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探放水设计方案

乌鲁木齐市米东区陈兴远煤矿

探放水设计

地测科

2013.1.1

一矿井水文情况2

二矿井突水预兆16

三矿井探放水人员组织17

四探放水方案17

五施工工艺18

六探放水安全措施20

七工作准备21

八避灾路线23

一矿井水文情况

1位置和交通

新疆维吾尔自治区芦草沟煤矿位于碱沟煤矿与小红沟煤矿之间的芦草沟河东岸，其西以芦草沟河为界，往东约1千米为矿区东界，东西长0.25－1千米，南北宽约0.35－0.83千米，面积约0.6平方千米。

为不规则的长方形。

井田西北距米泉市13千米，西距乌鲁木齐市34千米，井田内有沥青路面与乌～奇公路相接，井田以西北2千米处有通往西站至铁厂沟露天矿和石化总厂的铁路专线，交通极为方便，详见交通位置图。

2.水文地质情况

井田位于八道湾向斜（M2）南翼，含煤地层部分隐伏于第四系冲积层之下。

海拔+760－+876米，平均标高+820米左右，比高一般50-100米，形成本区低山丘陵的地貌景观。

井田内地表水系较发育，芦草沟河自南向北流经井田西南部，为常年性流水河，为井田地下水的主要补给源之一，据我队1981年－1982年观测资料，地下水迳流量7977.94m3/d，渗失量221×104m3/a，其洪流量资料见表6-2-1及6-2-2。

　　　　　　　　　主要沟谷洪流量资料表　　　　表6-2-1

沟谷名称

洪流量（m3/s）

出现日期（年）

流域面积

（km2）　

洪水标高（m）

上游站/下游站

备注　

芦草沟　

　　76.40　　

1978

172　

771.20　　

690.39　

洪流量量引自《米泉县水资源调查报告》洪水位系实测。

河流观测流量统计表　　　　　　　　　　　　　表6-2-2

观测

站名

年

份

月平均流量　　　　（m3/s）

年平均流量

（m3/s）

年径流量

（104m3）

备注

芦草沟上游

1980

0.069

0.283　

81年6月站点移位，年径流量系81年6月－82年5月。

1981

0.223

0.260

0.291

0.083

0.016

0.068

0.037

0.031

0.062

0.159

0.141

0.190　

0.113　

356　

1982

0.170

0.171

0.173

0.101

0.055

0.052

0.058

芦草沟下游

1980

0.090

0.333　

0.043　

135　

年径流量按81年6月－82年5月计算。

1981

0.184

0.266

0.223

0.040

0.037

0.030

0.133

0.082

1982

0.214

0.056

本区属大陆性干旱～半干旱气候，多年平均降水量246.71mm，蒸发量平均2229.50mm，大气降水对地下水补给相对较弱。

井田地层时代为侏罗纪，侏罗纪砂岩构成煤系地层基底，为裂隙不发育的弱含水层。

煤系地层主要由砂岩、粘土岩和煤组成，地下水以裂隙水的形式赋存其中。

第四系由北向南加厚其底部砾、卵石层直接复于煤层之上，含水丰富。

主要含（隔）水层叙述

第四系冲洪积砂砾石含水层（H1）

分布于芦草沟河谷及谷底中，源于山麓，井田内河谷宽度逾1000米，系基座阶地，其上覆约5米厚的黄土状亚砂土为农田，下伏砂砾石为含水层，含水介质多呈次圆状，成分复杂，泥砂混集，在芦草沟以西砾径以2－15mm居多，以东则以50mm为主，实测平均水位埋深13.59米，据区外芦草沟中部向斜南侧水5钻孔抽水试验表明，当S＝1.80米时，Q＝1.6311l/s，q=0.906l/s.m，K＝9.36m/d，中等富水～富水，为硬水，弱矿化，弱碱性之硫酸盐，重碳酸盐～钠水，此含水层侵蚀切割较其老的含水岩系，被其切割者均依各自的渗透性能承受补给，形成地表水补给地下水，潜水补给承压水的特征。

就井田矿床充水而言，本含水层直接置于主采煤层之上，构成矿床直接充水含水层，在煤矿未来开采中应引起高度重视，防患于未然。

3.2.2.2煤系地层的主要含（隔）水层

依矿床充水特征，现有开拓水平，开采煤层层数等划分含（隔）水层。

a、42-43号煤顶隔水层段（G1）

为深灰色致密块状粉砂岩、泥岩、炭质泥岩等。

据以往邻近资料，岩芯多完整，简易水文观测无异常，消耗量多0-0.008m3/h，层厚20-30米，为相对隔水层。

b、42-43号煤顶～底板段极弱含水层（H2-1）

以内生裂隙发育的煤，具节理粉、细砂岩为主，局部夹中、粗砂岩，据《乌鲁木齐河～白杨河详查地质报告》区外19－02孔抽水试验资料：

静水位埋深74.50米，水位标高713.76米，当S＝17.07m，Q＝0.106l/s，q＝0.0062l/s.m,K=0.0097m/d，是富水性极弱的承压含水层，属中等矿化弱碱性，极硬之硫酸盐型水，不能饮用。

依矿床充水而论构成可采地段43号煤层时的直接充水含水层。

c、45号煤顶板段隔水层（G2）

由深灰色致密块状无节理粉砂岩、细砂岩、泥岩、炭质泥岩构成，据详查地质资料，岩芯多完整，简易水文观测无异常，冲洗液消耗在0.004－0.007m3/h，层厚在15－30米，故为相对隔水层。

d、45号煤顶～底板段弱含水层（H2-2）

以内生裂隙发育的煤，具节理粉、细砂岩为主体，局部夹少量中、粗砂岩层，在以往区外向斜北翼22－02孔抽水试验表明：

Q＝0.239l/s,q＝0.0089l/s.m，K＝0.0083m/d，为富水性极弱的承压含水层，属强矿化，弱碱性，极硬之硫酸盐型水，不能饮用。

依矿床充水而论构成开采地段45号煤开采时的直接充水含水层。

值得指出的是：

在上述砂岩、煤层及粘土岩类水文地质结构中，依自然状态及含水性相对划分了含（隔）水层。

然因井田傍河，加之老窿水及人为采动之影响，改变了井田的自然流场，使局部裂隙发育，而使各含水层间产生水力联系。

地下水的补给、径流和排泄条件

由于冲积层间、煤系地层（特别是煤矿床）含水层间，无稳定的隔水层赋存，地下水以垂向补给为主。

井田内地表水体较丰富，芦草沟河为常年性流水河，第四系中的砂砾石含水层直接置于主采煤层之上，而煤层节理裂隙发育，基岩含水层由于人工采动而裂隙相对发育，煤系各含水层均在露头处接受这一含水层的补给。

在煤系外围，第四系砾卵石也广泛与基岩直接接触，两含水层常成为互相补偿的统一体。

另外，现生产矿井及邻区矿井采空区严重积水，且采空区位于地表水及第四系含水层之下，使老空水与地表水、第四系砂砾石含水层水力联系紧密，构成了煤矿床开采时的重要补给源，同时，对今后煤矿床的开采也构成了重大隐患。

井田内地下水流向一般由南向北，煤系各含水层在北部及东北部接受大气降水（局部）和第四系含水层补给后，除垂向渗透外，即在层间迂回流动，在西南露头处再返回冲积层之中，所以在广阔的第四系分布范围内，处于向斜构造的煤系地层，可看作是第四系冲积层水的一个迂回通道。

由于矿井的开拓，人为局部改变了地下水的循环特征，矿井即形成了一个个局部排泄区。

地下水的化学特征

区内地下水化学类型为SO4·HCO3－（K+Na）·Ca·Mg型水。

分布于煤系地层H2含水层中地下水，补给为地质历史时期内，通过风化裂隙、构造裂隙、人工采动塌陷渗入的大气降水及地表水，PH值8.0，矿化度1468－1088.83mg/l，SO42-为578.57-1088.83mg/l，HCO3－为469.85－488.16mg/l，（K++Na+）为318.90－516.12mg/l，Ca2+为113.33-140.76mg/l，Mg2+为52.60－94.91mg/l，为弱矿化，弱碱之SO4·HCO3－（K+Na）·Ca·Mg型水

区内地表水河流芦草沟河，PH值为6.7，矿化度828mg/l，HCO3-含量445.45mg/l，SO42-含量234.55mg/l，（K++Na+）含量143.77mg/l，Ca2+含量96.07mg/l，Mg2+含量33.90mg/l，为HCO3·SO4－（K+Na）·Ca·Mg型水。

从河水与矿井水水质分析显示，水质各种离子成分基本一致，河水沿采区、塌陷、裂隙渗入煤系地层，经溶滤作用，各种离子含量增高，矿化度增大，硫酸盐含量增高，使水质类型从HCO3·SO4－（K+Na）·Ca·Mg型转变为SO4·HCO3－（K+Na）·Ca·Mg型水，显示出其补给之关系。

3、矿井充水因素分析

（1）大气降水

井田内降水稀少而蒸发强烈，渗入量有限，影响不大。

但塌陷坑、老窑、采空区汇集降水，形成集中补给，构成矿井充水隐患，此点应引起高度重视。

（2）地下水

井田内地下水的补给主要为芦草沟上游的地表水和地下水通过第四系松散层的垂直及侧向渗透补给矿井地下水，构成矿床开采的主要补给源，构成矿床开采的另一主要补给是老窿水的下渗，其接受第四系砂砾石含水层的源源补给，这对现生产矿井开采构成巨大隐患。

（3）煤层含水

井田内含煤岩系含水性相对较弱，含水空间局部因人工采动而发育，但总体而言，含水空间含水性弱，对矿井地下水的补给意义不大。

（4）老窑水

位于邻近井田东部的芦草沟煤矿四号井，立井、井深225米，已采五个水平，均基本采空，因水大而停产。

据调查采空区严重积水。

此井主采43－45号煤，东开采110米，向西开采约370米，年产6万吨，充水量1440m3/d，据该矿称充水水源是来自公安厅煤矿的老窿水。

邻近生产井西界的碱沟二分厂煤矿，井深约196米，四水平以上均已采空，东采至近芦草沟河床，地表可见塌陷坑，距河床10米左右，据该矿称，充水水源是芦草沟现代河床水沿采掘中发育的人工裂隙而流入，因淹井而废弃，水位埋深近20米，空区严重积水此乃矿井开采中不可忽视的补给源，在未来的矿井生产尤其是西采区煤炭的采掘中应引起足够重视。

4　　矿井涌水量预算

芦草沟煤矿为邻近现代河床开采矿井，矿井充水不仅受现代河床冲积砂砾含水层及老空水的直接影响，而且受截流工程（第四系截水水井及四水平截水巷道）所控制，由于矿井自身的充水特点，加之人工采动及充入之水与煤矿床相互作用侵蚀等诸多因素，使井田形成了一个独特的水文地质单元，综合考虑井田水文地质条件及矿井排水截水工程现状，生产条件，探放水结果，故采用现生产矿井五水平排水资料，运用水文地质单位涌水量比拟法预计矿井新采区的矿坑涌水量。

由于在本井田水文地质条件相对复杂，现有工作量概化水文地质条件较为困难，用其它方法计算难度大，水文地质比拟法方法简单易行，根据现有上部开采区域生产矿井的涌水量来推测未来开采区域的涌水量较为可靠且较为经济。

据矿井开拓现状及排水资料预计正常矿坑涌水量

（1）Kp=Q0÷P0=（354.59×360）÷70000=0.212

Kp－富水系数

Q0－现五水平日排出的平均水量354.59m3/d

P0－现年开采量600000吨

（2）生产矿井新采区矿井涌水量

Q＝Kp×P＝（0.212×600000）÷360＝353.3m3/d

Q－矿井预计矿井涌水量

P－矿井设计开采量600000吨/年

5、水害影响程度及防治水难易程度评价

水文地质探采对比

芦草沟煤矿，竖井主井垂深350米，最低开采水平+537米，主采42-43、45号可采煤层，现井下可见煤层，所属含水层淋水、滴水，主坑道、井筒充水，以淋水为主要形式，以岩巷、煤层出水为主。

充水通道为采掘中发育的人工裂隙。

现矿井开拓系统据矿方资料，其开采范围：

一、二、三、四、五、水平已采空，东采至520米，西采至480米，其接受第四系孔隙潜水的垂直及侧向渗透补给，采空区内积水严重，45号煤层地表塌陷坑有一出水点，出水点位于矿井西部所属含水层内，实测水位埋深9.86米，静水位标高+761.05米；五水平东采区43、45号煤均采至520米，西43号煤采至480米，均已采空；东采区45号煤尚未采掘。

现生产井采至六水平东采区，矿井生产过程中发生数次矿坑涌、突水。

据矿方资料，早在开采二水平45号煤时就出现过大量涌水情况，因水头不高，水压不大而未造成伤亡事故。

采三水平时发生两起突水，造成淹井，致使西采区45号煤不能采掘；四水平曾发生两次突水事故：

第一次是1980年掘进至西棚运输巷，45号煤层中松软夹层垮落，继之迅速突水，造成死亡一人的淹井事故；第二次是1993年开采此处煤，发生突水淹井，造成十四人死亡的“7.30”特大事故。

目前该矿仅开采五水平东采区，老窿水水头达近200米，积水空间约为十万立方米，以上构成煤炭开采的重大隐患。

矿井排水系统五水平设90KW9级泵两台，四水平设90KW9级泵三台，七水平设90KW9级泵三台，由七水平至七水平水仓抽到五水平再由五水平运输大巷井底水仓，扬至四水平，以自然坡度汇于总水仓，再由四水平扬至地面，四水平作为下部煤层开采的截水工程巷道，将上部之水截于此水平，汇于总水仓扬至地面，1996五水平总水仓排水资料见表6-3-1，显示其地下水动态变化。

芦草沟煤矿井采五水平排水量一览表　　　　　　表6-3-1

月份

排水量

（立方米/天）

470.42

588.03

备注

此排水资料由矿方提供，2012年10月利用小浮标法实测矿井排水量235.213/h。

鉴于老空积水对煤矿生产造成严重威胁，2002年8月，我矿于南大槽西采区+625－+685米两水平进行了探放水实施工程，在+670m水平，井下施工放水钻孔12个，其中9个钻出水，涌水量最大30m3/h，最小0.5m3/h，放出此水平以上老空积水3219.52m3。

在+625m水利用原南小槽运输巷在采区西部边缘进行巷探放水，共放出此水平以上老区积水7858.44m3。

此项探放水实施后，采空区积水得到有效疏放，共疏放老区积水11077.9立方米。

经探放水后，2004年四水平截水工程排水量，921.5－1348.96立方米/日，五水平排水量335－374.17立方米/日，显示探放老空水后，在截水工程作用下，现开采水平排水量有了较明显减少。

水文地质灾害的预防

该矿受水害威胁的主要充水水源，有地表水（体）、煤层顶板裂隙水、煤层底板灰岩岩溶裂隙水、断层裂隙水和老空水。

现对其危险性分析如下：

地表水（体）分析

本区大气降水多集中在每年5～9月，雨季由于潜水影响，矿井涌水量会有所增加，但总体影响不大，其危险度由浅部到深部会逐渐减小。

地表水（体）应当重视的是本矿区附近的芦草沟河。

煤层顶板岩性主要为砂质泥岩、泥岩，按照《矿井水文地质规程》，冒落带及导水裂隙最大高度为：

（1）冒落带高度：

H=（3～4）M=150～200mM为煤层厚度，按最厚的42-43号煤层厚度计算，则冒落带厚度为150～200m

（2）导水裂隙带最大高度：

H=100M/（3.3n+3.8）+5.1=70.46m

H=100M/（2.4n+2.1）+11.2=110.05m

M为煤层平均厚度等于50m；回采工艺为一次采全高，n取25。

根据计算，其导水裂隙带最大高度为70.46～110.05m。

根据首采工作面资料，小于导水裂隙带最大高度，应留设河床煤柱70～110m，以防止雨季突水事故的发生，确保生产安全。

煤层顶板砂岩裂隙含水层分析

42－43号煤层直接顶板粉砂岩，单轴抗压强度R=58.6Mpa，软化系数K＝0.58，稳定性好,显示其顶板稳定性差。

顶板砂岩裂隙含水层，其岩性多为细-中粒砂岩，发育2～3层，平均厚度15.80m，多以渗、淋水形式向矿坑充水，该层段富水性较差，实际生产中顶板淋水较小，不构成矿井充水威胁因素。

煤层底板灰岩岩溶裂隙含水层分析

煤层底板泥岩/粉砂岩含水层，由粉砂岩组成为主。

岩性和层位较稳定，平均厚23.54m，岩溶裂隙发育较差，具有不均一性。

该层至45号煤层距离平均厚23.78m，根据经验：

10m水柱高度应有1.0m的安全隔水厚度，根据本区S2含水层静水位标高+748.3m，现生产水平+432m，水柱高度为316.3m，安全隔水层厚应为31.63m，本区45号煤层底板隔水层平均厚度23.78m，略少于33.82m的安全隔水层厚度，为不安全隔水层，建议对底板加强管理防止突水事故的发生（我矿已在45号煤层以南设置截流工程）。

断层裂隙水分析

在我矿区内并未出现明显断层

老空水分析

本区上分层采空区积存了部分的老空水。

老空区突水是矿井水害主要危险因素之一，煤矿应认真执行“有掘必探，先探后掘”的安全技术措施，实行有计划探放水措施，可以有效防治老空水突水事故，做到安全生产。

6水文地质类型划分

井田内的第四系砂砾石含水层（H1）直接覆盖在煤层之上，构成该地段煤层开采的直接充水含水层，单位涌水量q=0.906l/s.m，承受地表径流源源补给，故此地段的水文地质类型为孔隙类中等型。

井田内广泛发育的侏罗统西山窑组砂岩、煤层含水层（H2），赋存裂隙承压水，单位涌水量q=0.0062－0.0089l/s.m，为煤层开采时的直接充水含水层。

自然状态下含水性微弱，但考虑到老窿水及人工采动影响，其水文地质类型为裂隙类简单～中等型。

综上所述，综合考虑含水层的含水空间，补给性能，其赋存与煤矿床充水之关系等因素，井田水文地质类型为裂隙～孔隙类，中等型。

二矿井突水预兆

（一）一般预兆

1、煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，而且淋水由小变大，有时煤帮出现铁锈色水迹。

2、工作面气温降低，或出现雾气或硫化氢气味。

3、有时可闻到水的“嘶嘶”声。

4、矿压、发生片帮、冒顶和底臌。

（二）工作面底板灰岩含水层突水预兆

1、工作面压力增大，底板臌起，底臌量有时可达500mm以上。

2、工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。

3、沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增大，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊，底板活动时水变浑浊、底板稳定时水色变清。

4、底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有“嘶嘶”声或有刺耳水声。

5、底板发生底爆，伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。

（三）松散孔隙含水层突水预兆

1、突水部位发潮、滴水、且滴水现象逐渐增大，仔细观察可以发现水中含少量细沙。

2、发生局部冒顶，水量突增并出现流沙，流沙常呈间歇性，水色时清时混，总的趋势是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。

3、顶板发生溃水、溃沙，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。

三矿井探放水人员组织

组长：

薛海生

副组长：

何中江

技术负责：

张鹏

成员：

探放水工以及当班掘进人员和瓦检员

四探放水方案

根据老窑资料分析结合现场实际情况经有关人员研究，坚持有疑必探，先探后掘的原则，制定的探放水方案设计如下。

1、钻机选型

本次探放水选用TXU-75煤矿安全钻机。

2、隔水煤柱选择

根据《煤矿安全规程》、《煤矿防治水工作条例》及有关探放水的规定，同时依据矿井探放水经验，留设30m隔水煤柱。

3、钻孔布置

在钻窝迎头共设计探放水孔7个，见图1，其中1号孔水平方向平行于掘进巷道，垂直方向与掘进巷道倾角相同，2号孔水平方向平行于掘进巷道，垂直方向与1号孔成25度夹角向上方探放，3号、4号孔扇形分列在两边，均与1号孔水平方向呈25°夹角，垂直方向与水平面成30度夹角，3号孔探前方顶板水，四号孔探前方地板水，钻孔开孔高度1m。

5、6、7号探眼布置在巷帮靠老空册，距顶高度30厘米，6号眼水平方向与巷道成90度夹角。

垂直方向与水平面成15度夹角向上方探。

5、7号眼分列于6号眼相距30厘米处，垂直方向与6号眼相同，水平方向分别于6号眼成15度夹角，向两边探放。

探眼深度45米。

4、钻孔结构

7个钻孔结构相同，设计钻窝前煤柱15m，下Φ110mm的套管10m，前方钻孔Φ56mm。

套管外端接4吋阀门，再接孔口密封装置（防喷装置）以保证有控制放水。

放水钻孔堵孔严重，达不到放水效果时，需要在原套管内下第二层Φ73mm套管，套管长22m，一直下至采空区内，如图3所示。

5、放水

正常2个放水孔，最大放水量可达30m3/h左右。

五施工工艺

1.煤体注浆加固

（1）开孔。

开孔前要重新标定钻机定轴方位和倾角，然后用Φ42mm钻杆，接Φ130mm钻头开孔。

钻进至10.3m时停钻，准备下套管。

（2）注浆固套管。

将Φ110mm长10m套管前方接Φ110mm锯齿钻头，边回转边下入孔内，在下入最后3m套管时要缠上海带，在制浆容器内制好水泥浆，要求水泥浆的水灰比为1：

1.2，容重1.6t/m3，然后用注浆泵将水泥浆压入套管内，当水泥浆由套管外环间隙返浆到孔口时，停止注浆，用碎布，捣实。

停1h后再补注1次。

（3）测压。

固管水泥养护24h后，用Φ89mm钻头将套管内水泥柱扫清，套管外口接测压装置测水压，直到套管内水压达到0.5MPa时停止测压。

如测压时压力值未到0.5MPa而套管外即漏水，需采取注浆加固补救措施。

2 孔口管控水

套管经测压没问题后开始探水。

套管外端依次用法兰盘连接4吋球形高压闸阀、孔口密封装置（防喷装置），然后将Φ42㎜钻杆接Φ56㎜钻头下入孔内，将剩余孔段打透。

探出水后，如水压水量不大，继续向前钻进3~5m后停钻，拧紧孔口密封装置的压盖，关闭排碴管，慢慢退出钻具。

待钻头从球形高压闸阀内退出以后，关闭闸阀，稳定10min后记下水压值，水压为0.3MPa，然后去掉孔口密封装置，打开4吋球形高压闸阀放水。

3 双套管放水

在放水过程中，由于煤体较软，堵孔、塌孔较为严重，而疏通孔既困难、麻烦，又较危险。

为解决放水过程中的堵孔、塌孔难题，我们采用双套管放水技术，即在原套管控水的基础上，再下一层套管。

将Φ73mm的厚壁套管前端接Φ75mm的合金锯齿钻头，用MK—4型钻机带动套管直接钻进，将套管一直下到采空区内2m，将套管固定，并与Φ110mm套管连为一体，在Φ73mm套管外端接3吋高压球形闸阀（抗压能力不低于0.5MPa），再用Φ42mm钻杆接Φ56mm钻头，将Φ73mm套管内的煤碴扫净，然后进行放水。

六探放水安全措施

1、对小窑老空充水区、充水巷道、导水断层、强含水层、陷落柱、老钻孔等需要探放水的地区，都必须确定探放水警戒线，并准确地绘制在采掘平面图上。

开拓掘进工程到达警戒时，必须先探后掘，严格掌握钻孔的超前距离。

钻进时发现煤岩松软、片帮、来压或钻眼中水压、水量突然增大、顶钻等异常情况时，必须立即停止钻进，但不得拨出钻杆。

要立即向矿部报告，并派人监测水情。

如果发现情况紧急时，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。

2、在安装钻机前，必须遵守下列规定：

（1）、加强钻孔附近的巷道支护，背好帮顶，并在工作面迎头打好坚固的立柱和拦板。

（2）清理巷道浮煤，挖好排水沟。

（3）

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