新兴煤矿探放水的实践与启示

吴绍贵，单忠刚，周明杰，张立新

(黑龙江省七台河职业学院,黑龙江 七台河 154600)



新兴煤矿探放水的实践与启示

吴绍贵，单忠刚，周明杰，张立新

(黑龙江省七台河职业学院,黑龙江 七台河 154600)

本文介绍了新兴煤矿生产现状，提出了探放水方案，进行了探放水量、水压、放水时间和煤柱宽度计算，阐述需要做哪些施工准备工作，详述了施工顺序和要求，探放水最后得以成功。

老空；防水煤柱；套管；止喷帽

七煤集团新兴煤矿是年产190万t的大型矿井，可采煤层10组，是1/3焦优质煤。其中58#层厚0.8m，倾角24°。该矿井采用多水平立斜井综合开拓方式。在一水平(-14.5)是生产水平期间，三采区对标高-14.5到-153.6的58#煤层采取了下山式开采。当二水平主运石门(-280)送达三采区下侧时，58#层采空区已经积满水，为了安全开采其下侧煤层，需要疏干。该矿在七台河职业学院专业人员的指导下，对探放水设计、施工和操作进行了周密部署和实施，取得了探放水成功。

图1 探放水方案图Fig 1 Exploration and drainage scheme chart

探放水方案(见图)：从二水平主运巷位置，送一条58#半煤上山，至该煤层预留防水煤柱的下边界，落平，停下。然后，从三采区二水平回风上山再送一条上山岩巷，与该头贯通，构成通风系统。然后，在上山岩巷适当位置掘钻机硐室，打钻放水。

1 参数计算和施工准备

1.1 老空水量、水压和放水时间的计算

A.老空水量。

按此式：Q积=∑Q采+∑Q巷，m3

式中：Q积-相互连通积水区总水量(m3)；∑Q采-相互连通采空区积水量之和(m3)；∑Q巷-连通采空区的各种巷道积水量之和(m3)。

经计算得：Q积=∑Q采+∑Q巷=93 830.4+18 707.2=112 537.2(m3)

B.老空水压。

P=H·r=(153.6-14.5)·r=139.1(t/m2)

式中P-老空水压(m)；H-开采垂深(m)；r-水的比重(t/m3)。

C.放水时间。

由单钻孔出水量：

其中C-流量系数，取0.65；ω-钻孔流水断面积，m2。直径3英寸管与直径42mm钻杆断面积差为3×10-3m2；g-重力加速度，9.81m/s2；H-钻孔出口处水头高度，m，因泄水时水压是渐变低，取最大水头的40%～60%，取78.3m。

可知钻孔疏干水所需时间是：

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

1.2 隔离煤柱的宽度计算

式中B-煤柱下侧巷道最大跨度(m)，取3m；P-煤柱静水压力(t/m2)；σ-煤体许用抗张强度，即σ允拉，而：

σ允拉≈40·εa·f/n(t/m2)(属推定之关系式)

其中εa-岩体与岩块之间极限强度差别系数(裂隙系数)，取0.75；f-岩石普氏系数，58#为0.94；n-安全系数，一般2～5，取3。

考虑到该区域无明显地质构造，隔离煤柱宽度取34m。

1.3 钻孔方位的确定

钻孔开口点与老空下巷预透点的连线，是孔向。预透点在底板中心线上选取。开口点到预透点尽可能近。开口点的高度和方位必须适合坐钻机打钻。

经确定和计算，真方位是9度，倾角52°，孔深35m。

1.4 钻具的选用和防堵

钻机选用鸡西煤矿机械厂MAZ-200型井下钻机，钻头直径75mm，钻杆直径42mm。钻机外形尺寸长1 450mm×宽900mm×高1 450mm。

1.5 套管及配套部件的制作

预计出水口的水压是：[(153.6-14.5)+34sin24]m=153m水柱高，即1.53MPa，按规定必须设套管、三通阀门和止喷帽等一套控水装置。

A.制作套管。无缝钢管，长1.2m，直径4英寸(φ104mm)；距下端50mm处焊一圈能卡住组合式铁夹板不下窜的钢筋，钢筋直径不小于15mm；下端焊法兰，以便接排水三通。B.制作三通。长200mm，直径同套管，所焊接侧向管直径3英寸，长150mm；三通口都焊有法兰，一端能接套管，另一端能接止喷帽，侧向管能接限水闸阀筒体中部向上另焊一细管，能接水压表。C.制作止喷帽。止喷帽的作用是，通有钻杆又不允许渗水喷湿钻机，以便可以重启动钻机。止喷帽既要有法兰与三通管相联，本身还要有允许钻杆通过(口径50mm)的用螺丝紧固的两个相扣凹型槽盘。槽盘用来夹持止水密封垫。密封垫依次由铁垫+胶垫+铁垫+胶垫+铁垫组成。胶垫内径为φ41mm，垫厚4mm；铁垫内径为φ43mm，垫厚3mm。这种垫结构，既能允许钻杆旋转微摆，降低转动阻力，又能止渗水。D.制作组合式铁夹板。它由两块长矩形铁板组合而成，用所焊上的L50角铁和螺丝组合，组合铁夹板四角各有一孔(φ30mm)，可穿四棵锚杆。锚杆用于往岩帮固定组合铁板，组合铁板又卡住穿过的套管，不致其受水压窜出。组合铁板每块长700mm×宽350mm×厚5mm。

1.6 测具的选用

选好打钻开口点，然后用经纬仪测出精确坐标，为防止开孔毁掉该点，以哑尺方式把该点反到附近巷帮，可用快硬水泥埋钉示之；中心方向也用经纬仪视点标到拱顶前后端，同样埋钉。

埋套管和打钻，用新铝质坡度规给套管和钻杆测倾角。该坡度规精度误差不大于20分，35m之距系统正负误差不大于35×tg(20/60)=0.2m，而从钻向看透点巷道底板，宽达2.6×cos(90-52)=2m，可见，能满足给倾角精度要求。另外，用它卡套管卡钻杆坡度非常方便，且额外误差少。

1.7 制作封浆工具

由于套管很短，可省去注浆泵，只制作一只长把“平头勺”状推沙浆工具即可。该工具长1.4m，头部以能推入底部间隙为宜。

1.8 其他准备

放水前，走水路线上的水沟要清完，各级水仓於泥要清净，相关水泵要检修可靠。

2 施工顺序和要求

2.1 先掘接近积水区的通风巷，留足设防水煤柱

从二水平主运巷掘58#半煤24°上山巷，掘至防水煤柱宽度为34m下边界时，落平，再掘8m全岩平巷，停下。然后，从另一侧，即从三采区回风上山掘全岩上山，也为24°，与上述所停独头贯通，形成全压通风巷。需要注意的是，58#煤属本矿所采，有可靠的图纸资料，但为了更安全，从积水线外推110m设警戒线，外推60m设探水线，警戒措施是，掘到预留煤柱35m位置之前，一方面严防掘进过头或测量误差，到位必停。另一方面，班班必须注意观察工作面是否有地质构造和突水预兆，有异常必须停工上报。探水措施是，必须边探边掘，但探眼范围不得进入预留防水煤柱，以防破坏煤柱。一旦探水有渗水现象时不得拔钻，马上撤人上报。

2.2 施工硐室

沿煤层打钻放水的缺点是，高压之下，甚至冲跨。另外，在煤体内埋6m长套管，套管太长，费时费料，一旦埋设的方位不够精准，钻头容易打到顶底板，造成别钻甚至作废。因此，在上山岩巷内，选择既坚硬又靠近老空下巷的白砂岩区域开凿钻机硐室。硐室尺寸以坐钻机，检修钻机和接拆钻杆方便为准，规格为长4.5m×宽3.0m×高3.2m。

2.3 掘预埋套管的岩石孔

以2.5倍套管直径，开套管预埋岩孔。可直眼掏槽或大直径钻头钻制。这里采用了前种，即打直密眼中部眼放小炮掏槽方式，周边眼作导向不装药，但孔口也要塞300mm长炮泥。一炮三检。

2.4 埋设套管

先装设组合铁板和套管找出锚杆眼位，再卸下，然后，打锚杆眼安装锚杆，接着，往侧两个锚杆上安下半块铁板，再搭上套管，之后，往套管和岩孔壁之间灌水泥砂浆，重量配比1∶2.5的砂浆要拌匀不太稀，这样铁板既能兜住沙浆，沙浆又容易被推入深部孔洞。灌满后，再安上半块铁板，两板用螺丝上紧并夹紧套管，继续灌，灌满后，上紧所有锚杆，彻底挤紧挤实洞内沙浆，待凝。灌浆时既要保证岩洞和套管之间无空洞，还必须保证套筒方位正确，要用中心线和坡度规随时校正。

2.5 打压试验

砼凝固到强后，从钻机往套管内插入有钻头的钻杆，上紧止水帽，再用阀门封上泄水三通，做打压实验。试验水压达153m×1.2倍=184m水柱高，设施不渗水不变形，试验合格。

2.6 开钻作业

始钻时，顶钻不要用力，钻深达100mm，适当加力，达3m以上时再正常加力，要防止用力太大，造成钻孔改向。

2.7 探透处理

一旦探透后，钻具不撤，老空水沿孔间隙下泄。因水压高，流量大，用三通水阀控制排放。一旦上口被煤岩渣堵塞，可启动钻机来回疏通。

3 实际放水情况

实际放水23d，计划放水一个月；共出现三次煤岩渣堵透点，三次开钻都得到顺利疏通。做到了安全顺利放水。

4 几点启示

4.1 探水策略首先要正确

能在岩体硐室中进行集中探放水，就不在煤巷中边探边掘，尤其是高压水；能先疏干，就不要顶着积水区进行探水和掘采。不然，费力，丢煤，还极易发生透水事故。

4.2 设计施工要有可操作性

可操作性是指既能保证设计目的，又便于施工。比如，在中厚以下煤层中设套管进行边探边掘，就不可行。因为在中厚煤层中打眼时，短距之内就可能误打到煤层顶底板或构造岩石上，造成夹钻无法前进，得改变一次到多次倾角重打，每次设套管探水失败后都得作废，显然不具可行性。

4.3 设计思想必须周密

设计探水方案时，必须充分预计施工和放水过程可能出现的不利。本案在设计时提前就考虑到这种方式下放水透点极可能堵孔，使探放水取得了成功。

4.4 施工必须严格兑规

设计再周密科学，施工走样，探放水同样会面临失败。为了提高责任心，责任明确，在小班施工钻孔数量和质量上(尤其是前进式超前探放水)，班长和质量监督员必须在施工成果表格上共同签字。并且，监管领导要经常抽查施工的真实性和准确性。做到双保险。

5 结语

本文所述探放水成功案例，展现了一个完整的探放水实施过程，是对探水有关规定和实际组织设计进行的完整实践，对类似探水工作具有重要借鉴和启示意义。

隔离煤柱计算公式的选取和煤体抗张力的推定之依据，参考了有关文献，不承担再引用可能的风险。

[1] 国家安全生产监督管理总局.国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2] 国家安全生产监督管理总局宣传教育中心.矿井探放水工[M].徐州：矿业大学出版社，2009.

[3] 张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[K].北京：煤炭工业出版社，2013.

[4] 武强.煤矿防治水手册[K].北京：煤炭工业出版社，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

吴绍贵(1966-)，男，高级工程师。

TD

B