新15101工作面探放上部3号煤老空水设计及安全技术措施.docx
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新15101工作面探放上部3号煤老空水设计及安全技术措施
山西煤炭运销集团盛泰煤业有限公司
15101工作面探放上部3号煤老空水设计及安全技术措施
一、工程概况
盛泰煤矿15101工作面位于中央采区东南部,是盛泰煤矿首采工作面,工作面地面东邻北社村,北部为未开工的15#煤层15102工作面原始煤层区域,运输回风顺槽西侧分别和中央胶带大巷、中央回风大巷相连;15101工作面长度150m,走向长度730m,综合机械化开采;现工作面已经形成,巷道采用综合机械化掘进;回风顺槽设计净宽4.5m,净高3.5m,施工断面S=15.75m²,运输顺槽设计净宽5m,净高3.5m,施工断面S=17.5m²,15101切眼设计净宽7.8m,净高3.5m,施工断面S=27.3m²,均为矩形断面沿煤层顶板掘进,锚网锚索联合支护。
根据中央轨道大巷、中央胶带大巷、中央回风大巷、15101回风顺槽以及15101运输顺槽实际揭露情况分析,15101工作面位于宽缓的背斜构造上,背斜轴部位于260m,背斜西翼煤层倾角为1°~11°平均倾角为3°,背斜东翼煤层倾角为1°~5°平均倾角为3°,整个工作面地质条件简单,根据地质报告、和掘进过程中的物探和钻探验证情况,15101工作面内无断层、陷落柱等构造。
15101运输顺槽在420米时物探出现低阻异常区,钻探无异常,钻孔没有水,但在施工时440米顶板有少量K2灰岩岩溶淋水,470m水量明显增大,涌水量观测为5.2m³/h,随着工作面向前推进,工作面后巷道水量逐渐减少,工作面迎头水量一直为5m³/h,540米到560米处顶板K2灰岩节理发育,迎头水量最大至9.8m³/h,水源经化验分析为岩溶裂隙水。
15号煤层顶板为K2灰岩,K2灰岩厚度为10.28m,底板为灰黑色泥岩或粉砂岩,层理较发育。
2、矿井充水水源分析
1、底板奥陶纪灰岩水:
15101工作面煤层底板标高在﹢912~﹢883m之间,该处奥灰水位为+627m,奥灰水对开采15号煤层采掘不产生影响,工作面不存在带压开采问题。
2、煤层顶板K2灰岩岩溶裂隙水
15号煤层的直接充水含水层为顶板K2灰岩岩溶裂隙含水层,15号煤层顶板含水层水源补给差,根据矿井地质报告,钻孔的单位涌水量为0.0004~0.027L/s·m,含水层渗透系数为0.0031~0.092m/d,属弱富水性含水层,但具有较大的不均匀性,局部受构造、埋藏等因素的影响,也有富水性强的情况,加强我矿掘进的过程中防治水工作,在接近地质构造带或下坡地段附近顶板淋水加大,水量一般介于2~19.2m³/h,增加排水设备强排一段时间即可,顶板水对生产影响不大。
3、上覆3#煤小窑采空区积水
15101回风顺槽与15101运输顺槽开口到300m为上方的老窑是鱼仙山煤矿,鱼仙山煤矿开采3号煤层,生产规模为0.03Mt/a,2005年12月关闭;运输大巷采用木支护,皮带运输,采煤方法为长壁式。
15101回风顺槽300m至切眼为山西建宁北社煤业有限公司煤矿,开采3#煤,生产能力5万吨/年,该矿沿西和南西方向布置运输大巷,采用短壁刀柱式一次采高的采煤方法进行地下开采工作,井下采用矿车运输,竖井罐笼提升,井田北部和西部大部分地区均已形成采空区,南东部也都被老空区所覆盖。
根据山西省煤炭地质物探测绘院提供的首采区物探报告,15101工作面存在两处异常区域,其中15101顺槽开口至160m,为高阻异常区域,专家分析不排除有积水的可能,在15101运输顺槽470m至切眼,15101回风顺槽600m至切眼此处存有低阻异常区域,K2灰岩、3#煤采空区,K5灰岩都存有不同程度的积水,预计积水面积64825m²,根据相邻ZK4-3号钻孔资料知,3#煤厚度为5.7m,上部为采区(洞)高1.1m,向下为冒落堆积物,由粉砂质泥岩、泥岩、煤等组成,该孔包括3#煤层位。
积水量估计大于43000m³,采空区积水系数按0.3计算,与15101工作面对照,积水区在15101工作面700m位置正上方。
4、积水区的安全性论证:
积水区安全性验算
15号煤层厚度为5.39m,根据冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式,顶板为石灰岩、硅质石英岩、砾岩、砂质页岩全部跨落方式管理顶板时其公式为:
式中:
He—冒落带最大高度;我矿最大冒落带高度为26.95m;
He—导水裂缝带高度m;
M—煤层累计采厚m,取4.17-5.39m;
导水裂缝带高度为103.8~130.97m。
根据冒落带与导水裂隙带最大高度的经验公式,顶板为砂质页岩、泥质砂岩、页岩时全部跨落方式管理顶板时其公式为:
式中:
He—冒落带最大高度;因此最大冒落带高度为21.56m;
He—导水裂缝带高度m;
M—煤层累计采厚m,取4.17-5.39m;
导水裂缝带高度为63.83~81.02m。
考虑开采3号煤层时底产生一定深度的采动破坏带,据经验数据,一般为10~15m,开采15号煤层时最大导水裂缝带理论高度为:
119.78+15=134.78m,81.02+15=96.02m
积水区距15101工作面垂直距离平均为109.89m,在15#煤层顶板距3#煤底板为灰岩、石英砂岩、页和砂质页岩、泥质砂岩、页岩互层,同时结合我矿东北相邻的裕兴煤矿在回采15101工作面回采时地面产生了较大裂隙的情况,产生的裂隙带高度可达在150m以上,为切实做到先治后采,必须对积水区采取探放水措施。
本次探放水设计的主要目的是:
疏放K5灰岩岩溶裂隙水和原建宁北社与鱼仙山煤矿3#煤层积水区积水。
二、探放水工程设计
探水钻机采用现有的ZYW-1200煤矿用全液压坑道钻机施工。
根据积水区与15101工作面的相对位置关系,为不影响采面安装,结合钻机的性能,确定探水钻场设置在15101运输顺槽1号、2号、3号探放水硐室进行,探水硐室规格为长×宽×高=4m×4m×3.5m,支护方式采用锚网支护。
本次设计3个钻场,其中1#钻场设计3个钻孔,2#钻场设计5个钻孔,3个钻场设计2个钻孔,本次放水共施工10个钻孔,总工程量为1257.85米。
放水孔设计终孔孔坐标(6°带西安80坐标):
1#钻场
X=3978904.72Y=688612.619Z=889.730
孔号
钻孔方位
倾角
深度
孔径
1
0°00ˊ00〞
71°10′01〞
123.97m
Φ75mm
2
105°00ˊ00〞
66°27′13〞
128.28m
Φ75mm
3
315°00ˊ00〞
71°10′01〞
123.91m
Φ75mm
2#钻场
X=3978903.722Y=688702.927Z=891.730
孔号
钻孔方位
倾角
深度
孔径
1
0°00ˊ00〞
59°13′25〞
136.8m
Φ75mm
2
60°00ˊ00〞
59°13′25〞
136.8m
Φ75mm
3
90°00ˊ00〞
59°13′25〞
136.8m
Φ75mm
4
120°00ˊ00〞
59°13′25〞
136.8m
Φ75mm
5
300°00ˊ00〞
59°13′25〞
136.8m
Φ75mm
3#钻场
X=3978743.782Y=688710.255Z=892.30
孔号
钻孔方位
倾角
深度
孔径
1
180°00ˊ00〞
62°57′23〞
131.96m
Φ75mm
2
198°00ˊ00〞
62°57′23〞
131.96m
Φ75mm
考虑我矿主排水能力,本次设计钻孔放水流量控制在50m3/h左右,在3#钻场附近设1个20m3临时水仓,设50m3/h排污潜水泵一台,2#钻场设50m3临时水仓1个,设离心泵2台,型号为MD85-45*4水泵2台,排水管路采用目前的108的排水管路,共2趟排水管路。
目前矿井正常涌水量30m3/h,放水期间矿井主水泵总排水量在120m3/h以下,探放水前井底主排水系统形成,水泵流量为280m3/h,扬程86m,1台工作,1台备用、1台检修。
钻孔孔径选择:
钻孔放水期间,钻孔单孔出水量按100m3/h,根据
计算:
s=100÷(3600×0.62√2×9.8×60)
=0.0013m²
式中
q——单孔出水量,m3/h;
C——流量系数,一般取0.6~0.62;
s——钻孔的断面积,m2;
g——重力加速度,9.8m/s2;
h——钻孔水文处的水头高度,m。
为计算钻孔的平均放水量,可取最大水头高度的0.4~0.5。
放水时考虑钻杆不拔出钻孔,钻杆直径为Ø50mm。
根据s=π(r孔²-r杆²)计算:
r孔²=(s+πr杆²)/π
=(0.0013+3.1415926×0.025²)/3.1415926=0.00104m²。
r孔=√0.00104=0.032m
经计算:
钻孔孔径确定为Ø75mm。
钻孔采用Ø133mm取芯钻头开孔,开孔长度10m,然后下入Ø108mm套管,经试压后换Ø75mm钻头钻进至终孔。
套管外口焊接高压法兰盘,与安装有压力表、流量计和控制闸阀的三通相连,三通外连接防喷阀门。
钻孔开孔段取出的岩芯要按顺序排列整齐,地测科防治水专业人员要及时对岩芯进行编录并详细检查,看顶板岩层有无孔洞、裂隙等不良情况,确保孔口管固定在稳定岩石中。
探放水孔施工的终孔标准:
1、见3#煤,2、见3#煤老空,3、超出钻孔设计长度10m。
本次探放水结束标准:
放水孔不再继续出水,放水量接近4.3万m³,经验证孔证实无老空水。
验证孔终孔标准与探放水孔终孔标准相同。
探放水工在施工过程中,要注意钻机钻进速度、压力情况、孔口出水颜色判断钻孔是否见老巷、老空以及3#煤,现场做详细记录。
积水区位于15101工作面采动裂隙范围内,回采产生的裂隙会连通到积水区,放水孔终孔后封孔意义不大,同时为防止3#煤层老空水重新积聚造成突水,本次施工不做封孔处理,放水结束后孔口管与排水管联通,并保持阀门常开。
放水孔采用孔口管控制放水量,孔口套管为Ø108×4.5mm的无缝钢管,钢管间使用内外丝连接,每节套管长度2m,丝扣长度为100mm。
孔口管安装三通阀门,15101运输顺槽现已铺设有一趟Ø108mm的排水管路,放出的水从孔口三通和Ø108mm的排水管,经15101运输顺槽、中央轨道大巷、采区主、副水仓,再由主、副水仓排至井底水仓,井底水仓通过排水系统排出地面。
因2号积水区最高水头位127m,孔口耐压试验压力取2倍水头压力,确定为3MPa,孔口闸阀耐压≮3MPa。
三、安全技术措施
1、探放水施工前,由维修队对15101运输顺槽的排水管进行检修、维护,杜绝排水期间“跑、冒、滴、漏”现象的发生,放水期间闸阀处于完好状态,防止放水时高压水流逆流到井下其他地点,如其他地点急需排水时,15101运输顺槽放水地点关闭孔口闸阀暂停放水。
放水期间维修队要加强对排水管路的巡查,有异常情况及时通知放水点停止放水。
2、探水硐室附近安装有一台型号为BQG-350/0.2气动隔膜泵,排水量为21m³/h,钻机钻进施工时排水量约15m³/h左右,气动隔膜泵可以满足钻机钻进过程中的排水要求。
3、为实现此次探放水的本质安全,确保即使在孔口控制失效时也不会出现水淹巷道情况,钻孔施工前,由机电科负责在现场安装2台潜水泵(单台泵排水能力30m3/h)备用。
同时,探水队负责在探水点附近开挖临时水仓,以满足潜水泵排水需要和沉淀煤泥、钻渣。
放水前,机电科要对主排水水泵、主排水管路与供电系统全面检查一遍。
4、探水开始前,由监控人员负责在打钻地点安装一部通讯电话,并安排专人管理,保证联络畅通。
井下中央水泵房电话号码为:
8067。
5、本次探水钻机从15101运输顺槽运至探水地点,巷道内无运输设备,采用人工搬运的方法,现巷道内皮带已经拆除,利于搬运,要注意防止磕手碰脚事故,在搬运过程中手不要放在设备下面,同时设备两侧不要站人,防止设备歪倒伤人。
6、本次钻机由15101工作面运输顺槽人工拖运到放水地点,在钻机运输过程中必须有专人负责,做到保证人员和保护好钻机不受损坏,油管接头处必须用纱布包扎牢固;钻机安装时底部用道木垫实,再将钻机四角用压柱压牢,保证钻机架牢固可靠,固定好钻机后,仔细检查钻机各部件安装是否紧固可靠,并用手转动其各有关部件是否灵活。
7、由施工队在探放水前在钻场附近合适位置,备足Ø50mm探水钻杆100根,Ø75mm钻头3个,10根2m长的套管,5个法兰盘和1个配套的闸阀4个法兰盘闷头,做到有备有用,备足盘根、棉纱、海带及必须用的工具、材料。
8、钻孔方位及倾角由地测科测量人员给定中腰线及每个钻场方位和倾角,每次开钻前,地测科人员必须按设计方位和倾角给定钻孔位置,施工时要对中腰线进行保护,。
9、施工前,要对施工地点顶板、煤帮等进行全面检查,发现问题先处理后施工。
10、探水施工前由防治水助理组织相关科室进行开工验收,具备开工条件时方可开工。
11、放水前,探放水人员向调度室汇报,调度室调度相关岗位,得到调度室放水命令后方可放水。
12、探水钻孔先用Ø133mm取芯钻头开孔施工,施工10m安装孔口套管,安装时在钢管外围裹上麻丝,然后用铁锤打击或钻机顶进使其到位,为了防止孔内水压过大造成管体脱落,还应将孔口管的法兰盘固定在顶板锚杆上。
13、孔口管安设好后,采用双液注浆泵进行注水耐压试验,注水耐压压力控制在3MPa,当耐压试验时间稳定30分钟孔口不漏水为合格,经耐压试验合格后,方可进行随后的探水工作。
孔口管安装及耐压试压地测科防治水技术管理人员必须到现场验收。
14、探放水期间,硐室内机电设备由机电科负责安排人员每天进行一次防爆检查,保证设备完好。
15、探水工必须经过培训、持证上岗。
探水队每班有班长以上人员跟班作业、每班钻机操作人员不少于3人,并明确责任分工,班长为当班安全第一责任者。
16、打钻必须有主副司机两人进行。
停送电必须由一个人操作。
司机必须熟悉钻机主要结构、性能和工作原理,掌握一般液压传动基础知识,能熟练操作维护和维修。
17、施工前钻工必须学习本钻探施工技术安全措施,掌握施工目的、工艺和技术要求,熟悉现场突发情况的处置方案和避灾路线。
18、卸接钻杆及加水龙头时,严禁开钻。
必须采用立轴卡瓦和逆止阀交替控制钻杆,防止钻杆脱落伤人,操作人员应站在钻架两侧,不准直对钻杆站立。
19、钻探人员要加强责任心,对钻探工作各个环节要了如指掌,随时检查设备的完好情况,钻工要认真观察送水、钻孔的给排水、钻孔内的震动声音等情况。
有异常情况立即进行处理。
严禁设备带病作业,发现问题,及时处理,如当班有处理不了的问题,及时向队部汇报汇报并向下一班交待清楚。
钻进时,给压一定要均匀,防止顶进压力过大造成钻孔偏斜,造成废孔。
20、钻机启动时,注意力要集中,要求手不离按钮、眼不离钻机,动作要准确,及时迅速。
在正常情况下不得随意改变钻机速度,调速时必须停电,变速箱,停止运转后再变速。
机器运转时,禁止用手、脚及其他物件直接制动机器运转部分,禁止将工具或其他物品放在钻机,水泵电机防护罩上。
21、钻机不得在无人照管的情况下运转,钻机任何部位出现故障时都应立即停机检查。
所有防护罩和防尘盖要保持完整和齐全,钻杆螺纹部分,各种接头应经常用刷子清扫,产涂适量黄油。
下班前应将本班工作情况及各种数据,如角度、进尺套管下置深度、岩芯采集、设备运转情况等,全面记录下来。
严格执行现场交接班制度。
22、钻探人员必须每班至少配备便携式瓦检仪两台,一台放置在钻机及开关附近,一台放置在水泵附近。
接近老空或透老空时,必须严密监测钻孔中的瓦斯及其它有害气体情况,若发现钻孔中的瓦斯及其它有害气体浓度增大或异常涌出时,要立即停钻,切断电源,施工人员撤至安全地点,并立即向调度室汇报。
23、当钻孔钻进到距设计长度还差20m时,通风科要安排专职瓦检员在现场对打钻地点的瓦斯等有害气体进行检查。
24、当钻孔钻进到距设计长度还差20m时,要安装好孔口防喷装置后再继续施工,带班矿领导要到探水现场,全面检查各项准备情况。
25、钻孔探到水后,可用立轴卡瓦和逆止阀交替控制钻杆,使其慢慢地退至孔口管外钢管短节位置,钻杆退到位后关闭防喷阀门。
26、探放水期间,地测科全程派人跟班,监督措施落实,及时解决探水中的技术问题。
放水时,地测科人员要监视放水全过程,监测钻孔出水情况,测定水量、水压,并做好记录。
放水过程中若水量异常变化,必须及时立即报告调度室。
并分析原因、进行处理。
四、灾害处理措施
当打钻过程中出现顶钻、吸钻、钻孔水量突然增大、钻孔出水等异常现象,应立即停止作业,查明原因再施工,同时采取以下措施:
1、停止钻探,已打钻杆不要拔出;
2、立即向值班人员或调度室报告,等候指示;
3、涌水量大,情况危急时要发出警报,立即通知受水害威胁地点的所有人员,撤至安全地点,同时利用通讯设备向调度室汇报水情以及可能影响的范围;
4、撤出的人员要按照探放水工程避灾路线或矿井救灾计划规定的线路,撤退到安全地点;
5、调度室值班人员接到采(掘)工作面停钻撤人汇报后,不得迟疑,必须立即通知受水害威胁区域所有人员停止作业,沿矿井救灾避灾路线撤出安全地点升井。
同时向值班领导和主要领导汇报,并根据水害情况大小决定是否通知上级主管部门及周边矿井。
6、根据矿井水害影响程度,如影响通风系统时要及时调整井下通风系统,避免风流短路或紊流,造成有害气体超限。
7、15101运输顺槽巷道中间高、两头低,工作面切眼位于最低位置,根据15101运输顺槽的巷道实际标高,确保孔口完好,设备运转正常,电源正常,在钻场做20m3的水仓,积水全部流出,积水通过现有的108排水管排出,排水不会对其他工作面造成影响。
为对探水地点以外巷道进行风险控制,在探水孔钻探接近老空区或放水期间,要在15101回风顺槽口设置明显标志并采取有效隔离措施,无关人员严禁入内。
8、若发现钻孔周围有发潮、发汗、流水或滴水、钻孔出水、顶板淋水加大等突水预兆是,可能钻孔要发生突水,若发生钻孔突水,在突水初期,现场人员在保证自身安全的前提下,积极采取现场处置,应在现场领导和老工人的组织带领下,可就地取材,加固工作面,尽快堵住出水点;可抢修水泵和排水管,尽快回复排水能力;同时尽可能将排水设备转移转移到不受水淹的地方,以利下一步救灾。
9、现场处置必须坚持“以人为本”的思想,严禁冒险蛮干,严禁人员直对高压水流操作,严禁带电搬运设备,对于受伤的人员,应迅速转移到安全地点进行急救处理,现场处置可能对人身造成危害时必须立即撤出人员。
五、工期及施工组织安排与流程
1、施工放水钻孔工期安排
15101工作面探放3#煤层老空积水。
排水条件具备后开始施工第一个放水钻孔。
施工放水钻孔按4天1个钻孔考虑,移动钻机和设备按1天考虑。
整个工期定为60天左右。
2、施工组织机构
(1)成立项目部组织该项目的实施。
由项目副经理长驻现场,全面负责安排现场工作。
根据现场情况,项目经理、总工、防治水助理不定期到现场检查工作,解决项目进行过程中出现的问题。
具体施工人员10人,队长1人,采用三班作业制,每小班3人,其中1人为带班班长。
(2)疏放老空水施工流程:
、施工条件具备时,矿方地测科和施工方人员进行孔位标定。
、探水队(施工方)按照《疏放水施工措施》施工放水钻孔;
、施工方联合矿方验收工程质量与进度;
、建立钻孔记录成果和验收台帐。
六、避灾路线
当探水地点出现水害事故按以下路线逃生:
1、施工1#、2#钻场的避灾路线为:
15101运输顺槽探水硐室→15101运输顺槽→中央轨道大巷→井底车场→副斜井→地面。
2、施工3#钻场的避灾路线为:
15101回风顺槽→中央轨道大巷→井底车场→副斜井→地面。
六、设计附图:
1、钻场、探放水钻孔布置平面图(1:
1000)
2、钻孔剖面图(1:
500)
3、单孔设计
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