内容。对写错的地方只准划改不准涂 改，且划改不得超过三次。 3 安全施工保证措施 3.1 钻机操作规程 1、施工人员经过培训，要熟悉钻机的各种性能和操作程序以及简易故障的 处理方法和不同岩石的压力、转速要求等，做到熟练操作，以防造成事故。 2、钻机基础必须水平，钻机安设使用液压支柱固定，防止水压太大顶起钻 机。 3、固定好钻机后，应仔细检查钻机各部件安装是否正确，并用手转动其各 有关部件，以检查其是否灵活，检查油管是否有破损，如果有问题应及时解决。 4、将钻机操作手柄均置于空档位置，然后再起动电机，检查电机及回转、 升降、卡盘是否正常，发现问题及时调整。 5、严格执行钻具检查制度，对钻杆接头、丝扣、磨损、弯曲度等认真检查， 凡钻杆直径单边磨损达 2mm，或均匀磨损达 3mm，每米弯曲超过 3cm 及各种钻具 有微小裂隙，丝扣严重磨损、松动或其它明显变形时，均不得下入孔内。 6、上述条件达到要求后，可安装钻具，然后起动水泵（或闸门）向钻孔内 供水，开始钻进。 7、钻机开始钻进或起钻时，严禁转动手柄进入倒档（即立轴倒转） 。 13 8、钻机钻进时操作人员不准离开钻机，并做到“三看” 、 “二听” 、 “一及时” 。即看操作（档位）把手振动、给进压力和进尺速度，看泵压表及回水情况， 看皮带及水接头情况；听机器运转声，听孔内振动声；发现异常及时停钻处理。 9、钻进过程中若发生机械故障或突然停电，应立即拉开动力开关，并用人 力将钻具提到安全孔段，以免埋钻。 3.2 安全技术措施 1、所有下井人都必须严格按照煤矿安全操作规程进行操作，严格遵守 规章制度，必须随身携带矿灯、自救器，正确佩戴安全帽、穿胶鞋，严禁穿化 纤衣服，严禁携带烟草等点火物品。 2、所有施工人员必须熟悉井下避灾路线，出现异常情况时能够根据调度室 指令有序撤离。 3、打钻地点必须有良好的供电、通风和供排水系统。钻机供水水量不小于 15m3/h，钻场排水能力不小于 80m3/h，同时保证水仓有效容积满足要求。 4、施工人员必须持证上岗，无证不得操作。施工过程中，每班不得少于 1 名熟练工，严禁一人操作多项，钻场操作人员必须通力合作、密切配合，互相 照顾。 5、施工地点必须有良好的通风条件，三班都要佩带瓦斯便携仪、一氧化碳 便携仪，并使之处于工作状态，瓦斯便携仪、一氧化碳便携仪悬挂于孔口上方 0.81.0m 处，发现异常及时撤人并汇报矿调度室。开钻前必须检查有害气体 含量，当瓦斯浓度超过 0.5%时，不得开钻。 6、工作人员进入钻场必须首先检查钻场及其周围的安全状况，观察巷道顶 板岩层