深井矿井工作面探放技术研究

深井矿井工作面探放技术研究

1底板透水率高郭屯煤矿是山东省大河勘探公司培育的一组新井，设计生产能力为240万吨/a，服务年限为52.4a。该煤矿的合并深度超过850米，压力为8mpa。这是大型焦井的一种不可避免的洪水。在采矿和建设过程中，曾多次发生漏水事故。其中，在2008年10月16日的施工过程中，来自西达的底板发生了渗透，最终流量为270吨。郭屯井田位于巨野向斜西翼,为全隐蔽的华北型石炭二迭系煤田,井田内新生界厚度一般为530～650m,平均590m。井田内煤系中的直接充水含水层为3煤顶、底板砂岩裂隙含水层和三灰含水层。3煤层顶、底板砂岩含水层厚度30～60m,为裂隙含水层,富水性弱;三灰含水层厚度比较稳定,平均约5m,为溶裂隙含水层,富水性弱至中等,上述两含水层的补给条件较差。首采1302工作面位于井底车场以西约920m处、回风石门北侧,工作面长200m,设计推采长度682m,是矿井首采工作面,该面采煤主要受顶板砂岩水及底板三灰水威胁,预计瞬间涌水量在400m3/h以上。1地层岩性细砂岩/粉砂岩根据工作面煤层最大厚度4m计算,顶板跨落后,导水裂隙带最大高度为72m,在此高度内,地层岩性以细砂岩或粉砂岩为主,其中:砂岩含水层共有三层,绝大部分水量集中在下部的细砂岩中,钙泥质胶结,厚约8～18m;且赋水性不均一,最大涌水量约300m3/h。2地板承受压力底板含水层为三灰,距3下煤底板约66m,平均厚度3.5m,水压约7MPa,最大涌水量约100m3/h。2工作面探测及施工探放为实现工作面安全采煤,将涌水量降低到安全控制范围,郭屯煤矿在首采工作面采煤前,首先采用井下音频电透视技术对1302工作面进行探测,分析、圈定富水异常区域;针对富水异常区域布置、施工探放水钻孔,并设置控制阀门实现控制放水;通过工作面采煤,验证探放水效果,并进行系统、全面技术总结。2.1含水层富水性区域的发现对首采面1302工作面顶板进行井下音频电透视探测,分别于2009年8月和9月对80m高度范围内顶板裂隙带进行了两次物探分析,共发现四个含水异常区域,并提交了60m高度范围内含水层的富水区域分布图如图1所示。2.2孔和弹簧测试1导水性根据物探分析结果,将主要工程量重点布置在含水异常区,对非异常区、断层导水性进行钻探验证,三灰卸压孔要兼顾将来工作面生产。在工作面轨道巷、胶带巷内共设计钻机房8个、钻孔28个,具体位置如图1所示,其中:顶板探水孔25个,三灰孔3个,孔深在60～120m不等,总钻进2600m。2截水阀门设安装孔口探放水钻孔开孔孔径为130mm,下入孔口管的直径为108mm,孔口管长10～15m,用1.5∶1水泥浆固管,注水试压,耐压能力不小于12MPa,在孔口安装直径100mm的截水阀门后,用直径75mm的钻头钻进至设计位置。3工作面轨道巷、观察结合各含水层富水区域的分布情况,在工作面轨道巷、胶带巷内,自开切眼开始,由里向外,对富水性较强区域进行探放,对富水性较弱区域进行探查。3.1顶板含水层探放水施工从开切眼开始,由里向外进行。1#机房位于工作面开切眼外70m处,共布置5个钻孔,钻孔倾角35°～50°,孔深74～101m,终孔垂高25～72m;底板三灰孔1个。为加快放水量,又在机房外施工5个钻孔。在钻探过程中,机房内5个放水孔均有砂岩水流出,初始水量为3～10m3/h,见水高度多在煤层顶板以上26.92～30.7m之间,出水层位岩性为细砂岩。单孔水量最大为60m3/h。各孔揭露含水层后,钻孔水量迅速增大,放水一段时间(1～2d)后水量明显减小,衰减较快。结合现场探放水实际情况,在2009年9月30日第二次对顶板赋水情况进行探查,探查面积130590m2。探查结果发现,通过一个多月的放水,第一次圈定的开切眼附近顶板1#富水区范围已明显减少。同时沿轨道巷一侧,工作面顶板富水性相对较弱。后来经过在轨道巷(1#机房外)施工的6#、7#检查孔,单孔最大水量仅有10m3/h。由1#机房向外先后在轨道巷内施工了4个钻孔,最大水量为10m3/h左右,水量相对较小,个别钻孔无水。在第一次探查时,在距开切眼280m处,顶板以上40m范围内有富水区存在,但第二次探查时富水区变小,在此前并没有大量的顶板水流出,为安全起见,补打G12、G13孔进行探查,结果钻孔出水量均在5m3/h左右,证明砂岩赋水性相对较弱。3.2工作面细砂岩地层检查胶带巷探放水自9月11日开始,在2#机房(距工作面开切眼50m)共施工7个放水孔,探查高度40.9～76m,钻孔水量在0.5m3/h左右,最大水量不超过1m3/h。含水层为煤层顶板上22～30.5m范围内的细砂岩。根据第二次对工作面顶板进行探查的结果显示,沿胶带巷、工作面一侧富水区共有四处。由于是探放水和工作面设备安装同时进行,钻孔的施工顺序做了调整。先在中间巷施工钻孔4个,探查高度为煤层顶板上20～65m。各孔见水高度都在顶板上20～30m范围内,岩性为砂岩,钻孔水量多在1m3/h左右,最大水量为3m3/h,在胶带巷内施工其它钻孔水量在2m3/h左右,水量衰减较快。3.3灰含水层水位测定2009年9月28日在轨道巷1#机房内施工一个三灰探查孔,在孔深71.2m处揭露三灰含水层,测得水压5.3MPa,初始水量为23m3/h,最大水量为30m3/h。经过27d后,即10月25日复测三灰孔水压为2.5MPa,水量为21m3/h。经计算突水系数由原来的1.15MPa/m降到0.493MPa/m。3.4工作面围岩高年率下的保水水质1)从钻孔的出水量来看,出水量大的钻孔多集中在工作面下方的轨道巷内;各孔见水的初始高度都在煤层顶板上22.6～30m之间,说明工作面轨道巷、胶带巷探放的含水层为同一含水层,且以裂隙水为主;从各富水区的形状来看,富水区的形状多呈不规则椭圆形,椭圆的长轴和工作面开切眼方向近似平行,说明砂岩倾向裂隙较走向发育,且联通性较好;工作面轨道巷、胶带巷标高相差42m,胶带巷的放水时间比轨道巷滞后3d,经下部轨道巷探放后,砂岩水沿裂隙通过钻孔流出,致使胶带巷钻孔无水。2)底板三灰水经过近一个月的疏放,其水压变化相对水量较大,说明三灰水补给水源不充分。3)截止到2009年10月25日矿井联合试生产一个月,1302工作面放水量总计8.4万m3,其中:顶板砂岩水5.9万m3,三灰水2.5万m3。4)探放水前分析预计1302工作面涌水量400m3/h以上,目前工作面已推采完毕,在采煤期间,顶底板涌水量始终控制在40m3/h以下,控制在了工作面排水能力允许范围之内,实现了1302工作面的安全采煤。4钻孔控制要点1)井下工作面探放水必须坚持“物探与钻探结合、物探指导钻探”的原则。只有先进行物探,圈定含水异常区域,布置钻探工程量时才能做到有的放矢。2)钻孔布置应选择顶底板完