L6灰岩水疏水降压孔与观测孔施工方案

1、 安里煤矿L6灰岩水疏水降压孔与观测孔施工方案 附件河南天中煤业有限公司安里煤矿L6灰岩水疏水降压孔与观测孔施工方案二0一四年八月三十日17目 录1. 工程概况12. 水文地质条件分析12.1 二叠系砂岩裂隙水12.2 石炭系灰岩岩溶水22.3 奥陶系灰岩类承压水含水层(O2)32.4 构造的影响32.5 安全水头压力、安全隔水层厚度及突水系数计算32.6 涌水量预测43. 施工方案53.1 疏水降压方案的确定53.2 设备选择53.3 钻场选定与技术要求53.4 钻孔设计63.5 套管83.6 施工技术及注意事项93.6 钻孔结构113.7 钻孔后期管理114. 安全技术措施114.1 井下

2、钻场必须具备的安全设施条件及施工前的准备工作114.2 钻探施工技术要求124.3 钻探施工安全措施124.4 防止突水的应急措施144.5 其他145. 矿井防排水156. 避灾路线15附图1：回风大巷与机轨大巷L6灰岩钻孔布置平面图161. 工程概况安里煤矿回风大巷和机轨大巷为沿地层走向施工的水平巷道，两巷底板标高分别为-470m和-475m，水平间距26m。2014年6月3日，回风大巷掘至493m处揭露FD49断层（倾向135,倾角66，落差20m），断层上盘断面较整齐，岩性为中、细砂岩为主，岩层较稳定。下盘主要为薄层状灰黑色泥岩、碳质泥岩、夹0.2米厚煤线，岩层破碎、松软，稳定性差。断

3、层带充填物为碎屑状泥岩、夹煤屑，钻探探测及巷道揭露显示FD49断层不导水。由于受FD49断层破碎带及巷道下伏石碳系太原组L6灰岩承压水的影响，回风大巷过FD49断层自490m至530m的40m段巷道出现顶板下沉、片帮及严重底鼓，致使工作面停止掘进，进行断层带底板注浆加固。为了避免机轨大巷施工中出现类似问题，确保施工安全及巷道工程质量，在机轨大巷距FD49断层15m位置设置钻场对FD49断层带影响区域约60m段的巷道底板进行了注浆加固。图1 FD49、FD4断层发育平面示意图2. 水文地质条件分析2.1 二叠系砂岩裂隙水安里煤矿回风大巷和机轨大巷所处地层为倾向近东北的单斜构造，岩层倾角615。主

4、要地层为二叠系下石盒子组底部与山西组交界处地层区域，充水含水层主要为二叠系下石盒子组（P1x）下部的砂岩裂隙含水（俗称：砂锅窑砂岩），岩性以中粗砂岩为主，厚度约1219m，充水类型为砂岩裂隙含水。其含、导水性与裂隙发育程度、规模及裂隙的张开性有关，富水性弱中等，一般含水具可疏性，但受构造影响区域含水性、导水较好。其上下主要为中厚层砂质泥岩和薄层状泥岩，裂隙发育，局部较破碎。2.2 石炭系灰岩岩溶水井田内太原组一般含6层灰岩，厚度45.1562.56m，平均54.13m。其中顶部的L6灰岩单层厚度最大最稳定，厚5.916.74m，平均11.98m（20-3勘探钻孔揭穿L6灰岩厚度为13.5m），

5、上距二2煤平均间距仅15.38m。据勘探报告，该含水层单位涌水量q=0.0030.423L/s.m，平均0.132L/s.m，渗透系数K=0.0416.19m/d，水质类型为HCO3-Ca.Mg型水，矿化度0.170.33g/L。 吴桂桥井田抽水成果还表明，太原组各含水层水力联系密切，在浅部露头区与第四系底部含水层、奥陶系含水层均有水力联系，是开采二煤层的直接充水水源，也是主要充水水源。根据机轨大巷FD49断层带注浆施工钻孔资料，L6灰岩岩溶水对机轨大巷底板静水压约3.0MPa，溶隙发育不均一，富水不均一，钻孔出水具一定补给水源。图2 回风大巷与机轨大巷过FD49断层后N60方向预想剖面图2.

6、3 奥陶系灰岩类承压水含水层(O2)厚度11.70115.28m，岩性主要为石灰岩和白云质灰岩。岩溶溶洞、溶隙发育，单位涌水量q=0.000203 0.928L/s.m，渗透系数K=0.002523.185m/d,水质为HCO3-Ca.Mg型。上距L6灰岩底板平均60.0m，为矿井开采的间接充水水源。2.4 构造的影响根据勘探报告及实际施工揭露情况，回风大巷和机轨大巷前面主要受FD49 断层（70H=30132m）和DF4断层的影响。另外不排除其它次生构造及其他断裂构造的影响。过FD49断层前, 回风大巷和机轨大巷底板与下伏L6灰岩间距分别约为50m、42m。由于受FD49断层抬升作用，预计造

7、成FD49和DF3断层间约400m段两巷道底板与下伏L6灰岩间距变小至30m和22m（见图2）。2.5 安全水头压力、安全隔水层厚度及突水系数计算（1）安全水头压力计算根据机轨大巷FD49断层注浆加固资料，机轨大巷过FD49断层后稳定岩层底板安全水头压力计算如下： 12.12MPa 3.0MPa （公式1）式中 p底板隔水层能够承受的安全水压，MPa；t隔水层厚度，m，取最小值22.0m；L巷道宽度，m，取5.0m；底板隔水层的平均重度，MN/m3，取平均0.023MN/m； Kp底板隔水层的平均抗拉强度，MPa，取0.3MPa。（2）安全隔水层厚度计算t=L(2L2+8Kpp-L4Kp =

8、10.7（m） 22.0m （公式2）公式1与公式2计算结果基本一致，即一般岩层稳定区域不会造成底板灰岩水直接突水，但也不排除由于掘进施工使巷道围岩应力平衡受到破坏及底板破碎、变薄，受下伏L6灰岩水影响发生底鼓甚至滞后突水的可能。（3）突水系数计算机轨大巷底板突水系数：TpM = 3.0MPa22m=0.136MPa/m 1 MPa/m (公式3）回风大巷底板突水系数：TpM = 3.0MPa30m= 0.1 MPa/m 式中 T突水系数，MPa/m； M底板隔水层厚度，m； P底板隔水层承受的水头压力，MPa。就全国实际资料看，底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06MPa/m，正常块段

9、不大于 0.1 MPa/m。因此，两大巷掘进施工均不同程度受L6灰岩承压水危害威胁。综上，虽然公式1、公式2与公式3计算结果存在偏差，结合回风大巷过FD49断层带时巷道变形情况分析，L6灰岩岩溶承压水为回风大巷和机轨大巷在FD49断层与DF4断层区间施工主要的也是直接的水害隐患。2.6 涌水量预测据勘探报告矿井涌水量预测结果（表1），结合矿井实际施工情况，回风大巷与机轨大巷在FD49断层与DF4断层区间掘进施工主要水害类型为底板L6灰岩岩溶承压水，涌水量预测可以参照“地下水动力学法”关于二2煤层观测值，即正常涌水量75m/h，最大涌水量528m/h。 安里煤矿矿井涌水量预测表 表1计算公式计算

10、煤层正常涌水量(m3/h)断层或底鼓导水涌水(m3/h)地下水动力学法三煤层103540二煤层75528比拟法三煤层299正常涌水量开采三煤299 m3/h；后期全矿井374 m3/h。最大涌水量开采三煤839 m3/h；后期全矿井1442 m3/h。3. 施工方案3.1 疏水降压方案的确定底板承压水害防治措施主要有底板注浆改造、底板局部注浆加固、疏水降压、带压采掘作业、加强排水及综合防治措施等。考虑防治水工程施工难易程度、工程进度，前期主要在两巷对FD49断层带进行了注浆加固。注浆加固钻孔垂深至L6灰岩与上覆岩层界面位置，以改变巷道底板至L6灰岩层间软岩的岩性，增加其强度。从回风大巷对FD4

11、9断层带变形区域的修复、U型架棚+反底拱支护情况，目前原底鼓区尚未出现反弹现象，说明注浆加固施工对改造软岩、增加其强度起到一定效果。前期注浆加固施工钻孔均未达L6灰岩岩层，没有对L6灰岩岩溶含水层全厚进行注浆封堵，因此并没有从根本上解决L6灰岩对巷道底板的影响问题。由于两巷在FD49断层至DF4断层之间约400m范围均受L6灰岩承压水的影响，L6灰岩全厚整体注浆加固工程周期长、工程费用高，可操作性差，因此不具整体注浆加固施工条件。机轨大巷FD49断层带注浆加固施工的6#钻孔至64m出水，2.5小时后拔出钻杆测得水量36m/h，水压0.8MPa，关闭闸阀约5个小时后水压缓慢上升并稳定在3.0MP

12、a。说明单位时间内钻孔疏水量大于水源补给量，即L6灰岩岩溶水具一定的可疏性。这就为治理L6灰岩水害提供了另一种有效方案，即疏水降压。因此，除了对底板局部构造破碎带（断层破碎带、陷落柱等）、强导水断裂进行注浆加固外，对两巷 FD49断层与DF4断层间受L6灰岩承压水影响段进行超前疏水降压，减少或消除其在两巷掘进施工中对矿井安全的威胁，是治理L6灰岩水害，保证巷道质量，加快工程进度，降低防治水工程费用的有效措施。为了有效疏水降压，并及时掌握太原组L6灰岩承压水动态变化情况，特编制本方案。3.2 设备选择施工选用杭钻ZLG537型钻机，配合使用河北庄保定2TGZ 60/210型注浆泵。3.3 钻场选

13、定与技术要求（1）根据巷道施工先后顺序及巷道围岩稳定性，机轨大巷3#钻场选在巷道右帮，回风大巷钻场选在巷道左帮，以回风大巷超前疏放为主。（2）钻场规程：直墙半圆拱型，断面规格见图3所示，深度2.0m。（3）支护形式：顶帮锚网喷。锚杆间排距：900mm900mm，喷浆厚度：100mm。（4）机轨大巷3#钻场，位置选在距FD49断层10m位置，此处以砂岩为主，岩层稳定，为不需要U型架棚支护区，钻场便于施工，要求底板平整。 （5）回风大巷为超前施工巷道，每隔80m设置巷帮钻场（兼作探水钻场用）。（6）回风大巷6#9#钻场以泥岩、砂质泥岩为主，岩层稳定性较差，钻场顶、帮除采用锚网喷支护外，根据岩层稳定

14、情况，必要时另补打适量锚索加强支护后喷浆，喷浆厚度100mm。另外，对钻场底板卧底0.5m，卧底周边均超过钻场底边0.2m0.4m（见图3），浇筑C40素混凝土进行强化，同时避免钻进用水和疏水水流对钻场底板的浸泡影响，保证钻场的长期使用。图3 钻场断面及支护示意图3.4 钻孔设计（1）由于FD49断层带不导水，使得断层两侧L6灰岩岩溶水在FD49断层两侧形成相对独立的两个含水区域。本次在机轨大巷钻场（3#钻场）设计施工G1和G2孔，两孔分别终孔于FD49断层两侧、回风巷与机轨大巷主心线下方位置，其中G1为FD49断层上盘区域L6灰岩岩溶水观测孔，G2为FD49断层下盘区域第一个超前疏水降压孔（

15、钻孔布置方式见附图1、图4、图5，钻孔参数见表2）。（2）回风大巷钻孔布置：每个钻场暂设计1个疏水降压孔。为保证对两巷道均能达到疏水降压效果，特选用大角度倾斜孔布孔方式，即钻孔终孔于两巷道中心线下方L6灰岩岩层底板。为适当短两钻孔间距（实际间距保正在6070m之间），钻孔均向掘进前方偏转一定角度，同时也增加了钻孔穿过L6灰岩岩层的有效长度，以便穿透更多的岩溶裂隙或溶洞，起到较好的疏水效果。图4 机轨大巷3#钻场G1、G2孔剖面示意图图5 回风大巷G3G6钻孔剖面示意图（3）钻场及钻孔穿过岩层轨迹与20-3地质勘探钻孔最小法向距离不得小于30m，以防20-3钻孔封闭不良而诱发突水。 回风大巷与机

16、轨大巷L6灰岩水疏放钻孔参数表 表2孔号方位角（）倾角（）深度（m）一级套管（108mm）二级套管（89mm）说明G1111-43861666观测孔G2343-40671646疏水降压G3308-54521636疏水降压G4308-54521636疏水降压G5308-54521636疏水降压G6308-54521636疏水降压3.5 套管依据煤矿防治水规定第九十八条要求，钻孔孔口管长度确定参见下表。岩层中探水钻孔超前钻距和止水套管长度 表2水压（MPa）钻孔超前钻距（m）止水套管长（m）1.01.0-2.02.0-3.03.0101520255101520结合机轨大巷FD49断层带注浆加固资料

17、，钻孔一级套管采用108mm无缝钢管，长度16m。为避免L6灰岩水通过钻孔与其他岩层发生联系而顺岩层裂隙导水，二级套管采用89mm无缝钢管，长度至L6灰岩界面止。套管均选用壁厚大于4.5mm的无缝耐压地质套管（套管结构见图6）。图6 L6灰岩钻套管及孔口结构示意图下套管时必须用管钳备紧丝扣，孔口处用棉纱或黄麻缠绕后将套管砸入孔内。封闭套管选用P.042.5新鲜普通硅酸盐水泥和波美度45Be m=2.43.2的水玻璃。水灰比0.6：1（重量比）配成水泥浆，再与水玻璃配比为1：0.4（体积比），采用循环注浆法进行固管，封孔压力必须达到7.5MPa（静水压力的3倍）。3.6 施工技术及注意事项由于L

18、6灰岩水属于高承压水，水压高、水量大将是钻孔施工的主要特点。钻孔的施工工序为：用133钻孔开孔，钻进16.5m后下入108mm一级套管并注浆固管，凝固72小时后扫孔，扫孔到底经耐压实验合格后，换用94mm取芯钻头钻进，钻至L6灰岩界面后，下入89mm二级套管注浆固管，凝固72小时后再扫孔到底经耐压实验合格后，换用75mm钻头钻进至设计深度（见图6）。3.5.1 钻具组合施工中采用“取芯钻头+岩芯管+导向管+50mm钻杆”组成的钻具钻进。为防止孔斜，选用岩芯管的长度不低于2.0m，导向管长度不低于1.5m，必要时导向管与钻杆间隔组装。3.5.2 钻进参数钻进参数对钻进效率、钻孔质量和施工安全均有

19、直接影响，因此，结合岩石的物理机械性质选择科学合理的钻进方法和钻压、钻速、冲洗液泵量等钻进参数特别重要。钻孔的开孔层位是泥质砂岩或泥岩，终孔层位是泥岩、灰岩，钻进的主要岩石类型有砂质泥岩、粉细砂岩、泥岩、炭质泥岩、煤层。当钻进炭质泥岩、煤粉等松软岩石时，采用硬质合金钻进，硬质合金片的形状采用方柱状，每片合金所需压力为80kg120kg，钻速235r/min，泵量150L/min250L/min。当钻进粉细砂岩等较硬岩石时，选用人造金刚石取芯钻头钻进，孔底压力600kg900kg，钻速140r/min，泵量150L/min。3.5.3 钻进施工由于L6灰岩水水压高，水量大，因此，二级套管钻孔施工

20、前，孔口安装高压防喷装置、钻杆卡持器等防喷反压装置（孔口装置见图6）。如因水量大、水压高、顶钻严重而无法施工，为保证安全，加快进度，可换用50mm小径钻进，然后再用无芯钻头扩孔至设计层位。二级套管施工完成后，采用75mm钻头钻进至L6灰岩底板或进入L6灰岩后钻孔涌水量变大止。终孔判断依据，以钻孔返出岩粉或钻孔出水情况作为判层依据，即钻孔进入L6灰岩后返出泥岩岩粉或钻孔水量增大到一定程度停止钻进。3.5.4 注意事项（1）必须牢固固定钻机，按钻孔设计的方位、角度开孔，防止在钻进过程中因钻机移动而改变钻孔的方位、角度，影响钻孔质量甚至施工安全。（2）钻孔施工时，如遇岩石松软、破碎，难以成孔，将采用

21、取芯钻进至设计深度要求。（3）表2所列二级套管长度仅为参考数据。施工二级套管钻孔时，采用取芯钻进，判断岩层岩性至灰岩或者接近灰岩界面遇水时的钻孔深度，即为二级套管长度，如遇钻孔出水层位较浅，岩芯未达到L6灰岩，则进行分段注浆再扫孔至设计层位来确定二级套管长度。（4）钻孔深度一般以穿过L6灰岩岩层为准，在实际施工中同时考虑钻孔进入L6灰岩实际水压、水量大小决定。（5）如遇钻孔突然出水，且水量、水压较大时，应立即停止钻进，关闭防喷装置，待水压稳定后再拔出钻杆。如果钻孔水出无法埋设二级套管，将对钻孔进行浓水泥浆单液浆或双液浆封堵，注浆压力略大于水压，待浆液凝固后再扫孔钻进至设计层位固管。（6）FD4

22、9断层与DF4断层间，由于构造影响使L6灰岩与巷道底板的间距不能满足施工疏放水钻孔时，应采用底板加固措施，排除水害威胁。（7）超前探水探测FD49断层与DF4断层间存在其他导水构造影响施工安全时，应对其进行堵水注浆，阻断导水通道，排除构造水害。（8）根据钻孔出水量、水压变化情况，如果这些钻孔达不到对巷道底板L6灰岩水疏放目的，巷道掘进过后仍然发生底鼓现象，除进行巷道维修外，需在就近钻场适当补充施工L6灰岩疏水降压孔。（9）G3G6#孔均在相应钻场进行超前探水后施工。施工G6钻孔前，首先对DF4断层进行探测与治理，根据DF4断层位置、发育规模和导水情况确定是否施工G6。3.6 钻孔结构为确保安全

23、，便于水压、水量观测，钻孔采用双闸阀控制结构。钻进结束后，将高压防喷装置拆卸，依次安装高压闸阀、三通、压力表、高压疏水闸阀及疏水管接头（图7）。图7 L6灰岩水钻孔结构示意图3.7 钻孔后期管理（1）钻孔水量水压控制钻孔施工结束后，根据矿井主排水能力，在确保巷道无底鼓或底鼓量对巷道工程质量无影响的情况下合理控制钻孔放水量。一般钻孔总水量与矿井其他涌水量总和不高于矿井排水系统的正常排水能力。对于各放水孔采用间歇放水，人为控制水压及水量，达到排除水害、保证巷道质量的目的。（2） 控放设备安装矿井动态水文监测系统建成后，将压力计、流量计及水文分站安装在观测钻孔（G1）和放水孔钻孔（G2G6）出水口管

24、路上，监测钻孔水压、水量、温度变化，通过光纤将井下监测数据传输至地面机房矿井水文监控预警系统上。在确保受L6灰岩岩溶承压水水害威胁的巷道底板安全的前提下，根据灰岩水位（水压）的变化情况来动态、合理控制钻孔的放水量。4. 安全技术措施4.1 井下钻场必须具备的安全设施条件及施工前的准备工作（1）井下钻场附近应设直通调度室的专用电话，并确保正常通讯。（2）施工前要疏通事先挖好的水窝，必要时安设排水设施。对水沟进行彻底清理，保持水流畅通。（3）施工人员进入钻场必须首先检查钻场周围的支架、顶板、工作面及两帮的安全情况是否良好，瓦斯是否超限，如有不安全因素，不排除前，不得打钻。（4）风筒必须接至打钻地点

25、，并保证足够的风量，保证巷道的正常通风，打钻时，必须有专职瓦检员检查瓦斯，保证施工地点及打钻过程中瓦斯浓度都不大于1.0%，否则停止作业，采取措施处理后方可正常作业。（5）打钻前对排水设备进行彻底检查，打钻过程中要有专人维护、保证正常排水。（6）要有专人对钻场附近的顶板进行检查维护，避免发生冒顶事故。（7）钻场后方必须保持退路畅通。（8）明确水害避灾路线，并认真贯彻至施工人员。4.2 钻探施工技术要求（1）钻进时，发现岩石松软、片帮、来压或孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等现象时，必须立即停钻，记录基孔深并同时将钻杆固定。立即向矿调度室汇报，及时采取措施，进行处理。（2）钻进中发现有害气体

26、喷出时，应立即停止钻进、切断电源，将人员撤离到有新鲜风流的地点。立即报告矿调度室，采取措施。（3）钻孔内水压过大或喷高压水时，应采用反压和防喷装置的方法钻进，应有防止孔口管和煤（岩）壁实出的措施。（4）背紧工作面，在拦板外面加设顶柱或木垛，必要时还应在顶、底板地点砌筑防水墙，之后方可放水。（5）在钻孔施工中，必须确保防喷装置有效。（6）应做到交接班时不停钻，一个孔打完后起钻必须将钻杆全部退出才可停钻，防止卡钻。（7）开始打钻时，严格按给定的参数进行开孔，保证钻孔符合施工要求。（8）打钻时，要先给钻机上水，钻孔中水流出后，再进行开钻，严禁干打眼。4.3 钻探施工安全措施（1）钻进施工人员配备4名

27、钻工，1名瓦检员，1名工程技术人员。（2）所有钻探设备、用具、材料在地面必须完好、合格，否则不得入井。（3）装、运、卸设备、用具、材料要仔细，绑扎要牢固，注意过往车辆及行人安全，防止碰伤人员或损坏设备及用具。（4）检查并加固钻探工作面及附近的巷道支护，熟悉并清理避灾路线，搞好文明施工，不允许巷道内有堆矸杂物。（5）电器设备必须符合防爆要求，开关放置平稳，电缆吊挂整齐，钻机电机采用风筒布遮盖。（6）钻机控制开关要设专用开关，操作按钮应各设专用电缆，并标注名称，没有司机同意不得随意操作电器设备，避免造成事故。（7）每次开钻前必须重新检查设备、用具、电器的稳固、完好、绝缘程度，试运转一切正常后开钻。

28、（8）开钻后，司机与其它钻探人员要密切配合，钻机停稳前不得装卸钻具；在装卸钻杆人员没有同意前不得开钻。钻机启动和装卸钻杆时所有人员要站在钻杆两侧，严禁站在钻机、钻杆正后面。（10）所有钻探施工人员必须持证上岗，认真学习本措施，并穿着要整齐，扎紧领口、袖口，避免旋转的钻杆通过衣服伤害作业人员。（11）钻进中，注意观察钻机的运转情况；供电、供水状况；提升系统完好程度；各紧固件牢固情况等，发现不符合要求的，待处理合格后方可继续钻进。（12）严格按施工顺序施工，上一工序没有完成不得进行下一工序施工。（13）钻探过程中，严格按钻机操作规程、钻工岗位责任制执行，并要注意以下几个方面：司机要坚守岗位，注意钻

29、机的运转情况，发现异常响声应立即停钻，查明原因并处理好后再行钻进。司机要结合进返水量、岩石的软硬等因素确定适合的钻进速度和给进压力，均匀钻进，减少提、回钻具次数，综合判定拔杆时间，既要保证岩芯采取率又要防止钻头磨损严重而报废和预防埋钻。钻探过程中，每班必须做好原始记录。数据清楚、准确，并在工作面交接班。接班后，重量上班全长及残尺，并在原始记录上出现，防止人为错误。下班后，将岩石按先后顺序摆放在指定地点，标注班次、时间，及时向调度室、队部汇报。记录员必须认真填写原始记录，要求计算每回次进尺、目的层的累尺及厚度、岩芯岩性、钻进异常情况，严禁错写、漏写。技术员应及时审查原始记录，整理资料。（14）施工下斜孔时，应使用孔口垫板，检查叉子、卡瓦是否到位，采取必要措施，防止掉钻事故发生。4.4 防止突水的应急措施（1）及时清理施工巷道杂物、保持排水沟畅通，加强井下排水泵的检查与维护，保证排水系统正常工作。（2）检查井下各处通讯设备，确保处于完好状态，保证通讯畅通。（3）打钻时，如遇到钻孔水压、水量突然增大，应立即停止探水，固定钻杆，严禁移动钻机或拔出钻杆。（4）探水孔深度不到10m即穿透积水区时，所有受水威胁地区人员全部撤出，并汇报矿调度室，