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对大巷煤矿不良水文孔的研究

作者:论文发表网 更新时间:2016-09-16 15:54:25
19.1K   一、概况
  平 顶 山 高 庄 矿 实 业 有 限 公 司( 以 下简 称 高 庄 矿) 位 于 平 顶 山 市 西 部 石 龙 区境 内, 平 顶 山 煤 田 西 部 韩 梁 矿 区 中 部。
  东距平顶山市 55km. 地理位置坐标:东经112 ° 49 ′ 19 ″ ~ 112 ° 58 ′ 14 ″, 北 纬33° 51′ 05″~ 33° 56′ 15″。矿区内有平顶山矿区专用线——平韩铁路通过,平韩铁路在宝丰与焦(作)枝(城)铁路、漯(河)宝(丰)
  铁路接轨。矿区东部有平洛高速,西部有 207 国道,与邻近市县及乡镇均有公路畅通。矿区面积12.5km2。该矿井现生产能力45 万t/a。
  高庄矿为资源枯竭矿井,回收大巷煤柱。
  对大巷保护煤柱面分段设计开采,解决衰老矿井采掘脱节的局面,高庄矿主采煤层底板的 L1、L2、L3 及寒武纪灰岩有一定的赋水条件,对开采己组煤层有一定威胁。为了完善矿井地下水位动态观测系统,同时也为了给己组煤层的开采提供防治水依据,因此,在2006 年,高庄矿在副井口车场绕道附近、北大巷与己一下山轨道口附近和己四轨道大巷 1号变电所附近分别施工了一号、二号、三号三个井水文观测孔。根据高庄矿工作面布置和采掘接替计划,计划开采大巷煤柱 3# 面和工广煤柱 3# 面,一号孔位于工广煤柱 3# 面附件,对开采有一定影响;三号孔位于大巷煤柱 3# 面内,对开采影响很大。因此委托由勘探工程处对一、三号水文观测孔进行封闭,对二号水文观测孔进行修复继续使用。为观测寒武系灰岩水水压,在大巷煤柱 3# 面中部施工了一个水文观测孔(三号孔),该孔自煤层顶板向下穿过煤层至寒武系灰岩 45m 处止。该孔常年往外涌水,实测涌水量 2.5m3/h,水压 0.3MPa。工作面要经过该钻孔。如果该孔不封堵,为了保证安全生产,必须留设保安煤柱 4.0 万 t。不留设煤柱,给安全回采带来很大安全隐患。高庄矿资源枯竭,为了实现精采细收,经论证,不留设煤柱。为了保障安全生产,委托集团公司地质勘探处对其封堵。由于该孔一直处在采面超前动压范围内,如何封孔及如何保障采面顺利通过该孔,成为一个技术难题,因此立项《活动矿压下水文孔封堵及跨采技术研究与实施》。如果封堵成功可以解放煤量 4.0 万 t,提高矿井回收率,具有十分重要的意义。
  二、超前动压活动规律
  (一)在实际生产过程中,采煤工作面常
  有下述一系列矿山压力现象,并习惯上用这些现象作为衡量矿山压力显现程度的指标。1. 顶板下沉量,一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板移近量。随着工作面的推进,顶底板处于不断移近状态。
  2. 顶板下沉速度,指单位时间内的顶底板移近量,以 mm/h 计算。它表示顶板活动的剧烈程度。
  3. 支柱变形与折损,随着顶板下沉,采煤工作面支柱受载也逐渐增加,一般可以用肉眼观察到柱帽的变形,剧烈时可以观察到支柱的折损。
  4. 顶板破碎情况,常常以单位面积顶板中冒落面积所占的百分数来表示。它是用来衡量顶板控制好坏的质量标准。
  5. 局部冒顶,指采煤工作面顶板形成局部塌落,它影响采煤工作的正常进行。
  6. 大面积冒顶,指采煤工作面由于顶板来压导致顶板沿工作面切落。常常对工作面生产造成严重影响。
  (二)采煤工作面周围的支承压力及其分布术
  煤采掘空间附近应力增高区内的应力称为支承压力。采煤工作面割煤使煤壁刚刚裸露时,对于坚硬煤层,其应力分布理论上如图中ab 曲线所示。在煤壁上方垂直应力为最大值σmax, 在煤壁深处 σ2 逐步减小。但煤壁处为自由面,抗压强度较小,煤壁附近煤层产生压缩变形后,σmax 便逐步向煤体深处转移煤壁深处,由于水平方向的挤压力逐渐增加,因此煤体便由单向受力状态逐步过渡到三向受力状态,其抗压强度也逐渐增加。当工作面不断推进时,支承压力的峰值也将稳定地在煤壁深处向前移动。
  支承压力的特征一般可用应力集中系数、峰值位置及支承压力范围等参数来说明。
  采煤工作面前方煤体内,支承压力的分布范围,通常从工作面前方 1 ~ 3m 处开始,直到 30 ~ 40m,甚至有时还在距煤壁约 100m 时即开始变形,最大应力的位置约距煤壁 5 ~ 15m。应力集中系数 K 为支承压力与原岩应力的比值,其变化范围一般为1.25 ~ 5.00。
  (三)水文观测孔涌水量水压观测
  由高庄矿主采煤层底板的 L1、L2、L3 及寒武纪灰岩有一定的赋水条件,对开采己组煤层有一定威胁。为了完善矿井地下水位动态观测系统,同时也为了给己组煤层的开采提供防治水依据,因此,在 2006 年,高庄矿在副井口车场绕道附近、北大巷与己一下山轨道口附近和己四轨道大巷 1 号变电所附近施工三个井水文观测孔。寒武系灰岩的水位、水量,寒武系灰岩的水位动态,上部灰岩、煤层及铝土泥岩无水,下部的寒武系灰岩有水。其中 1#、2# 和 3# 孔分别在孔深 77.8m、47.5m 和 87.5m处揭露寒武系灰岩 , 在孔深 96m、52.4m 和88.8m处时孔内开始涌水,涌水量分别为1.0m3/h、0.5m3/h 和 1.0m3/h,水压分别为 0.34MPa、0.1 MPa 和 0.1 MPa;随着孔深的增加,3# 孔涌水量有所增大,在孔深 103.6m 时涌水量增至 2.5 m3/h,水压增至 0.3MPa;而后随着孔深增加,直至终孔,1#、2# 和 3# 孔涌水量、水压不再变化,保持稳定,涌水量仍分别为1.0m3/h 、0.5m3/h 和 2.5m3/h 水 压 为 0.34MPa、0.1MPa 和 0.3MPa。
  三、研究封孔材料,封孔工艺,封孔设备及采取措施
  (一)封孔材料、封孔工艺、封孔设备首用 425# 水泥配成水灰比为 0.75:1 的水泥浆。本次封孔,采用钻具为直径 50mm 钻杆连接。下部为直径 75mm 无芯钻头 , 钻机操作由熟练工人操作 , 下钻时采用低速。钻具下至堵孔段时,先开清水泵,待钻孔孔口返水后,轻压慢转、透至孔底。钻孔透到孔底后,大泵量清水对钻孔进行冲洗;孔底杂物冲洗干净后将搅拌好的 425# 水泥浆(水灰比为 0.75:1)
  用注浆泵顺钻杆注入孔底,待孔口返出水泥浆,然后提出钻具封闭套管口向孔内注浆,压力达到 2MPa 方可结束。根据钻孔设计要求,结合该处地质条件,本工程采用 SGZX-3B 型防爆全液压钻机 1 台,供水设备配用 BW-250 型三缸泵 1 台。
  (二)过钻孔的方法
  遇有水文观测孔管子时,安排人员用手钻在管子钻眼,观察管子是否有水。
  管子无水时采取直接锯断通过;钻孔封堵效果差或封堵失败时按有水通过措施施工,同时采面停止其它作业,钻孔封堵后方可恢复作业。
  (三)过钻孔安全措施
  1. 采面距 3# 水文观测孔 3 米时,安排打眼工对水文观测孔位置进行超前预探,确保能够及时了解和掌握水文观测孔的具体情况。
  2. 采面距 3# 水文观测孔 3 米时加强放炮管理,观察煤壁是否潮湿,及时对水文观测孔进行钻探,发现问题及时汇报。
  3. 采面过水文观测孔时若遇有水文观测孔管子时,安排人员手钻在管子钻眼,观察管子是否有水。如确定管子无水、时,用手锯将管子锯断。
  4.如管子有水时,由矿地测部门根据水压、水量情况现场研究管子锯断步骤和时间。
  5. 若水量、水压符合锯断条件时,用手锯将水文观测孔管子锯断(底板),锯断过程中时刻观察管壁出水情况,采面排水能力小于钻孔出水量时应停止施工;必须保证采面排水能力大于钻孔出水量方可继续作业;管子锯断后将提前准备好的木楔把水文观测孔进行封堵,保证采面顺利通过水文观测孔。水文观测孔封堵后若仍有涌水,采取在封堵孔口埋设排管路引水,将剩余涌水引出采面。
  6. 水文观测孔木楔堵死后,为防止水文观测孔管子内有压力,木楔被压力冲掉,在底板锯断管子上方用长300mm的细钢筋(一头尖),在管子上打眼将钢筋穿透管子,钢筋两头用铁锤砸弯。
  7. 采面过水文观测孔时,若水文观测孔管子有突水而无法进行封堵时,将采取在采面挖沟的方法将水引至采面最低点,再采取其他封堵措施。
  8. 在采面底板最低地段挖水泵窝,把水引至水泵窝后用水泵将水排出。采面水泵窝处备4 台型号为 7.5 的水泵和排水管路。
  9. 采面过 3# 水文观测孔地段,采取宽面掘进的方法,使能够全面了解水文观测孔的情况,宽面掘进地段,单体柱配∏型钢梁支护。
  10. 施工过程中,加强顶板有淋水地段的顶板管理,现场要有一名班长现场指导和监督,确保该段工程质量符合要求。
  11. 采面顶板有淋水地段,底板有水造成支柱钻底,底板钻底处必须加垫道木,提高支柱的支护强度。
  12. 采面顶板有淋水地段,人员在该段施工过程中人员要穿上雨衣,防止衣服被淋湿。
  13. 如遇水文观测孔有突水现象并无法现场堵截时,人员应按避灾路线进行撤离。
  四、结语
  平煤高庄矿为资源枯竭矿井,回收大巷煤柱。对大巷保护煤柱面分段设计开采,解决衰老矿井采掘脱节的局面。通过本次对大巷煤柱回收期间超前动压活动规律;水文观测孔涌水量变化,水压变化;研究封孔材料,封孔工艺,封孔设备及采取措施;跨采水文孔前、后安全措施。积累了活动矿压下封闭封堵的经验,保证安全生产。通过对大巷保护煤柱工作面优化系统设计,可多采出原煤3.5 万吨,产值 2100 万元;本项目的成功实施,为衰老矿井的新井接替赢得了充足的时间,对矿区的和谐稳定有着极其重要的意义,社会效益显著。
对大巷煤矿不良水文孔的研究
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