第八章井下探放水技术工艺

第八章井下探放水技术工艺本章学习要点·掌握矿井水中各类水源的探放方法·掌握井下探放水设备、仪器与仪表知识第一节井下探放水的相关规定探放水包括探水和放水两个方面。探水是指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方等水体的具体空间位置和状况等，其目的是为有效地防治矿井水做好必要的准备。放水是指为了预防水害事故，在探明情况后采取钻孔等安全方法将水体放出。《规程》对井下探放水做了如下规定：(1)矿井必须作好水害分析预报，坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则。探水或接近积水地区掘进前或排放被淹井巷的积水前，必须编制探放水设计，并采取防止瓦斯和其他有害气体危害等安全措施。探水眼的布置和超前距离，应根据水头高低、煤(岩)层厚度和硬度以及安全措施等在探放水设计中具体规定。(2)采掘工作面遇到下列情况之一时，必须确定探水线进行探水：①接近水淹或可能积水的井巷、老空或相邻煤时。②接近含水层、导水断层、溶洞和导水陷落柱时。③打开隔离煤柱放水时。④接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水等相通的断层破碎带时。⑤接近有出水可能的钻孔时。⑥接近有水的灌浆区时。‘⑦接近其他可能出水的地区时。经探水确认无突水危险后，方可前进。(3)煤系底部有强承压含水层并有突水危险的工作面，在开采前，必须编制探放水设计，明确安全措施。(4)安装钻机探水前，必须遵守下列规定：①加强钻场附近的巷道支护，并在工作面迎头打好坚固的立柱和拦板。②清理巷道，挖好排水沟。探水钻孔位于巷道低洼处时，必须配备与探放水量相适应的排水设备。③在打钻地点或附近安设专用电话。④测量人员和防探水人员必须亲临现场，依据设计，确定主要探水孔的位置、方位、角度、深度以及钻孔数目。(5)预计水压较大的地区，探水钻进之前，必须先安好孔口管和控制闸阀，进行耐压试验，达到设计承受的水压后，方准继续钻进。特别危险的地区，应有躲避场所，并规定避灾路线。(6)钻孔内水压过大时，应采用反压和有防喷装置的方法钻进，并有防止孔口管和煤(岩)壁突然鼓出的措施。(7)钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或钻孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等异状，必须停止钻进，但不得拔出钻杆，现场负责人员应立即向矿调度室报告，并派人监测水情。如果发现情况危急时，必须立即撤出所有受水威胁地区的人员，然后采取措施，进行处理。(8)探放老空水前，首先要分析查明老空水体的空间位置、积水量和水压。老空积水区高于探放水点位置时，只准打钻孔探放水；探放时，必须撤出探放水点以下部位受水害威胁区域内的所有人员。探放水孔必须打中老空水体，并要监视放水全过程，核对放水量，直到老空水放完为止。钻孔接近老空，预计可能有瓦斯或其他有害气体涌出时必须有瓦斯检查工或矿山救护队员在现场值班，检查空气成分。如果瓦斯或其他有害气体浓度超过《规程》规定时，必须立即停止钻进，切断电源，撤出人员，并报告矿调度室，及时处理。(9)钻孔放水前，必须估计积水量，根据矿井排水能力和水仓容量，控制放水流量；放水时，必须设专人监测钻孔出水情况，测定水量、水压，做好记录。若水量突然变化，必须及时处理，并立即报告矿调度室。(10)排除井筒和下山的积水以及恢复被淹井巷前，必须有矿山救护队检查水面上的空气成分，发现有害气体，必须及时处理。排水过程中，如有被水封住的有害气体突然涌出的可能，必须制定安全措施。第二节井下探放水设计采掘工作面探水前，必须编制探放水设计，确定探水警戒线，并采取防止瓦斯和其他有害气体危害等安全措施。探放水设计由地测部门提出，煤矿总工程师审定，严格按设计进行探放水。井下探放水的设计应包含下列内容。一、分析水文地质情况，确定积水线、探水线和警戒线1．水文地质分析内容(1)老窑、老空积水分析内容。包括：老窑名称、编号、地理位置、经纬距、标高、开采时间、层别、采出煤量、停采原因、相邻式窑关系、老空水距地表深度及积水范围内的积水量、经常涌水量和水头高度等。(2)老采空区积水分析内容。包括：积水巷道名称、标高、层别、积水量和经常涌水量和水头等。(3)未封或虚封导水钻孔分析内容。包括：孔号、孔深、孔径、地表位置、经纬距及标高与各煤层新旧采区的关系、含水层情况等。(4)含水断层分析内容。包括：实际巷道所见的断层走向倾向、倾角、落差、破碎带宽度、破碎带胶结情况、以往的出水特点、涌水量、水压或水位标高等。(5)煤层底板的强含水层。包括：含水层名称、岩柱、厚度、水位水量及其与所采煤层的间距等。2．确定积水线、探水线、警戒线根据水源分析情况，在采掘“工程平面图”上按水源的范确定积水线，在积水线的基础上平等外推60～150m而划定探水线，警戒线是在探水线的基础上平等外推50～150m而划定。二、根据水害性质设计开拓方案及防水方案(1)探水区的开拓方案；(2)巷道布置及施工顺序；(3)巷道断面及支护形式；(4)排水沟设计；(5)排水线线路设计；(6)设置临时排水设施；(7)水闸门及水闸墙的设置；(8)计算允许放水量，(9)人员避灾路线及预防有害气体的措施等。三、设计探水孔的钻探施工方案1．每次探水孔的钻探位置每次探水孔的位置由探水的深度、探水超前距和巷道允许掘进的而定2．探水钻孔的超前距、允许掘进距离、帮距和密度的确定(1)超前距。探水时从探水线开始向前方打钻探水，一次打透积水的情况较少，常是探水一掘进一探水循环进行，而探水钻孔的终孔位置应始终保持超前工作面一段的安全距离，这段距离简称超前距，如图8-1所示。(2)允许掘进距离。经探水后，证实无滴水穿石威胁，可以安全掘进的长度称为允许掘进距离。(3)帮距。为使巷道两帮与可能存在的老空积水间保持一定的安全距离，即扇形布置的最外侧探水孔所控制的范围与巷道帮的距离·其值应与超前距相同，可用式8—1计算。式中α——超前距，m；A——安全系数(一般取2～5)；L——巷道的跨度(宽或高取其大者)，m；ρ——水头压力，MPaKρ——煤的抗张强度，MPa。超前距、帮距除用上式计算外，也可参照表8—1有关经验值确定。关于煤层的Kρ值，各矿区针对煤层的不同厚度和硬度进行试验测定。(4)钻孔密度(孔间距)。允许掘进距离的终点横剖面上探水钻孔之间的间距，一般不得超过3m，以防漏掉老空巷。表8—1探水超前距经验数据表3．探水钻孔布置方式(1)倾斜煤层平巷和上山巷道探水钻孔布置方式、钻孔数量和夹角大小见表8—2。(2)在高水压、水量大或煤层松软、节理发育的情况下，应采用隔离式探水，其钻孔布置见表8—3。四、探放水钻孔孔数的确定1、单孔出水量式中q一一单孔出水量，m3／s；c——流量系数，一般取O.6～O.62；w——钻孔的断面积，m2；g——重力加速度，g一9.81m／s2；h——钻孔出口处的水头高度m，为计算钻孔的平均放水量，h可取最大水头高度的40％～45％。2．最大应放水量式中w——静储量或老空积水量，m3；t——允许放水时间，s；Q动——动储量或老空水常补给量，m3／s。3．小窑老空积水量式中w——小窑老空积水量，m。；M一采厚，m；L——小窑老空走向长度，m；h——小窑老空内的水头高度，m；α——煤层的倾，角，。。K——老空的充水系数，一般取0．3～0．5。4．钻孔的孔数式中N——放水钻孑L孔数。第三节探放老空水小煤窑和矿井采掘的废巷老空积水，其几何形状极不规则，积水量大者可达数百万立方米，一旦采掘工作面接近或揭露它们时，常常造成突水淹井及人身伤亡事故，故必须探放老空水。一、探放老空水的原则探放老空水除了要遵循《规程》所规定的探放水原则外，还应遵循下述原则：(1)主动探放。当老空区不在河沟或重要建筑物下面，排放老空区内积水不会过分加重矿井排水负担，且积水区之下又有大量的煤炭资源急待开采时，这部分积水应千方百计地放出来，以彻底解除水患。(2)先隔离后探放。与地表水有密切水力联系的老空水雨季可能接受大量补充；或老空的涌水量较大，水质不好(酸性大)；或为避免长期负担排水费用，对这种积水区应先设法隔断或减少其补给水量，然后再进行探水。若隔断水源有困难无法进行有效的探放，则应留设煤岩柱与生产区隔开，待到矿井生产后期再进行处理。(3)先堵后探放。当老空区为强含水层水或其他水源水所淹没，出水点有很大的补给量时，一般应先堵住出水点，而后再探水放水。(4)先降压后探放。对水量大、水压高的积水区，应先从顶、底板岩层打穿层放水孔，把水压降下来，然后再沿煤层打探水钻孔。二、探放老空水的步骤及方法《一)探水前应注意的事项(1)检查排水系统，准备好水沟、水仓及排水管路；检查排水泵及电动机，使之正常运转，达到设计的最大排水能力。(2)准备堵水材料。在探水地点应备用一定数量的坑木、麻袋、木塞、木板、黄泥、棉线、锯、斧等，以便出水或来压时及时处理。(3)检查瓦斯。瓦斯浓度超过安全规定时应停止工作，及时加强通风。(4)检查支架情况。有松动或破损的支架要及时修整或更换。帮顶是否背好，都要一一检查。。(5)检查煤壁。煤壁有松软或膨胀等现象，要及时处理，闭紧填实，必要时可打上木垛，防止水流冲垮煤壁，造成事故。(6)检查水沟。巷道水沟中的浮煤、碎石等杂物，应随时清理干净。若水沟被冒顶或片帮堵塞时，应立即修复。(7)检查安全退路。避灾路线内不许有煤炭、木料、煤车等阻塞，要时刻保证畅通无阻。根据一些矿区的经验，将调查和勘探(包括物探)获得的小窑、老空分布资料，经过分析画出三条界线，如图8—2所示。1.积水线调查核定积水边界线(即小窑采空区的范围)，其深部界线应根据小窑或老空的最深下山划定，并填写古井或近期采空区积水调查表。2.探水线沿积水线外推60～150m的距离画一条线即为探水线(下山掘进时则为顺层的斜距)，此数值大小视积水边界的可靠程度、水压大小、煤的坚硬程度、顶底板岩性及地质构造等因素来确定。当掘进巷道至此线时应开始探水。3.警戒线由探水线再外推50～150m(在上山掘进时指倾斜距离)即为警戒线。当巷道进入此线后，就应警惕积水的威胁，注意掘进工作面的变化，如发现有透(突)水征兆应提前探水。探水线、警戒线的确定可参考表8—4的经验数值并结合本矿的资料确定。(三)探放水钻孔布设工艺(1)探放水应采用深孑L、中深孔和浅孑L相结合的方式，如图8—3所示。深孔：每次探放水应打3个深孔(中眼和两个外斜眼)，为提前探到积水(深孔放水较安全)，只要不脱离煤层应尽量扣深，由于外斜眼深度大，控制的帮距也大，使继续探水掘进时安全。中深孔：每次探水在3个深孔之间或外斜眼外侧布置一些中深孔，孔深能满足超前距、帮距和孔间距的要求即可。浅孔：薄煤层探水，由于倾角的变化或打深孔，钻孔先穿过煤层顶、底板岩层，然后再沿煤层钻进时，应布置浅孔，把沿岩层钻进的范围补充探明。其钻孔深度根据需要确定。对于厚煤层、急倾斜煤层探放水钻孔的布置应根据前面的开采情况，不仅平面上布成扇面形，而且剖面上也应为扇面形，以防漏掉老空巷道。(2)孔口安全装置的布设。一般的探放水孔都必须安装孔口安全套管。孔口安全装置的施工和安装程序如下：①选择煤(岩)坚硬完整处开孔，孔径应比孔口管直径大1～2级，钻至预定深度(视水压高低和煤岩层强度而定)后，将孔内冲洗干净。②孔口管的安装和胶结可用以下三种方法：第一种方法是向孔内注入水泥浆，将预先准备好的孔口管(末端应塞木塞放入孔内，待水泥浆凝结后，即可在孔口管内钻进。第二种方法是将孔口管插入孔内后，在孔口用水玻璃和水泥将孔口管固定并封死，在管的上方另留一个小管，然后从孔口管内向四周压入水泥浆，开始从小管跑出空气和水，待跑出浓水泥时即将小管封死，继续向孔口管内压入水泥浆，至一定压力后停止注浆，关闭管上的闸阀待水泥浆凝固，如图8—4所示。第三种方法是将孔口管深入煤壁内一端做成楔形，并加工出注浆孔。将孔口管的楔形部分撞入煤体内，孔口处用上述的第二种方法封孔，然后用注浆胶结，其达到