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矿井水防治设计
YY煤矿20XX年度矿井防治水设计
一、矿井开拓、开采时期防治水设计
1.矿井开拓工程位置及层位选择
YY煤矿正在技改的主、付井和工业场地在原发贡,标高为1192m。
现主、付井筒各已施工500m。
老系统是原YY煤矿;位于技改主井东面1000m,
矿区属缓倾斜煤层,采用盘区布置方式,由于矿井面积较小,全矿井划为个盘区,以矿区拐点1向煤层倾向方向至矿区东南面矿界的连线为分界线,西南为一采区,东北为二采区。
主斜井、付斜井及风井由15号煤层底板进入15、14号煤层,在井底布置井底水仓、车场及盘区变电所。
主斜井、付斜井及风井在二叠系上统龙潭组(P3l)碎屑岩夹石灰岩薄层及煤层中,属半坚硬岩类,工程地质条件中。
由井底车场向矿区东北面沿煤层走向方向布置+1080m运输大巷、+1080m轨道大巷、+1080m回风大巷至一采区边界,后期开采二采区时只需将各条大巷延至二采区边界(即矿区边界)即可开采二盘区煤层,大巷之间采用联络巷相连。
+1080m运输大巷、+1080m轨道大巷、+1080m回风大巷岩石层位为炭质泥岩。
由大巷联络巷开掘运输及回风斜石门向上穿过C15煤层至C14煤层,首采工作面布置于C14煤层内。
采区内采用条带划分分式,依次向东北面划分条带。
为节约投产及矿井建设时间,首采工作面运输巷直接由主斜井与C15煤层的见煤点处沿煤层倾向向上布置工作面运输巷,至采空区保护煤柱后开切眼与工作面回风巷相连,工作面回风巷通过回风斜巷及大巷联络巷与+1080回风大巷相连,形成首采工作面运输、通风系统。
2.采掘工程所采取的防治水设计
1)防治水计划
(1)查明矿区和矿井的水文地质条件,编制中长期防治水规划和年度防治水计划,并组织实施。
(2)必须定期收集、调查和核对相邻煤矿和废弃的老窑情况,并在井上、下工程对照图上标出其井田位置、开采范围、开采年限、积水情况。
(3)每年雨季前,必须对防治水工作进行全面检查。
制定雨季防治水措施,并组织抢险队伍,储备足够的防洪抢险物资。
(6)本区位于娄山背斜南东翼的西南段,总体呈单斜构造,沿走向有宽缓的波状起伏,地层产状平缓,倾角4~18度,大部分倾角在10度左右,走向北西-南东,向南东倾斜。
区内次一级褶皱不发育,断层未见,其含水性差,煤层直接顶板为大隆组弱裂隙含水层,为相对隔水层,直接底板为峨嵋山玄武岩组弱裂隙含水层,为相对隔水层,因此,矿井受断层水、顶、底含水层直接发生突水的可能性小,无需采取探、防、堵、揭、排等方面的措施,但矿井受采空区及老空区积水和地表水下渗形成的裂隙水与矿井开采裂隙进行水力联系对矿井产生突水的可能性较大,因而,本矿井采掘工作面接近采空区、老空区时,应采取探水、放水、防水的措施,是可以保证矿井生产安全的需要的,同时应进一步的探明老空区、采空区的积水范围、积水量,若对采空区、老空区放水时间超过预计时间时,必须采取有针对性的堵水措施。
2)地面防治水
(1)必须先查清矿区及其附近地面水流系统的汇水、渗漏情况,预水能力有关水利工程情况,掌握当地历年降水量和最高洪水水位资料,建立疏水、防水和排水系统。
(2)鉴于井口附近地表水有可能溃入井下,因此,应遵守下列规定:
①严禁开采煤层露头线的防水隔离煤柱。
②容易积水的地点应修筑沟渠排泄积水。
修筑沟渠时,应避开露头、裂隙和导水岩层,特别是低洼地点不能修筑沟渠排水时,应填平压实,防止积水进入井下。
③排到地面的矿井水,必须妥善处理,避免再次渗入井下。
④对漏水的排洪沟,应及时堵漏,地面裂缝和塌陷必须填塞,填塞工作必须有安全措施,防止人员陷入塌陷坑内。
3.井下防治水
1)针对主要含水层(段)建立地下水动态观测系统,进行地下水动态观测、水害预报,并制定相应的“探、防、堵、截、排”综合防治措施。
2)井巷在掘进过程中必须必须坚持“预测预报、有掘必探,先探后掘、先治后采”的原则,先探边掘,掌握前方水文情况,若发现有水患时,应及时采取措施,待确定安全后再向前掘进,并将出水点位置标于井上下对照图或采掘工程图上。
井巷揭露的主要出水点或地段,必须进行水温、水量、水质等地下水动态和松散含水层涌水含砂量综合观测和分析,防止滞后突水。
3)为防止浅部的老窑积水威胁矿井生产的安全,留设足够的防老窑水防水安全煤(岩)柱和井田边界煤柱。
根据有关规定进行计算,该矿井防止老窑积水煤柱留设宽度不得小于30m。
边界防水煤柱的留设宽度为20m。
4)在采掘工作面或其他地点发现有挂红、挂汗、空气变冷、出现雾气、水叫、顶板淋水加大、顶板来压、底板鼓起或产生裂隙出现渗水、水色发浑、有臭味等突水预兆时,必须停止作业,采取措施,立即报告矿调度室,发出警报,撤出所有受水威胁地点的人员。
5)井下排水设施保证完好,所有水仓、沉淀池、水沟要及时进行清理,每年雨季前对矿井防治水工作进行一次全面检查,成立防洪抢险队伍,并储备足够的防洪抢险物资。
6)对于巷道破碎和淋水段特别加强支护,并采取导水等措施以免淋水直接淋至电缆上腐蚀电缆,巷道排水沟按规定设置并及时清理,巷道要保证排水坡度,对于巷道局部地段低洼集水段要设潜水泵或泥浆泵及时排水。
7)以后掘进的开拓、准备巷道应根据井下地层情况选择稳定、淋水小的岩层,尽量避免穿过断层等构造带。
8)凡掘进巷道顺层布置在最低侵蚀基准面以下的含水层(特别是强含水层)之中,或穿层掘过含水层(特别是强含水层)时,必须采取“先探后掘,有掘必探”的防治水措施。
10)要加强水文地质预测预报工作,提前预测和查清采掘工作面前方“断层、裂隙、陷落柱等构造导水性”的基本情况,以便提前采取针对性的防治水措施。
4.建井期间井下临时排水设计
YY煤矿采用平硐-斜井开拓,初期斜井建井期间,在井筒施工过程中每隔100~200m设临时水仓,采用潜水泵将工作面积水排出至斜井井口自流出地面;中期施工井底主副水仓及水泵房,形成矿井排水系统。
后期施工+1080m运输、轨道、回风大巷时,排水沟随成巷而形成,矿井涌水可自流至井底水仓,由水泵经付斜井排出地面。
建井期间,应加强探放水工作,做到“预测预报、有掘必探,先探后掘、先治后采”的原则。
二、防水安全煤岩柱留设的设计
1.防水安全煤柱留设的种类
根据矿井实际需设的防水安全煤(岩)柱的种类如下:
(1)小窑采空区、采空区留设的隔水煤柱;
(2)井筒及工业场地保护煤(岩)柱;
(3)村寨防水煤(岩)柱;
(4)主要井巷保护煤(岩)柱;
(5)断层煤柱隔水煤(岩)柱;
(6)井田边界防水煤(岩)柱;
(7)煤层露头风氧化带隔水煤(岩)柱;
2.留设防水煤(岩)柱的条件
在矿井可能受到水害威胁的地段留设一定宽度或高度的煤(岩)柱,可以堵截水源流入矿井巷道,这段煤(岩)柱称之为防水煤(岩)柱。
通常在下列情况下都应留设防水煤(岩)柱:
1)煤层直接被疏松含水层覆盖或位于疏松含水层以及地表水体之下,而含水层或地表水体又无法疏干时,应留设防水煤柱,以保证开采后顶板冒落及其产生的导水裂隙不波及到含水层或地表水体。
2)煤层局部位于强含水层之下时应留设防水煤柱,以免采空后顶板破坏冒落波及到含水层引起突水。
3)煤层直接与强含水层接触或与强含水层接触又被它局部掩盖时,煤柱的作用前者主要是防止含水层水突入巷道,后者除防止含水层水直接进入巷道外,还应防止煤层采空后顶板冒落波及含水层。
4)巷道接近底板承压含水层时,如有底板突破的危险,则应留设防水煤柱,以防止地下水沿断层或突破底板进入巷道。
5)煤层与充水断层或岩溶陷落柱接触时应留设防水煤(岩)柱,以防止地下水沿断层或陷落柱进入巷道。
6)巷道接近被淹井巷,积水量很大又不宜疏干时,应留设防水煤柱,使矿井生产巷道与被淹井巷隔离。
3.防水煤(岩)柱的留设原则
1)在有突水威胁但又不宜疏放(疏放会造成成本大大提高时)的地区采掘时,必须留设防水煤(岩)柱。
2)防水煤柱一般不能再利用,故要在安全可靠的基础上把煤柱的宽度或高度降低到最低限度,以提高资源利用率。
3)留设防水煤(岩)柱必须与当地的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学性质、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合,与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素互相适应。
4)一个井田或一个水文地质单元的防水煤(岩)柱应该在它的总体设计中确定,即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应,否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难,甚至无法留设。
5)在多煤层地区,各煤层的防水煤(岩)柱必须统一考虑确定,以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤(岩)柱,致使整个防水煤柱失效。
6)在同一地点有两种或两种以上留设煤(岩)柱的条件时,所留设的煤(岩)柱必须满足各个留设煤(岩)柱的条件。
7)对防水留设煤(岩)柱的的维护要特别严格,因为煤(岩)柱的任何一处被破坏,必将造成整个煤(岩)柱无效。
防水煤(岩)柱一经留设即不得破坏,巷道必须穿过煤柱时,必须采取加固巷道、修建防水闸门和其它防水设施,保护煤(岩)柱的完整性。
8)留设防水煤(岩)柱所需要的数据必须在本地区取得。
邻区或外地的数据只能参考,如果需要采用,应适当加大安全系数。
9)防水煤(岩)柱中必须有一定厚度的粘土质隔水岩层或裂隙不发育、含水性极弱的岩层,否则防水岩柱将无隔水作用。
3.防水安全煤柱留设宽度
在受水害威胁的地方,预留一定宽度和高度的煤层不采,使工作面和水体保持一定的距离,以防止地下水或其它水源溃入工作面,必须留设防水煤(岩)柱。
1)小窑采空区、采空区隔离煤柱
(1)巷道在采空区积水区下掘进时,巷道与水体之间的最小距离,不得小于巷道高度的10倍,即10×1.98=19.8m,取20m;
(2)矿井在采空区击水区下同一煤层中进行开采时,若采空区积水区的界线已基本查明,则用下述公式计算隔离煤柱宽度:
L=0.5KM
(其L不得小于20m)
式中:
L——顺层防水煤柱宽度(m);
M——煤厚或采高(m),;
KP——煤的抗张强度(kgf/cm2),KP=10kgf/cm2;
P——水头压力(MPa),矿区侵蚀基准面标高为H1=+780m,矿井最低开采深度标高H2=+550m,则水头压力可近似为P=ρg(H1-H2)/105=1000×10×(780-550)/105=45×104/105=23MPa;
K——安全系数,一般取2~5,K=5
则:
L6号=0.5×5×1.2×(3×25/10)1/2=8.22(m)
L9号=0.5×5×2.53×(3×25/10)1/2=17.32(m)
经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,矿井在采空区击水区下同一煤层中进行开采时,若采空区积水区的界线已基本查明,则在采空区积水区外留设20m隔离煤柱
3)在采空区积水区下的煤层中进行回采时,若采空区积水区的界线未查明,隔水煤柱的尺寸,不得小于导水裂隙带最大高度与保护高度之和,保护高度H110m,即L=H1+[(100M/3.3n+3.8)+5.1]=10+[100×2.53/(3.3×1+3.8)+5.1]=51m,取60m。
经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,矿井在采空区击水区下同一煤层中进行开采时,若采空区积水区的界线未查明,则采空区隔水煤(岩)柱留设为60m。
2)井筒及工业场地保护煤柱
工业场地所在位置位于各开采煤层顶板,主、副、行人斜井穿层布置于15号煤层底板岩层中,因此需留设保护煤柱,于在井筒及工业场地外围取20m围护带,然后按65°自然塌陷角用作图法进行留设。
3)村寨防水煤(岩)柱
在村寨建筑物外围取20m围护带,然后按65°自然塌陷角用作图法进行留设。
4)主要井巷保护煤(岩)柱
由于+1080m水平运输、行人大巷、回风大巷均布置于15号煤层底板岩层中,因此水平运输、行人大巷、回风大巷两侧需按下列公式留设保护煤柱。
L=0.5KM
(其L不得小于20m)
式中:
L——顺层防水煤柱宽度(m);
M——煤厚或采高(m),;
KP——煤的抗张强度(kgf/cm2),KP=10kgf/cm2;
P——水头压力(MPa),矿区侵蚀基准面标高为H1=+780m,矿井最低开采深度标高H2=+550m,则水头压力可近似为P=ρg(H1-H2)/105=1000×10×(780-550)/105=45×104/105=23MPa;
K——安全系数,一般取2~5,K=5
则:
L6号=0.5×5×1.2×(3×25/10)1/2=8.22(m)
L9号=0.5×5×2.53×(3×25/10)1/2=17.32(m)
根据上述公式,经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,+1826m水平回风大巷、回风斜井两侧各留设20m隔离煤柱
5)断层煤柱隔水煤(岩)柱
本区总体呈单斜构造,沿走向有宽缓的波状起伏,地层产状平缓,倾角4~18度,大部分倾角在10度左右,走向北西-南东,向南东倾斜。
区内次一级褶皱不发育,断层未见。
大气降水下渗形成的大量地下水,通过裂隙、断层与强含水层直接发生水力联系的可能性小。
但为了保证矿井的安全生产和建设,在矿井未作进一步的水文地质勘查工作,未确切查明断层与强含水层之间是否有水力联系之前,矿井应采取有效的防范措施,应按照相关规定留足安全煤柱。
L=0.5KM
(其L不得小于20m)
式中:
L——顺层防水煤柱宽度(m);
M——煤厚或采高(m),;
KP——煤的抗张强度(kgf/cm2),KP=10kgf/cm2;
P——水头压力(MPa),矿区侵蚀基准面标高为H1=+780m,矿井最低开采深度标高H2=+550m,则水头压力可近似为P=ρg(H1-H2)/105=1000×10×(780-550)/105=45×104/105=23MPa;
K——安全系数,一般取2~5,K=5
则:
L6号=0.5×5×1.2×(3×25/10)1/2=8.22(m)
L9号=0.5×5×2.53×(3×25/10)1/2=17.32(m)
根据上述公式,经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,断层两侧各留设20m隔离煤柱
6)井田边界防水煤(岩)柱
本矿水文地质条件类型为中等到复杂,井田边界煤柱可按下述公式计算隔离煤柱宽度:
L=0.5KM
(其L不得小于20m)
式中:
L——顺层防水煤柱宽度(m);
M——煤厚或采高(m),;
KP——煤的抗张强度(kgf/cm2),KP=10kgf/cm2;
P——水头压力(MPa),矿区侵蚀基准面标高为H1=+780m,矿井最低开采深度标高H2=+550m,则水头压力可近似为P=ρg(H1-H2)/105=1000×10×(780-550)/105=45×104/105=23MPa;
K——安全系数,一般取2~5,K=5
则:
L6号=0.5×5×1.2×(3×25/10)1/2=8.22(m)
L9号=0.5×5×2.53×(3×25/10)1/2=17.32(m)
经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,井田边界隔水煤(岩)柱留设宽度为20m。
7)煤层露头风氧化带隔水煤(岩)柱
矿区内煤层露头主要以第四系的微透水松散层覆盖,因此煤层露头风氧化带隔水煤(岩)柱可按下列公式计算:
H防=H冒+H保(其H防不得小于20m)=4M+15=3×2.52+15=22.56m
式中:
H防——防水煤(岩)柱高度,m;
H冒——采后冒落带高度,m;
H保——保护层厚度,取15m;
经计算并结合实际情况确定和安全设施设计审查标准,煤层露头风氧化带隔水煤(岩)柱留设宽度为30m。
8)各类煤柱留设尺寸见表6-2-1
9)以上所述各类防水煤柱留设尺寸详见开拓系统、采区巷道布置及机械设备平、剖面图。
三、疏水降压措施
矿井开采中必须注意采动塌陷裂隙的影响,使煤系上覆隔水层发生变化,其采动塌陷裂隙成为上覆含水层中地下水溃入矿井的通道。
矿井根据生产中的情况进一步进行承压水的观测,采取有针对性的防治措施。
各类煤柱留设尺寸见下表
名称
煤柱留设尺寸(m)
备注
井田边界煤柱
20m
采空区防水煤柱
1)20m;2)20m;3)60m
井筒及工业场地防水煤柱
在井筒及工业场地外围取20m围护带,然后按65°自然塌陷角用作图法进行留设。
村寨防水煤(岩)柱
在村寨建筑物外围取20m围护带,然后按65°自然塌陷角用作图法进行留设
断层煤柱隔水煤(岩)柱
20m
主要井巷保护煤(岩)柱
20m
风氧化带隔水煤(岩)柱
30m
地质资料表明:
本矿含水层存在大量地下水的可能性较小,因此设计暂考虑注浆堵水。
对采空区、老窑积水原则上采用探放措施。
当放水时间超过预计时间,而没有放空水的情况下,可参照如下方法堵水。
1、注浆堵水方法及工艺
本方案设计主要通过打探水钻孔到长兴组地层采用预注浆方法改造煤层顶板含水层,使其含水层变成弱水层或隔水层。
本次注浆堵水分为钻孔准备、建立注浆站、注浆系统试运转并对设备及管路做耐压试验、钻孔冲洗及压水试验、造浆注浆、观测与记录、注浆结束后压水、封孔及检查注浆效果等工艺。
2、注浆参数选择
1)注浆孔数
N=π(D0±2A)/L
式中:
N-----注浆孔数;
D0-----巷道掘进净宽,取3.5m;
A-----巷道掘进净宽至布孔圈距离,本设计取0.5m;
L-----注浆孔间距,本设计取3m。
则:
N=π(D0±2A)/L=3.14(3.5±2×0.5)/3=4.71或2.61
经计算及实际需要,本矿注浆孔数取N=5。
2)注浆孔终孔深度
本设计取超过含水层顶板10m。
3)注浆段高
当钻孔较深、含水层较厚时,采用止浆塞分段注浆,其段高可参照下列规定:
大裂隙岩层,段高5~10m;中裂隙岩层,段高30~50m。
4)注浆终压
+1200m水平开采时:
P=(2~3)Hγ/100=(2~3)×25×1÷100=0.75Mpa
+800m水平开采时:
P=(2~3)Hγ/100=(2~3)×425×1÷100=12.75Mpa
式中:
P-----注浆终压,即受注点压力,Mpa;
H-----受注点至静止水位的水柱高度,取1225-1200=25m或1225-800=425m;
γ-----水的比重,取1。
5)注浆凝胶时间
本设计采用水泥~水玻璃浆液,其凝胶时间3~5min,采用孔口混合方式。
6)浆液注入量
Q=SπR2nß=10×3.14×42×1.5%×0.9=6.78m3
式中:
Q-----单孔浆液注入量,m3;
S-----注浆段有效高度,本设计取10m;
n-----有效裂隙,取1.5%;
R-----浆液有效扩散半径,本设计取4m;
ß-----浆液充填系数,本设计取0.9。
3、注浆材料
对煤层底板注浆所选用的注浆材料基本要求是:
1)浆液粘度低,流动性好,能进入细小裂隙和粉砂层;
2)浆液能从液态变为固态;
3)固化时,无收缩现象,固化后与岩石等有一定的粘结性;
4)浆液无毒、无臭,不污染环境,对人体无害;
5)对注浆设备、管道等无腐蚀性,并容易清洗;
6)结石体有一定的抗压、抗拉强度,抗渗性能,能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀;
7)来源丰富,价格便宜;
8)配制方便,操作简单。
根据上述要求,本设计注浆材料选用无机类即水泥~水玻璃类。
其水泥为不过期及未变质的325号或425号普通硅酸盐水泥或矿渣水泥,水玻璃为摸数2.4~3.4,浓度50%以上。
4、注浆配套设备
1)钻机
本矿注浆钻孔的施工选用6台ZDY540(MK-2)型钻机。
其钻进深度75m,开孔与终孔直径75mm,转速60~130r/min,配套动力4KW。
2)注浆泵
根据上述计算,+800m水平开采时的注浆终压P=12.75Mpa,注浆Q=6.78m3,选用2台2TGZ-60/210型注浆泵,1台工作,1台备用,泵压21Mpa,排量16~60L/min,配套功率7.5KW。
XX县YY煤矿
20XX年度矿井水防治设计
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二〇年月日
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