吳紹貴，單忠剛，周明杰，張立新

(黑龍江省七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

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新興煤礦探放水的實(shí)踐與啟示

吳紹貴，單忠剛，周明杰，張立新

(黑龍江省七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院,黑龍江 七臺(tái)河 154600)

本文介紹了新興煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出了探放水方案，進(jìn)行了探放水量、水壓、放水時(shí)間和煤柱寬度計(jì)算，闡述需要做哪些施工準(zhǔn)備工作，詳述了施工順序和要求，探放水最后得以成功。

老空；防水煤柱；套管；止噴帽

七煤集團(tuán)新興煤礦是年產(chǎn)190萬(wàn)t的大型礦井，可采煤層10組，是1/3焦優(yōu)質(zhì)煤。其中58#層厚0.8m，傾角24°。該礦井采用多水平立斜井綜合開(kāi)拓方式。在一水平(-14.5)是生產(chǎn)水平期間，三采區(qū)對(duì)標(biāo)高-14.5到-153.6的58#煤層采取了下山式開(kāi)采。當(dāng)二水平主運(yùn)石門(-280)送達(dá)三采區(qū)下側(cè)時(shí)，58#層采空區(qū)已經(jīng)積滿水，為了安全開(kāi)采其下側(cè)煤層，需要疏干。該礦在七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院專業(yè)人員的指導(dǎo)下，對(duì)探放水設(shè)計(jì)、施工和操作進(jìn)行了周密部署和實(shí)施，取得了探放水成功。

圖1 探放水方案圖Fig 1 Exploration and drainage scheme chart

探放水方案(見(jiàn)圖)：從二水平主運(yùn)巷位置，送一條58#半煤上山，至該煤層預(yù)留防水煤柱的下邊界，落平，停下。然后，從三采區(qū)二水平回風(fēng)上山再送一條上山巖巷，與該頭貫通，構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)。然后，在上山巖巷適當(dāng)位置掘鉆機(jī)硐室，打鉆放水。

1 參數(shù)計(jì)算和施工準(zhǔn)備

1.1 老空水量、水壓和放水時(shí)間的計(jì)算

A.老空水量。

按此式：Q積=∑Q采+∑Q巷，m3

式中：Q積-相互連通積水區(qū)總水量(m3)；∑Q采-相互連通采空區(qū)積水量之和(m3)；∑Q巷-連通采空區(qū)的各種巷道積水量之和(m3)。

經(jīng)計(jì)算得：Q積=∑Q采+∑Q巷=93 830.4+18 707.2=112 537.2(m3)

B.老空水壓。

P=H·r=(153.6-14.5)·r=139.1(t/m2)

式中P-老空水壓(m)；H-開(kāi)采垂深(m)；r-水的比重(t/m3)。

C.放水時(shí)間。

由單鉆孔出水量：

其中C-流量系數(shù)，取0.65；ω-鉆孔流水?dāng)嗝娣e，m2。直徑3英寸管與直徑42mm鉆桿斷面積差為3×10-3m2；g-重力加速度，9.81m/s2；H-鉆孔出口處水頭高度，m，因泄水時(shí)水壓是漸變低，取最大水頭的40%～60%，取78.3m。

可知鉆孔疏干水所需時(shí)間是：

t=Q積水/1 440q=112 537.2/1 140×4.6=21.5(d)

1.2 隔離煤柱的寬度計(jì)算

式中B-煤柱下側(cè)巷道最大跨度(m)，取3m；P-煤柱靜水壓力(t/m2)；σ-煤體許用抗張強(qiáng)度，即σ允拉，而：

σ允拉≈40·εa·f/n(t/m2)(屬推定之關(guān)系式)

其中εa-巖體與巖塊之間極限強(qiáng)度差別系數(shù)(裂隙系數(shù))，取0.75；f-巖石普氏系數(shù)，58#為0.94；n-安全系數(shù)，一般2～5，取3。

考慮到該區(qū)域無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造，隔離煤柱寬度取34m。

1.3 鉆孔方位的確定

鉆孔開(kāi)口點(diǎn)與老空下巷預(yù)透點(diǎn)的連線，是孔向。預(yù)透點(diǎn)在底板中心線上選取。開(kāi)口點(diǎn)到預(yù)透點(diǎn)盡可能近。開(kāi)口點(diǎn)的高度和方位必須適合坐鉆機(jī)打鉆。

經(jīng)確定和計(jì)算，真方位是9度，傾角52°，孔深35m。

1.4 鉆具的選用和防堵

鉆機(jī)選用雞西煤礦機(jī)械廠MAZ-200型井下鉆機(jī)，鉆頭直徑75mm，鉆桿直徑42mm。鉆機(jī)外形尺寸長(zhǎng)1 450mm×寬900mm×高1 450mm。

1.5 套管及配套部件的制作

預(yù)計(jì)出水口的水壓是：[(153.6-14.5)+34sin24]m=153m水柱高，即1.53MPa，按規(guī)定必須設(shè)套管、三通閥門和止噴帽等一套控水裝置。

A.制作套管。無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)1.2m，直徑4英寸(φ104mm)；距下端50mm處焊一圈能卡住組合式鐵夾板不下竄的鋼筋，鋼筋直徑不小于15mm；下端焊法蘭，以便接排水三通。B.制作三通。長(zhǎng)200mm，直徑同套管，所焊接側(cè)向管直徑3英寸，長(zhǎng)150mm；三通口都焊有法蘭，一端能接套管，另一端能接止噴帽，側(cè)向管能接限水閘閥筒體中部向上另焊一細(xì)管，能接水壓表。C.制作止噴帽。止噴帽的作用是，通有鉆桿又不允許滲水噴濕鉆機(jī)，以便可以重啟動(dòng)鉆機(jī)。止噴帽既要有法蘭與三通管相聯(lián)，本身還要有允許鉆桿通過(guò)(口徑50mm)的用螺絲緊固的兩個(gè)相扣凹型槽盤。槽盤用來(lái)夾持止水密封墊。密封墊依次由鐵墊+膠墊+鐵墊+膠墊+鐵墊組成。膠墊內(nèi)徑為φ41mm，墊厚4mm；鐵墊內(nèi)徑為φ43mm，墊厚3mm。這種墊結(jié)構(gòu)，既能允許鉆桿旋轉(zhuǎn)微擺，降低轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，又能止?jié)B水。D.制作組合式鐵夾板。它由兩塊長(zhǎng)矩形鐵板組合而成，用所焊上的L50角鐵和螺絲組合，組合鐵夾板四角各有一孔(φ30mm)，可穿四棵錨桿。錨桿用于往巖幫固定組合鐵板，組合鐵板又卡住穿過(guò)的套管，不致其受水壓竄出。組合鐵板每塊長(zhǎng)700mm×寬350mm×厚5mm。

1.6 測(cè)具的選用

選好打鉆開(kāi)口點(diǎn)，然后用經(jīng)緯儀測(cè)出精確坐標(biāo)，為防止開(kāi)孔毀掉該點(diǎn)，以啞尺方式把該點(diǎn)反到附近巷幫，可用快硬水泥埋釘示之；中心方向也用經(jīng)緯儀視點(diǎn)標(biāo)到拱頂前后端，同樣埋釘。

埋套管和打鉆，用新鋁質(zhì)坡度規(guī)給套管和鉆桿測(cè)傾角。該坡度規(guī)精度誤差不大于20分，35m之距系統(tǒng)正負(fù)誤差不大于35×tg(20/60)=0.2m，而從鉆向看透點(diǎn)巷道底板，寬達(dá)2.6×cos(90-52)=2m，可見(jiàn)，能滿足給傾角精度要求。另外，用它卡套管卡鉆桿坡度非常方便，且額外誤差少。

1.7 制作封漿工具

由于套管很短，可省去注漿泵，只制作一只長(zhǎng)把“平頭勺”狀推沙漿工具即可。該工具長(zhǎng)1.4m，頭部以能推入底部間隙為宜。

1.8 其他準(zhǔn)備

放水前，走水路線上的水溝要清完，各級(jí)水倉(cāng)於泥要清凈，相關(guān)水泵要檢修可靠。

2 施工順序和要求

2.1 先掘接近積水區(qū)的通風(fēng)巷，留足設(shè)防水煤柱

從二水平主運(yùn)巷掘58#半煤24°上山巷，掘至防水煤柱寬度為34m下邊界時(shí)，落平，再掘8m全巖平巷，停下。然后，從另一側(cè)，即從三采區(qū)回風(fēng)上山掘全巖上山，也為24°，與上述所停獨(dú)頭貫通，形成全壓通風(fēng)巷。需要注意的是，58#煤屬本礦所采，有可靠的圖紙資料，但為了更安全，從積水線外推110m設(shè)警戒線，外推60m設(shè)探水線，警戒措施是，掘到預(yù)留煤柱35m位置之前，一方面嚴(yán)防掘進(jìn)過(guò)頭或測(cè)量誤差，到位必停。另一方面，班班必須注意觀察工作面是否有地質(zhì)構(gòu)造和突水預(yù)兆，有異常必須停工上報(bào)。探水措施是，必須邊探邊掘，但探眼范圍不得進(jìn)入預(yù)留防水煤柱，以防破壞煤柱。一旦探水有滲水現(xiàn)象時(shí)不得拔鉆，馬上撤人上報(bào)。

2.2 施工硐室

沿煤層打鉆放水的缺點(diǎn)是，高壓之下，甚至沖跨。另外，在煤體內(nèi)埋6m長(zhǎng)套管，套管太長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，一旦埋設(shè)的方位不夠精準(zhǔn)，鉆頭容易打到頂?shù)装澹斐蓜e鉆甚至作廢。因此，在上山巖巷內(nèi)，選擇既堅(jiān)硬又靠近老空下巷的白砂巖區(qū)域開(kāi)鑿鉆機(jī)硐室。硐室尺寸以坐鉆機(jī)，檢修鉆機(jī)和接拆鉆桿方便為準(zhǔn)，規(guī)格為長(zhǎng)4.5m×寬3.0m×高3.2m。

2.3 掘預(yù)埋套管的巖石孔

以2.5倍套管直徑，開(kāi)套管預(yù)埋巖孔?？芍毖厶筒刍虼笾睆姐@頭鉆制。這里采用了前種，即打直密眼中部眼放小炮掏槽方式，周邊眼作導(dǎo)向不裝藥，但孔口也要塞300mm長(zhǎng)炮泥。一炮三檢。

2.4 埋設(shè)套管

先裝設(shè)組合鐵板和套管找出錨桿眼位，再卸下，然后，打錨桿眼安裝錨桿，接著，往側(cè)兩個(gè)錨桿上安下半塊鐵板，再搭上套管，之后，往套管和巖孔壁之間灌水泥砂漿，重量配比1∶2.5的砂漿要拌勻不太稀，這樣鐵板既能兜住沙漿，沙漿又容易被推入深部孔洞。灌滿后，再安上半塊鐵板，兩板用螺絲上緊并夾緊套管，繼續(xù)灌，灌滿后，上緊所有錨桿，徹底擠緊擠實(shí)洞內(nèi)沙漿，待凝。灌漿時(shí)既要保證巖洞和套管之間無(wú)空洞，還必須保證套筒方位正確，要用中心線和坡度規(guī)隨時(shí)校正。

2.5 打壓試驗(yàn)

砼凝固到強(qiáng)后，從鉆機(jī)往套管內(nèi)插入有鉆頭的鉆桿，上緊止水帽，再用閥門封上泄水三通，做打壓實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)水壓達(dá)153m×1.2倍=184m水柱高，設(shè)施不滲水不變形，試驗(yàn)合格。

2.6 開(kāi)鉆作業(yè)

始鉆時(shí)，頂鉆不要用力，鉆深達(dá)100mm，適當(dāng)加力，達(dá)3m以上時(shí)再正常加力，要防止用力太大，造成鉆孔改向。

2.7 探透處理

一旦探透后，鉆具不撤，老空水沿孔間隙下泄。因水壓高，流量大，用三通水閥控制排放。一旦上口被煤巖渣堵塞，可啟動(dòng)鉆機(jī)來(lái)回疏通。

3 實(shí)際放水情況

實(shí)際放水23d，計(jì)劃放水一個(gè)月；共出現(xiàn)三次煤巖渣堵透點(diǎn)，三次開(kāi)鉆都得到順利疏通。做到了安全順利放水。

4 幾點(diǎn)啟示

4.1 探水策略首先要正確

能在巖體硐室中進(jìn)行集中探放水，就不在煤巷中邊探邊掘，尤其是高壓水；能先疏干，就不要頂著積水區(qū)進(jìn)行探水和掘采。不然，費(fèi)力，丟煤，還極易發(fā)生透水事故。

4.2 設(shè)計(jì)施工要有可操作性

可操作性是指既能保證設(shè)計(jì)目的，又便于施工。比如，在中厚以下煤層中設(shè)套管進(jìn)行邊探邊掘，就不可行。因?yàn)樵谥泻衩簩又写蜓蹠r(shí)，短距之內(nèi)就可能誤打到煤層頂?shù)装寤驑?gòu)造巖石上，造成夾鉆無(wú)法前進(jìn)，得改變一次到多次傾角重打，每次設(shè)套管探水失敗后都得作廢，顯然不具可行性。

4.3 設(shè)計(jì)思想必須周密

設(shè)計(jì)探水方案時(shí)，必須充分預(yù)計(jì)施工和放水過(guò)程可能出現(xiàn)的不利。本案在設(shè)計(jì)時(shí)提前就考慮到這種方式下放水透點(diǎn)極可能堵孔，使探放水取得了成功。

4.4 施工必須嚴(yán)格兌規(guī)

設(shè)計(jì)再周密科學(xué)，施工走樣，探放水同樣會(huì)面臨失敗。為了提高責(zé)任心，責(zé)任明確，在小班施工鉆孔數(shù)量和質(zhì)量上(尤其是前進(jìn)式超前探放水)，班長(zhǎng)和質(zhì)量監(jiān)督員必須在施工成果表格上共同簽字。并且，監(jiān)管領(lǐng)導(dǎo)要經(jīng)常抽查施工的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。做到雙保險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述探放水成功案例，展現(xiàn)了一個(gè)完整的探放水實(shí)施過(guò)程，是對(duì)探水有關(guān)規(guī)定和實(shí)際組織設(shè)計(jì)進(jìn)行的完整實(shí)踐，對(duì)類似探水工作具有重要借鑒和啟示意義。

隔離煤柱計(jì)算公式的選取和煤體抗張力的推定之依據(jù)，參考了有關(guān)文獻(xiàn)，不承擔(dān)再引用可能的風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局宣傳教育中心.礦井探放水工[M].徐州：礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[3] 張榮立，何國(guó)緯，李鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

[4] 武強(qiáng).煤礦防治水手冊(cè)[K].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

Practice and enlightenment of exploration and drainage in newly-developing coal mine

WU Shao-gui, SHAN Zhong-gang, ZHOU Ming-jie, ZHANG Li-xin

(Qitaihe Vocational College, Qitaihe 154600, China)

This paper introduces the present production situation of newly-developing coal mine, puts forward the scheme of exploration and drainage, and makes calculation on exploration water volume, water pressure, drainage time and coal pillar width. Preparation work before construction, construction sequence and requirements are expounded so that the exploration and drainage can be successful.

Gob; Waterproof pillar; Casing pipe; Blowout preventer cap

2016-09-08

吳紹貴(1966-)，男，高級(jí)工程師。

TD

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