深井礦井工作面探放技術研究

深井礦井工作面探放技術研究

1底板透水率高郭屯煤礦是山東省大河勘探公司培育的一組新井，設計生產能力為240萬噸/a，服務年限為52.4a。該煤礦的合并深度超過850米，壓力為8mpa。這是大型焦井的一種不可避免的洪水。在采礦和建設過程中，曾多次發(fā)生漏水事故。其中，在2008年10月16日的施工過程中，來自西達的底板發(fā)生了滲透，最終流量為270噸。郭屯井田位于巨野向斜西翼,為全隱蔽的華北型石炭二迭系煤田,井田內新生界厚度一般為530～650m,平均590m。井田內煤系中的直接充水含水層為3煤頂、底板砂巖裂隙含水層和三灰含水層。3煤層頂、底板砂巖含水層厚度30～60m,為裂隙含水層,富水性弱;三灰含水層厚度比較穩(wěn)定,平均約5m,為溶裂隙含水層,富水性弱至中等,上述兩含水層的補給條件較差。首采1302工作面位于井底車場以西約920m處、回風石門北側,工作面長200m,設計推采長度682m,是礦井首采工作面,該面采煤主要受頂板砂巖水及底板三灰水威脅,預計瞬間涌水量在400m3/h以上。1地層巖性細砂巖/粉砂巖根據(jù)工作面煤層最大厚度4m計算,頂板跨落后,導水裂隙帶最大高度為72m,在此高度內,地層巖性以細砂巖或粉砂巖為主,其中:砂巖含水層共有三層,絕大部分水量集中在下部的細砂巖中,鈣泥質膠結,厚約8～18m;且賦水性不均一,最大涌水量約300m3/h。2地板承受壓力底板含水層為三灰,距3下煤底板約66m,平均厚度3.5m,水壓約7MPa,最大涌水量約100m3/h。2工作面探測及施工探放為實現(xiàn)工作面安全采煤,將涌水量降低到安全控制范圍,郭屯煤礦在首采工作面采煤前,首先采用井下音頻電透視技術對1302工作面進行探測,分析、圈定富水異常區(qū)域;針對富水異常區(qū)域布置、施工探放水鉆孔,并設置控制閥門實現(xiàn)控制放水;通過工作面采煤,驗證探放水效果,并進行系統(tǒng)、全面技術總結。2.1含水層富水性區(qū)域的發(fā)現(xiàn)對首采面1302工作面頂板進行井下音頻電透視探測,分別于2009年8月和9月對80m高度范圍內頂板裂隙帶進行了兩次物探分析,共發(fā)現(xiàn)四個含水異常區(qū)域,并提交了60m高度范圍內含水層的富水區(qū)域分布圖如圖1所示。2.2孔和彈簧測試1導水性根據(jù)物探分析結果,將主要工程量重點布置在含水異常區(qū),對非異常區(qū)、斷層導水性進行鉆探驗證,三灰卸壓孔要兼顧將來工作面生產。在工作面軌道巷、膠帶巷內共設計鉆機房8個、鉆孔28個,具體位置如圖1所示,其中:頂板探水孔25個,三灰孔3個,孔深在60～120m不等,總鉆進2600m。2截水閥門設安裝孔口探放水鉆孔開孔孔徑為130mm,下入孔口管的直徑為108mm,孔口管長10～15m,用1.5∶1水泥漿固管,注水試壓,耐壓能力不小于12MPa,在孔口安裝直徑100mm的截水閥門后,用直徑75mm的鉆頭鉆進至設計位置。3工作面軌道巷、觀察結合各含水層富水區(qū)域的分布情況,在工作面軌道巷、膠帶巷內,自開切眼開始,由里向外,對富水性較強區(qū)域進行探放,對富水性較弱區(qū)域進行探查。3.1頂板含水層探放水施工從開切眼開始,由里向外進行。1#機房位于工作面開切眼外70m處,共布置5個鉆孔,鉆孔傾角35°～50°,孔深74～101m,終孔垂高25～72m;底板三灰孔1個。為加快放水量,又在機房外施工5個鉆孔。在鉆探過程中,機房內5個放水孔均有砂巖水流出,初始水量為3～10m3/h,見水高度多在煤層頂板以上26.92～30.7m之間,出水層位巖性為細砂巖。單孔水量最大為60m3/h。各孔揭露含水層后,鉆孔水量迅速增大,放水一段時間(1～2d)后水量明顯減小,衰減較快。結合現(xiàn)場探放水實際情況,在2009年9月30日第二次對頂板賦水情況進行探查,探查面積130590m2。探查結果發(fā)現(xiàn),通過一個多月的放水,第一次圈定的開切眼附近頂板1#富水區(qū)范圍已明顯減少。同時沿軌道巷一側,工作面頂板富水性相對較弱。后來經(jīng)過在軌道巷(1#機房外)施工的6#、7#檢查孔,單孔最大水量僅有10m3/h。由1#機房向外先后在軌道巷內施工了4個鉆孔,最大水量為10m3/h左右,水量相對較小,個別鉆孔無水。在第一次探查時,在距開切眼280m處,頂板以上40m范圍內有富水區(qū)存在,但第二次探查時富水區(qū)變小,在此前并沒有大量的頂板水流出,為安全起見,補打G12、G13孔進行探查,結果鉆孔出水量均在5m3/h左右,證明砂巖賦水性相對較弱。3.2工作面細砂巖地層檢查膠帶巷探放水自9月11日開始,在2#機房(距工作面開切眼50m)共施工7個放水孔,探查高度40.9～76m,鉆孔水量在0.5m3/h左右,最大水量不超過1m3/h。含水層為煤層頂板上22～30.5m范圍內的細砂巖。根據(jù)第二次對工作面頂板進行探查的結果顯示,沿膠帶巷、工作面一側富水區(qū)共有四處。由于是探放水和工作面設備安裝同時進行,鉆孔的施工順序做了調整。先在中間巷施工鉆孔4個,探查高度為煤層頂板上20～65m。各孔見水高度都在頂板上20～30m范圍內,巖性為砂巖,鉆孔水量多在1m3/h左右,最大水量為3m3/h,在膠帶巷內施工其它鉆孔水量在2m3/h左右,水量衰減較快。3.3灰含水層水位測定2009年9月28日在軌道巷1#機房內施工一個三灰探查孔,在孔深71.2m處揭露三灰含水層,測得水壓5.3MPa,初始水量為23m3/h,最大水量為30m3/h。經(jīng)過27d后,即10月25日復測三灰孔水壓為2.5MPa,水量為21m3/h。經(jīng)計算突水系數(shù)由原來的1.15MPa/m降到0.493MPa/m。3.4工作面圍巖高年率下的保水水質1)從鉆孔的出水量來看,出水量大的鉆孔多集中在工作面下方的軌道巷內;各孔見水的初始高度都在煤層頂板上22.6～30m之間,說明工作面軌道巷、膠帶巷探放的含水層為同一含水層,且以裂隙水為主;從各富水區(qū)的形狀來看,富水區(qū)的形狀多呈不規(guī)則橢圓形,橢圓的長軸和工作面開切眼方向近似平行,說明砂巖傾向裂隙較走向發(fā)育,且聯(lián)通性較好;工作面軌道巷、膠帶巷標高相差42m,膠帶巷的放水時間比軌道巷滯后3d,經(jīng)下部軌道巷探放后,砂巖水沿裂隙通過鉆孔流出,致使膠帶巷鉆孔無水。2)底板三灰水經(jīng)過近一個月的疏放,其水壓變化相對水量較大,說明三灰水補給水源不充分。3)截止到2009年10月25日礦井聯(lián)合試生產一個月,1302工作面放水量總計8.4萬m3,其中:頂板砂巖水5.9萬m3,三灰水2.5萬m3。4)探放水前分析預計1302工作面涌水量400m3/h以上,目前工作面已推采完畢,在采煤期間,頂?shù)装逵克渴冀K控制在40m3/h以下,控制在了工作面排水能力允許范圍之內,實現(xiàn)了1302工作面的安全采煤。4鉆孔控制要點1)井下工作面探放水必須堅持“物探與鉆探結合、物探指導鉆探”的原則。只有先進行物探,圈定含水異常區(qū)域,布置鉆探工程量時才能做到有的放矢。2)鉆孔布置應選擇頂?shù)装逋?/p>