极复杂水文地质条件下探放水设计及施工应用

施工应用

山东新泰271219

摘要：水害是煤矿生产中的自然灾害之一，矿井或工作面一旦发生水害，轻则恶化生产环境，重则造成国家资源和财产损失造成人员伤亡或淹井事故。本文阐述了极复杂水文地质条件下的地层探放水设计及施工应用。

关键词：水文条件极复杂、探放水 一、概述

库车市永新矿业有限责任公司永新煤矿井田位于库车河和其支流克格拉克厄肯河交汇处,为典型的流水冲蚀的山地地貌，矿井水文地质条件属极复杂。

为了新运输平硐施工期间安全，坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，依据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水细则》，结合《矿井水文地质类型划分报告》、《矿井勘探报告》、《水文地质补充勘查报告》及新运输平硐水文地质情况，需进行超前探放水。

二、工程概述

新平硐开口位于主平硐口西侧30m，北与三采区运输下山贯通，后利用二采运输石门（180m）与矿井二采区运输下山贯通。掘进工作面对应地表为典型的流水冲蚀山地地貌，地面标高+1785～+1940m，埋深10～170m。

三、区域水文地质情况

新运输平硐在三叠系上统郝家沟组至A1煤层顶板中穿层掘进，自开口位置至终止位置岩性揭露细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、粗砂岩、含砾粗砂岩等。

根据临近巷道主平硐、集中运输巷及二采运输石门，新运输平硐自三叠系上统郝家沟组中开门，揭露A1煤层后按设计施工到位。

新运输平硐开门处岩石裸露受风化影响，终止处受临近A1煤层露头区域火烧区影响，裂隙较发育。

受煤层自燃影响，煤层露头附近岩石受到高温烧、烘烤多已变质成烧变岩。钻孔岩芯揭示，岩石变的硬而脆，颜色以褐红色为主，夹有浅黄色条带，裂隙发育、破碎，稳固性差。

本矿地处天山褶皱带南麓，塔里木盆地北缘山前坳陷地带中低山区，位于库车河西岸的基岩二级阶地之上。矿区南部、东南部多为高差百余米的近东西向延展的山梁，相对高差200m。区内地形复杂，基岩裸露，风化裂隙、冲沟发育，风蚀特征明显，为典型的 “雅丹”地貌。南部烧变岩裸露区，岩石经烧变后，体积缩小，岩石破碎，裂隙极发育，是较好的地下水赋存场所和径流通道。

新运输平硐穿过地层含水为静态水，水质主要表现为高矿化度的咸水，水质类型为氯化物、硫酸盐、重碳酸盐、碳酸盐－钾钠、镁、钙类型水。

该工作面生产过程中顶板淋水及生产用水为主要为充水水源，而临近本区域的1-4水文观测孔水位为+1800m，掘进工作面最低点标高+1771.8m，预测水头高度28.2m，烧变岩透水性强，巷道或超前探查钻孔揭露火烧区，局部存在积水可能瞬时进入巷道。

依据《煤矿防治水细则》单孔放水量公式计算，终孔直径按75mm，水头高度28.2m,预计单孔平均出水量:

q-单孔出水量，m3/h； c-流量系数，一般取0.6； w-钻孔的断面积m；

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g-重力加速度9.8m/s；

h-钻孔出水口的水头高度m，采用最大水头高度的45％。

此水量可用闸阀控制放水，闸阀控制放水装置由阀门、压力表、放水阀等组成，可以有效控制水量，保证疏水安全。

四、探放水、注浆设计施工 1.钻探设计

（1）本掘进工作面设计12组探放水钻孔，钻孔呈扇形布置，探水点布置在新运输平硐探水钻场，严格按照物探先行，钻探验证的方法进行施工作业。

（2）超前距确定：根据《煤矿防治水细则》第四十八条，岩层中探水钻孔超前距和止水套管长度要求，新运输平硐岩巷超前距离取20m，煤巷超前距离取30m。

（3）允许掘进距离确定：经探水证实无水害威胁，可以安全掘进的距离称允许掘进距离。本设计要求：探放水钻孔施工完毕之后，以顺巷道掘进方向钻孔长度（水平投影长度）减去超前距离之后剩余的距离，其他钻孔控制帮距。

L=l-a 式中：

L-允许掘进距离，m；

l-顺巷道掘进方向钻孔长度,m; a-超前距离，m；

（4）帮距：帮距取20m。

（5）钻孔孔径：根据《煤矿防治水细则》探放水钻孔终孔孔径一般不得大于94mm，本设计选用ZDY4500LX煤矿用液压钻机，钻杆直径73mm，开孔φ133mm，施工6.5m，下φ108mm长度6m套管，终孔直径75mm。

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2.钻孔布置：4个钻孔，一个顶板钻孔，三个超前钻孔，呈扇形布置。

探水钻孔参数

孔号 开孔位置 方位 仰角 孔深 T1 钻场巷道巷中底板以上1.1m 340°5′ 2° 100m T2 钻场巷道巷中底板以上2.1m 340°5′ 14.5° 73m T3 钻场巷道左帮底板以上1.1m 328°30′ 2° 102m T4 钻场巷道右帮底板以上1.1m 351°30′ 2° 102m T5 钻场巷道开门巷中底板以上1.5m 340°5′ 8° 102m 3.单孔设计

该工作面生产过程中顶板淋水及生产用水为主要为充水水源，而临近本区域的1-4水文观测孔水位为+1800m，掘进工作面最低点标高+1771.8m，预测水头高度28.2m，烧变岩透水性强，巷道或超前探查钻孔揭露火烧区，局部存在积水可

能瞬时进入巷道。根据《煤矿防治水细则》，岩层巷道下设6m长的止水套管，先用φ133mm的钻头开孔，孔深6.5m，然后下设φ108mm、6m长的止水套管，进行耐压试验。试验压力3MPa、保持30分钟以上，套管以不松动、不漏水、不卸压为合格，合格后在止水套管上安装阀门、压力表，再用φ75mm钻头钻进至终孔。

采用水泥－水玻璃（C-S）双液浆施工工艺，以水泥和水玻璃为主剂，水泥为P.O42.5R普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度35-40Be',水灰比0.8:1～1:1，水泥浆与水玻璃体积比（C：S）1:0.6～1:0.8,两者混合后凝固时间要求不低于8小时方可进行耐压试验。

4.钻场、钻孔开孔及规定

新运输平硐开门位置为T1钻场，T1至T9钻场每隔70m布置，在停掘右帮开设深2m，长4m，高2.8m探水硐室。

超前探查钻孔施工，技术专业人员现场标定钻孔方位线，施工人员根据现场标定的钻孔方位线调整固定钻机，钻孔钻探倾角由现场探水作业人员根据设计结合现场实际情况标定，施工区队管理人员与防治水专业人员进行校对。每钻进10m对孔深、钻孔倾角进行核实，终孔深度超过100m的钻孔使用测斜仪进行抽检测斜。

5.孔口管加固及耐压试验

（1）孔口管用水泥浆封堵、密封，做耐压试验。

（2）在孔口管安装组合闸阀及水压表，必须有一个备用4寸阀门。 （3）孔口管必须进行耐压试验。试压设备采用压力泵和相应的配套管件，试验压力3MPa、保持30分钟以上，套管以不松动、不漏水、不卸压为合格。孔口管耐压试验必须验收合格后，再进行下一步施工。

6.出水后注浆设计

受地层岩性限制，为尽量减少施工期间涌水对工作面作业条件的影响，钻孔施工完成，退出钻杆后，若单孔涌水量超过10m³/h，需对钻孔进行注浆堵水。

（1）注浆压力

注浆压力是驱动浆液在裂隙中流动扩散、充填、压实的能量，是控制浆液扩散距离的重要因素，可由下列公式确定：

P=KPO+a

PO: 静水压力，MPa

K：系数，1.5-3.0，基本排除承压水，此处取1.5 a：常数，2-43MPa，此处取2

（2）钻孔吸浆量不稳定时可按以下进行调整：

①在初期注浆压力条件下，吸浆量为吸水量的80%，可视为正常，否则，可调浓或调稀一级。

②当压力不变时，连续注入30分钟后，吸浆量不变，可调浓一级。 ③当压力缓慢上升，吸浆量逐渐减少时为正常，可一直注浆直至结束。 （3）注浆系统

50L塑料桶计量水玻璃，人工将水泥倒入储浆桶中，加入适量的清水，并搅拌均匀；水玻璃直接倒入储浆桶并加入计量好的清水进行调配。

（4）复钻和复注

注浆完成，待钻孔浆液凝固不低于8小时后，打开闸阀，按探钻程序对钻孔进行复钻，如涌水量不合格，需对钻孔注浆参数进行调整，加大注浆封孔终压，对钻孔进行重新注浆。

五、突水预兆及处置措施

（一）突水预兆 1.煤层发潮发暗。

2.巷道壁或顶扳“挂汗”。 3.煤层变凉。

4.工作面顶板淋水加大，或出现压力水头。 5.工作面温度降低。 6.水叫。

7.工作面有害气体增加。 8.煤壁或巷道壁“挂红”。 （二）处置措施

1.施工前必须在探水地点安装电话，电话附近悬挂电话表及避灾路线图。 2.探放水施工巷道现场发现有松动或破损的支护要及时修整或更换。 3.探放水施工现场及巷道水沟中的浮煤、碎石等杂物，应及时清理干净，若水沟堵塞时应立即疏通。

4.探放水施工过程中所涉及的避灾路线应随时保证畅通无阻。

5.钻探过程中钻孔少量出水时，立即向调度室汇报，有防治水专业技术人员现场查看水量等情况进行分析，根据分析结果采取措施处理。

6.在探放水钻进时，若发现煤岩松软、片帮、来压或者钻眼中水压、水量突然增大或顶钻时等透水征兆时，必须立即停止钻进，但不得拔出钻杆，不得直对或任意跨越钻杆；应当立即向矿井调度室汇报，派人监视水情。发现情况危急，应当立即撤出受水害威胁区域的人员至安全地点，然后采取安全措施，进行处理。

出现透水预兆时，必须立即撤出受水害威胁地点人员，并向调度室汇报，采取措施处理。

7.资料整理。施工中要认真仔细，做到记录清楚，孔深测量正确，并有严格的交接班制度。每个班都必须根据探放水设计的各项参数及实测指标全面详细填写探水记录。

六、施工操作程序及安全技术措施 （一）钻机设备安装调试安全技术措施

（1）准备探水前，需由技术人员提前标定停掘绝对位置，并对各班施工人员进行及时交底。工作面停掘后，要清理现场与探放水无关的工具物料，检查探放水钻场支护保证安全可靠。

（2）钻场要保证底板平整并清理至坚硬底板。

（3）机身要在底板上用现场支护用锚杆生根牢固；为了防止钻进过程中钻机摆动，同时需用钻机自带顶撑升至顶板顶板，并在顶板上用换链将顶撑固定。

（4）设备各项防护设施安全性能必须符合有关规定；电气部分必须完好，严禁出现失爆现象。

（5）对所接火、解火的开关及设备，必须履行审批手续，施工时必须停止上级电源，停电闭锁，并挂“停电牌”，使用与在用设备电压相匹配的验电笔进行验电，确定各相无电压输出后，放电、挂好接地线后方可施工。

（6）接火时将电缆穿过喇叭口，挡环、密封圈，电缆护套距离内接线腔内壁必须符合规定，各固定螺丝牢靠、齐全。解火后喇叭口应补全挡板，确保无失爆现象出现。

（7）根据压接螺丝做好恰当的线鼻子，并压接牢固。 （8）压接完成后，清扫腔体内杂物，保证合格的电气间隙。

作业前必须严格执行《停送电管理制度》，进行停电、验电、放电，挂接地线等工作确认无误后，方可检修；开关自检、电气检修应挂停电对牌。

（9）严格执行《停送电管理制度》，严禁约时停送电。 （10）送电后试运行，确定设备正常运行后方可离开现场。 （11）电缆严禁用铁丝吊挂，必须使用电缆钩。

（12）电缆必须有适当的松弛度，在意外受力时能自由坠落，电缆悬挂高度应以巷道内电缆平直为宜；电缆钩吊挂间距0.8米，电缆钩间距误差不大于5mm。

（13）带电电缆不得打绞、盘圈或盘“8”字形，穿墙电缆必须设置电缆套管并封堵严密，电缆穿墙后，墙体两侧电缆必须粘贴电缆标志牌。

（14）设备的验收：钻机安装好后由相关人员组织现场检查验收，不经验收不准私自开工，验收合格签字安全确认后方可开钻施工。

（二）钻孔施工安全技术措施

（1）施工前，必须全面检查现场生产条件，保证现场通风、供电、压风、供水、排水系统完好，瓦斯传感器安装位置符合规定，并能正常灵敏使用。

（2）施工前必须在钻机后5m位置拉线警戒，防止人员随意进入钻场。在工作面位置挖掘2个与现场预测涌水量及探钻消耗水量匹配的临时水仓，一个连通临时排水沟作为沉淀池，另一个安装排水泵用于确保积水安全及时排放。

（3）现场排水泵必须一备一用，并保证完好；排水管连接至工作面以外，保证现场积水或用水能有效排出。

（4）钻孔孔径：根据《煤矿防治水细则》探放水钻孔终孔孔径一般不得大于94mm，本设计选用ZDY4500LX煤矿用液压钻机，钻杆直径73mm，开孔φ133mm，施工6.5m，下φ108mm长度6m套管，终孔直径75mm。

（5）先用φ133mm钻头开孔6.5m，退出钻杆，将φ108×1500mm带有内正丝母丝的地质套管逐根安装至孔内，安装套管前，套管加工时已车有防逆退鱼鳞扣，鱼鳞扣上均匀缠有麻匹，共下入5根，最外一根有焊有法兰盘。

（6）最外一根孔口管需用打在钻孔附近的锚杆固定，防止高压水连同孔口管喷出。

（7）孔口管内正丝对接必须严密，每根孔口管用钻机轻推入孔内。 （8）孔口管下入设计深度后，将最外端的法兰盘与专用的注浆管连接，按设计配比注入固定孔口管的C-S双浆，双浆液要求配比均匀，搅拌及放置时间必须符合规定。

（9）选用2TGZ 2TGZ60/210双液调速高压注浆泵，先注水泥浆，跑浆或封孔时用双液浆，注浆前，先用注浆泵压清水，冲洗孔隙中的岩尘，提高浆液结石体与孔口管壁的粘结强度及抗渗能力，压水时间5～10分钟，在注浆管上连接测水的压力表及阀门装置，测出静水压力值，完成测压工作后（如涌水不明显，无需测压）；开始注浆，在注浆过程中，待孔口与管壁间均匀出双浆液2分钟时，即可停止注浆等待凝固。

（10）第一个孔口管注浆固管后，按以上施工操作步骤，对其余钻孔进行固管。

（11）对所有孔口管固管完成，待固管浆液凝固时间8小时后，连接注浆泵与孔口管进行耐压试验，试验压力3MPa、保持30分钟以上，套管以不松动、不漏水、不卸压为合格，耐压试验合格后，在孔口管上安装与孔口管规格匹配的闸阀和压力表，闸阀与孔口管采用法兰盘连接，必须严格按设计开孔方位固定钻机，防止探水孔与孔口管方位出现偏差，探钻钻孔使用φ75mm钻头。

（12）钻进时,必须先开水，后开钻机；停钻时，必须先停钻，再停水。 （13）更换钻杆时要检查钻杆状态，钻杆不能有堵塞和弯曲、丝扣完好不磨损；装钻杆必须一根接一根依次安装、拆卸，安装完钻杆后，应该先开启水阀门，待冲洗钻孔水从孔中流出后，方可推进钻杆进行钻探作业。

（14）加长或减短退钻杆时，操作司机必须与架钻杆人员密切配合，钻机必须断电、闭锁，架钻杆人员发出动作钻机信号后，方可按信号要求进行钻机动作。

（15）退出的钻杆必须整齐安放在钻机附近，防止杂物及矸石污染丝口和钻杆孔。

（16）钻进过程中，每根钻杆要记录揭露岩性，并随时密切观察钻孔出水量情况。

（17）每个探水孔完成后，必须对钻孔进行测斜，测斜结果必须符合标准规范要求，不合格需重新补打钻孔。

（二）注浆施工安全技术措施

（1）注浆前，对注浆材料的日期合格证以及凝胶时间等进行检查，不符合技术要求的，不得使用。

（2）高压表、高压阀等设备设施必须灵敏可靠，符合耐压质量要求。 （3）双液浆管按要求安装后要确认，避免接错。

（4）注浆泵开机前应检查管路系统是否拧紧连牢，人员是否站到安全位置。 （5）掌握注浆排量和注浆压力，保证形成注浆隔水帷幕，调节排量要及时、均匀、准确、防止过大或过小。

（6）冒浆、跑浆时，应立即查找冒浆部位，采取应急措施，封堵局部冒浆处，然后采取间歇式注浆等措施，以防止继续跑浆、冒浆。

（7）堵管时，必须停机并关闭注浆孔口管阀门待管路泄压后，方可进行检查。

（8）开泵后要集中精力，时刻注意压力表的升降变化情况，及时调整档位，发现异常立即停泵处理。

（9）如需时间长停泵，停泵后，应压清水冲洗管路。

（10）在处理堵管时，要特别注意带压力的管路口不能对人，拆开时人员站在开口侧面，避免浆液喷出伤人。

（11）注浆人员要时刻注意：当设备运转出现异常（如压力突然增大、注浆管跳动剧烈或浆液消耗量突增等）时，要立即停机，进行检查处理无误后方可继续作业。

（12）注浆过程中当发现注浆孔有出水并带砂时，应立即封堵注浆孔。 （13）注浆时要有专人记录浆液消耗量、注浆时间及注浆压力等数据。 七、结束语

综上所述的设计及施工方案，在已探明及存在有水患的地质条件下，尤其是水文条件复杂以上的地层，为了工程及现场人员设备的安全，必须采取行之有效的探放水、治水施工方案，此设计经现场实施，实现了预期效果，在同类或类似工程条件下，能够取得良好技术经济效益的同时，亦能更能取得良好的社会效益，具有一定的推广价值。

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