40101工作面回风顺槽7号点前106m探放水设计Word下载.docx
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4号煤层顶板山西组碎屑岩类裂隙含水层单位涌水量为0.038L/s.m,渗透系数为0.287m/d,富水性弱,K4砂岩为4号煤层直接充水含水层。
4号煤层底板太原组碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层单位涌水量为0.0202L/s.m,渗透系数为0.1540m/d,富水性弱。
根据《马家岩矿井水文地质类型划分报告》,4号煤层的导水裂缝带最大高度为68.21m,在井田西南部导水裂隙会延伸至地表,而山西组厚度为34.07~62.20m,平均52m,据235号钻孔对山西组碎屑岩类裂隙含水层抽水试验结果,静止水位标高为1163.34m。
40101工作面回风顺槽7号点前106m位置处底板标高约1020m,所以可形成143.34m的水头压差,形成的水压力约为1.43MPa。
根据《娄烦县马家岩煤矿资源整合矿井地质报告》显示,在巷道掘进期间主要受煤层顶板砂岩以及底板灰岩含水层影响,同时,板砂岩以及底板灰岩含水层水量较小,对掘进影响较小。
因此,本次巷道探放水工作以“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则,依照《煤矿防治水规定》等相关规程规范,主要针对煤层前方的含水性以及前方可能存在的含导水裂隙、陷落柱、构造等的探测。
2物探成果分析
根据《山西煤炭运销集团马家岩煤业有限公司40101工作面回风顺槽7号点前106m瞬变电磁超前探测成果报告》巷道前方存在4处相对低阻异常区为描述异常区位置,以探测位置为原点,两帮为X方向(左帮为负,右帮为正),巷道掘进方向为Y方向建立坐标系。
其中:
顺层B、底板D等两处相对低阻异常区位于巷道探测方向左前方,B具体范围为X:
-60~20m,Y:
60~100m;
D具体范围为X:
-70~-10m,Y:
50~100m。
划分该区域为I号相对富水异常区,该异常区低阻范围中等,且经过巷道掘进区域,相对富水性评价为弱。
在顶顺层、底板两个探测方向均有低阻反映。
顶板A、顺层C等两处相对低阻异常区位于巷道探测方向右帮,两处相对低阻异常区距巷道掘进方向较远,对巷道掘进影响较小,不划为相对富水异常区。
本次划分相对富水异常区一处:
I号相对富水异常区:
分布范围X:
50~100m(以探测位置为原点,两帮为X方向,左帮为负,右帮为正,巷道掘进方向为Y方向),相对富水性评价为弱。
在顺层、底板两个探测方向均有低阻反映。
探测巷道开拓前方视电阻率等值线图见图1。
图1(a)40101工作面回风顺槽迎头位置顶板45°
视电阻率等值线断面图
图1(b)40101工作面回风顺槽迎头位置顺层视电阻率等值线断面图
图1(c)40101工作面回风顺槽迎头位置底板45°
3探放水钻孔设计
3.1探放水钻孔布置方式、参数的确定
马家岩煤业有限公司40101工作面回风顺槽沿4号煤底板掘进(角度为5°
),探放水主要对象为掘进迎头正前方的不良异常情况,本次探放水钻孔的布置采用全扇形布置(如图2)。
图2扇形探水钻孔布置示意图
(1)超前距
探水时从探水线开始向前方打钻孔,往往采用“探水—掘进—再探水—再掘进”的方式,循环进行。
而探水钻孔终孔位置应始终超前掘进工作面一段距离,该距离称超前距(如图1所示)。
超前距a可用下式计算
,
式中:
a—超前距,m;
A—安全系数(一般取2~5),本次计算取4;
L—巷道的跨度(宽或高,取其大者)m,本次取4.6m;
P—水头压力,MPa;
Kp—煤的抗张强度,MPa,取0.7MPa;
据235号钻孔对山西组碎屑岩类裂隙含水层抽水试验结果,静止水位标高为1163.34m。
40101工作面回风顺槽7号点前106m处底板标高约1020m,所以可形成143m的水头压差,形成的水压力约为1.43MPa。
经计算a为22.7m,为保证安全,按超前距30m进行探放水钻孔施工。
(2)允许掘进距离
允许掘进距离是指经探水证实无水害威胁,可以安全掘进的长度。
即钻探距离与超前距之差。
探放水钻探距离根据现场实际情况可以取80m,所以本次探放水设计按照允许掘进50m、超前距30m进行设计。
(3)帮距
帮距实际上就是最外侧探水孔所控制的范围,据《煤矿防治水规定》,帮距一般取20m,本次探放水按控制帮距20m进行。
3.2探放水钻孔
为使巷道两帮与可能存在的水体之间保持一定的安全距离,掘进迎头的探放水钻孔向前呈扇形布置,一般不少于3个,本次探放水钻孔根据《山西煤炭运销集团马家岩煤业有限公司40101工作面回风顺槽瞬变电磁超前探测成果报告》和水文地质分析,共设计5个钻孔,本次探放水钻孔采用半扇形布置,钻孔钻进方向剖面图见图4。
横剖面上的钻孔布置见图5。
钻孔布置在迎头的布置见图6。
钻孔终孔靶点纵剖面图见图7。
钻孔施工顺序:
先施工左帮钻孔,即4号钻孔;
为保证迎头正前方安全再施工中间一组钻孔,即1、2、3号钻孔;
然后施工右帮钻孔5号钻孔。
图4探放水钻孔与水平面夹角布置图(纵剖面图)
图5探放水钻孔横剖面布置图
图6探放水钻孔掘进头断面布置示意图
图7钻孔终孔纵剖面图
探放水钻孔施工参数见表1,探放水钻孔巷道迎头布置见图5。
表1探放水钻孔参数表
钻孔号
横剖面夹角(º
)
纵剖面夹角(º
与水平面夹角(倾角)(º
方位角(°
设计孔深(m)
开孔层位
终孔层位
1
5
137
80
4号煤
2
7
3
8
4
+15
6
122
83
-15
152
注:
1.横剖面夹角为过巷道轴线的水平面上钻孔的投影与巷道掘进水平正前方的角度,偏左帮为正,偏右帮为负;
2.纵剖面倾角为过巷道轴线的垂直面上钻孔的投影与巷道掘进水平正前方的角度,仰角为正,俯角为负。
3.倾角为钻孔与水平面的夹角,水平面以上为正,水平面以下为负。
4.钻探施工时根据横剖面夹角(或方位角)和倾角2个参数即可对钻孔进行定位。
3.3探放水施工中的安全措施
矿方为了更好的完善安全施工,根据《钻探安全规程》和《探放水安全规程》做了单独的安全措施,施工过程中严格按照矿方提供的安全措施进行施工。
附件:
探放水钻孔单孔设计
1探放水钻孔方位角度和钻进距离
本探放水设计根据物探成果和水文地质条件共设计探放水钻孔5个。
钻孔的钻进方位和孔深见下表,附表1所示。
附表1探放水钻孔参数表
2探放水钻孔布置方式、参数的确定
1)排水方面的准备
(1)掘进工作面排水系统
包括临时水仓位置及水仓容积、水泵型号及台数、配套管路及敷设路线、最大排水能力,自然排水的标明水沟断面,应能满足最大涌水量的要求。
(2)探放水钻孔单孔出水量计算
单孔涌水量预计公式一
单孔出水量:
(公式一)
q—单孔出水量,m3/s;
c—流量系数,一般取0.6~0.62;
ω—钻孔的断面积,m2;
g—重力加速度,g=9.8m/s2;
h—钻孔出水口的水头高度,m。
计算钻孔的平均涌水量时,h可取最大水头高度的40%~45%。
公式参数取值中h—钻孔出水口的水头高度(m)的取值大小对单孔涌水量计算结果影响较大,据235号钻孔对山西组碎屑岩类裂隙含水层抽水试验结果,静止水位标高为1163.34m,所以h应取为1163.34m与巷道开拓底板标高之差值的40%~45%,但由于本公式中参数h为钻孔出水口的水头高度(m),所以基于以上取值方法的计算结果偏大,可作为单孔最大涌水量参考值。
基于公式一,本次探放水钻孔单孔涌水量计算如下:
c—流量系数,取0.6;
ω—钻孔的断面积为0.0024m2,钻孔孔径为0.055m;
40101工作面回风顺槽7号点前106m处底板标高约1020m,所以可形成134m的水头压差,取h为最大水头高度的40%,所以h取值为53.6m。
将以上参数带入单孔涌水量预计公式一,计算结果为q=0.046m3/s(165.6m3/h)
同时由于放水时压力逐渐降低,钻孔内有杂物堵塞等影响,且实际山西组含水层为裂隙含水层,并非全空间积水水体,所以取出(放)水量系数为0.5,计算得到实际单孔出水量q=0.023m3/s(82.8m3/h)。
单孔涌水量预计公式二
根据能量和质量守恒定律,含水层中的水通过一定长度的单一钻孔流入到掘进迎头空间的过程可以用理想流体稳定流动时的动力学基本规律——伯努利方程来描述和计算。
如图所示,理想流体、稳定流动时,且流动方向从左向右,我们在钻孔的a1处和a2处用横截面截出一段流体,即a1处和a2处之间的流体,作为研究对象,设a1处的横截面积为S1,流速为v1,高度为h1;
a2处的横截面积为S2,流速为v2,高度为h2(为4号煤采空区积水水体);
根据伯努利方程推导整理后得:
p1+
伯努
设定探放水钻孔孔口位置基准面,则在钻孔出水孔处Z1=0,P1/γ=0,同时根据水流在管道流动中单位重量流体沿程水头损失为h损失为
,可以得到钻孔探到4号煤积水区水体的单孔涌水量为:
q=
(公式二)
公式二中,d为钻孔直径(m);
g为重力加速度(m/s2);
H为水头差值,即为4号煤积水区积水最高标高与巷道开拓迎头底板标高之差(m);
L为钻孔孔深;
为老空水在钻孔中流动时的沿程阻力系数,孔径为0.055m时,可取值为0.05。
基于公式二,本次探放水钻孔单孔涌水量计算如下:
d—钻孔直径取0.055m;
40101工作面回风顺槽7号点前106m处底板标高约1020m,所以可形成134m的水头压差根据物探成果,探水距离初步确定为80m,L为钻孔长度取值80m;
可取值为0.05。
将以上参数带入单孔涌水量预计公式二,计算结果为q=0.015m3/s(54m3/h)。
同时由于放水时压力逐渐降低,钻孔内有杂物堵塞等影响,所以取出(放)水量系数为0.7,计算得到实际单孔出水量q=0.0105m3/s(37.8m3/h)。
根据公式一和公式二参数取值可知,公式一计算结果偏大,公式二计算较为合理,在涌水量值使用时,可用公式二计算结果为单孔正常涌水量(37.8m3/h),公式一计算结果为单孔最大涌水量(82.8m3/h)。
根据单孔涌水量预计值和目前实际工作面涌水量,准备好水沟、水仓及排水管路;
检查排水泵、备用泵及电动机和供电系统,确保排水设施运转正常,并达到设计的最大排水能力;
检查水沟、水仓,有淤泥、碎石和受挤压破坏变形的要及时清理修复。
服务于探放水施工的临时排水设施,系统总能力要大于预测涌水量的3~5倍。
水泵流量、扬程、效率等参数满足要求。
排水管路与排水泵能力相匹配,敷设在不被车辆撞击的巷道内。
水仓应容纳2小时涌水量,具有清仓条件。
供电可靠,应采用双电源供电。
临时排水设施应设专人管理。
3探放水钻孔孔径及孔口管要求
本次探放水钻孔使用外径为55mm钻头,形成孔径符合探放水钻孔孔径不得大于75mm的要求。
由于使用膨胀挤压式孔口管封孔,所以建议封孔挤压段长度不小于3m,孔口管必须固定牢固,固管后进行耐压试验,并在孔口管上安装阀门、压力表和流量表。
附图1探放水钻孔结构示意图
各钻孔开孔选用Φ127mm钻头无芯钻进至孔深3.00m,下入Φ108mm孔口管,为避免孔口管腐蚀,建议孔口管采用耐腐蚀软管。
钻孔结构示意图见附图1。
采用膨胀挤压式孔口管时,下入孔口管后应做耐压实验,待压力达到3.0MPa时,调整泵量,保持压力1个小时,若孔口管无松动、管外无返水,则孔口管固管成功;
若孔口管松动或管外返水,则应起出孔口管,扫孔后重新固管,直至固管成功;
若孔口管无法起出,则封孔后重新开孔。
4探放水钻孔施工技术质量及观测要求
(1)施工前应由施工方编制施工组织设计并报送矿技术主管领导批准。
(2)各种勘探工程的施工必须严格执行勘探设计的要求和有关规程的规定。
确有特殊情况需要变更设计时,报请单位主管技术领导及矿方共同批准方可。
(3)加强质量管理,搞好现场和室内质量验收评级工作。
(4)要重视原始记录的重要性,取全、取准第一手资料,切实做到及时、完整、正确、齐全。
各项基础地质资料整理要认真,数据相互吻合,格式统一,书写工整,认真贯彻各项技术管理制度,严格按照规定的评级标准进行原始、基础资料的质量验收评级,保证各项原始、基础地质资料的质量。
(5)钻进过程中出现涌水情况或者涌水量变化时,应对涌水位置、涌水量、水压、水温进行测量并记录,对水质进行化验分析。
5、排水方面的准备
根据《马家岩煤矿水文地质类型划分报告》,4号煤层正常矿井涌水量(预算)900m3/d(37.5m3/h),最大矿井涌水量1200m3/d(50m3/h),矿方应根据最大涌水量准备排水设备,构建最完整的排水系统,包括临时水仓位置及水仓容积、水泵型号及台数、配套管路及敷设路线、最大排水能力,自然排水的标明水沟断面,应能满足最大涌水量的要求。
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