水文监测孔设计.docx
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水文监测孔设计
水文监测孔设计
2012年3月
单位
第一章概况
第一节矿井情况
XX矿设计生产能力90万t／a，始建于1989年，1992年10月投产。
建有一对竖井和一对斜风井，设计开采二1、二3煤层。
目前主要在-200m水平开采二1煤层。
现在正规划在矿井东翼建设技改区，主采二1、二3煤层。
井田位于XX市境内，井田范围：
西至小王庄断层，东至315勘探线；北以二1煤层露头及魏庄断层为界，南到黑水河断层、肖庄断层及六4煤层-800m水平线一线。
东西长8Km，南北宽2.5Km，面积11.042Km2。
地理坐标：
东径1130~29′07″～113034′04″，北纬34011′33″～34013′22″。
第二节矿井地质概况
一、地层
XX矿位于华北地层区豫西分区的嵩萁小区，绝大部分地区的基岩被新生界第四系地层覆盖，仅在矿区西部出露小面积新第三系地层。
井田内钻孔揭露地层自老到新依次有：
早古生界寒武系上统崮山组（∈3g）、长山组（∈3C）、凤山组（∈3f），奥陶系中统下马家沟组（O2x），晚古生界石炭系上统太原组（C3t），二迭系下统山西组（Pls）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh），新生界第四系（Q）。
除石千峰组的平顶山砂岩在大武庄零星出露外，基岩皆被第四系掩盖。
自标8底界面至平顶山砂岩底界面，厚520m～580m，平均厚度545m。
含煤49层。
按岩性组合特征及旋回结构，可分为六个煤组。
二、构造
构造形念为单斜，地层走向1100～2900，倾向2000，地层倾角浅部100～150，深部250左右，东南部局部大于400。
区内地质构造以高角度正断层为主，主要发育北西向、北东向两组断层。
北西向断层主要有：
魏序正断层（F5）、关庄正断层（F4）、连堂正断层（F19-1）、张堂北正断层（F19-2）、F27、F16、陈庄逆断层（F12）、肖庄证断层（R）、岳庄正断层（h）和黑水河正断层（F2）；北东向断层主要有：
龙屯正断层（F14）和桐树张正断层（F7）。
此外还发育一组近东西向断层，主要有：
F20、殿池李正断层F11）、F26、马厂正断层（F30）和小王庄正断层（F6）。
沿地层走向还有小的缓波状起伏。
1．断裂构造主要特征
①断层发育特征：
在井田范围内，由钻探、物探及井巷工程控制、揭露的不同规模的断层共发育北西向、北东向和近东西向三组，其中北西向和北东向两组最为发育。
②断层活动特征：
魏庄断层南北两侧分别派生了徐庄背斜、石龙王向斜两个拖褶皱，从裙皱枢纽与断层走向之夹角关系，表明断层北东盘的运动方向系由南东向西北，反映断层具有序行平移的性质，这与区域煤田边界断层襄郏断层平移性质一致，应为同一应力场、同期构造运动的结果。
研究区受喜山期伸展应力场作用，褶皱不发育，断层活动表现为强烈的引张，断层带宽，断层角砾岩角砾棱角明显，断层附近地层挤压、揉皱等形迹少见。
如二采区皮带上山巷道地质剖面图上一小型正断层的破碎带宽达0.4m，又如距矿区仅几公里的寒武系石灰岩裸露区，断层破碎带宽达数m，断层表现为张性且成组发育。
研究区断层具有多期活动特征。
③断层的空间分布特征：
在平面上沿主干线断层走向常见分叉现象，发育一系列低序次断层，如魏庄断层（F5）下盘，伴生有F4、F19等次一级断层，伴生断层靠近主干断层处断距较大，离开主干断层即迅速尖灭。
断层的分叉现象在剖面上也常出现。
2．层间滑动
区内层问滑动比较强烈，在井巷工程和钻孔岩芯中可见二1煤层和其顶底板附近，滑面、擦痕普遍发育，煤的原生结构遭到破坏，呈粉状、鳞片状，具褶曲流变现象，煤层厚度也遭受不同秤度改造。
另外，受派生小型断层和不协调褶曲的控制，局部出现薄煤带或厚煤带。
第三节二1煤层底板主要充水含水层与隔水层
一、主要充水含水层
1．上寒武系白云质灰岩岩溶裂隙承压含水层
该含水层上距主采煤层二1煤层78m，是二l煤层底板间接充水含水层。
岩性为灰白色白云质灰岩和白云岩夹薄层泥岩。
区内3个钻孔揭露厚度达120.08m～137.01m，其余揭露钻孔揭露厚度较小。
由于勘探阶段该层段未发生漏水，且位于田外一公里处冉垌村的井2，揭露寒武系20m，水位标高135.35m，水量极小，故推断该含水层段岩溶和裂隙不发育。
但是，若遇断层、裂隙，使得多层相互贯通，水量将数十倍增加，是造成矿井灾难性水患的主要因素。
2．上石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙承压含水层
根据其对二1煤层充水条件的差异，可分为上、下两个含水层段：
①下部石灰岩含水层段：
由L1一L6石灰岩组成，L6上距二l煤层42m，是二l煤层底板间接充水含水层。
②上部石灰岩含水层段：
包括L7一L1l石灰岩，其中的L9石灰岩距二1煤层12m～16m，是二1底板直接充水含水层。
区域地质构造上，XX矿位于荟萃山一风后岭背斜南翼，属山前第四系掩盖区。
纵观井田以西的地下水径流区，断裂比较发育，尤以西北的浅井附近为最。
使得本来互不相关的若干个含水层发生了水力联系，从而促进了岩溶一裂隙的发育，为地下水的释流和储存提供了良好的空间。
如白沙水库西，崮山组中发育有深达百余米的溶洞，浅井一带的落水洞呈串珠状出现，揭露寒武系钻孔，多数出现严重漏水。
矿井水患频发，如浅井和长庄煤矿先后被掩。
因此，本区导致矿井突水的主要途径是断层、裂隙。
因为含水层的富水性受断层、裂隙发育程度的控制，所以，各段的富水性和突水性存在较大差异。
综上所述，XX矿地下水为大气成因；垂向主要接受大气降水、地表水和上覆含水层水的渗漏补给，补给量不足；横向主要通过矿区西北部灰岩裸露区接受大气降水或地表水的补给，具近源补给特点，补给量不甚稳定、不甚充足。
开二1煤层的主要充水因素是太原组石灰岩富水性弱的裂隙一岩溶承压水，决定矿井突水危险的是寒武系灰岩富水性弱一强的岩溶一裂隙承压水，其中张夏组和崮山组的富水性最强，当寒武系灰岩水和太原组下段灰岩水联合为害时威胁最大。
老空区水在局部也是主要矿井充水因素。
第四节矿井充水通道
统计分析XX矿历次矿井涌（突）水的导水通道，列出导水通道具有下述规律：
1．断层导水4次，占矿井涌（突）水总次数的10．26％，出水量32m3／h～2375m3／h，平均出水量657．75m3／h。
一般导出二l煤层的底板太原组下段灰岩水或寒武系的灰岩水，初始涌水量大，特别当两个含水层段的水连通时，水量更大，此后逐渐减少，并稳定于一定水量。
2、构造裂隙导水19次，占48．72％，出水量0．025m3／h～770m3／h，平均出水量84．26m3／h。
主要导出二1煤层的底板太原组或寒武系的石灰岩水，初始涌水量变化大，此后逐渐减少，最终干枯或变成淋水，或稳定于一定水量。
3．采动裂隙导水7次，占17．95％，出水量1.15m3／h～32m3／h，平均出水量13.94m3／h。
全部是导出二l煤层的顶板砂岩水，初始涌水量较小，此后逐渐减少，变为渗水，多数最终干枯。
4．其他原因导水9次，占23．08％。
老空区出水6次，主要应为采动影响；钻孔导水3次，其中2次为采动影响使钻孔套管破裂而出水。
第二章水文观测孔设计
第一节观测孔层位的确定
根据<<煤矿防治水规定>>要求水文地质条件复杂的矿井要建立井上、下水文动态观测系统，以观测矿井主要含水层变化情况，为矿井防治水提供参考。
目前矿井井下只有4个观测钻孔，其中3个分布在-200水平，1个布置在13921机巷片盘（-284水平）。
根据集团防治水工作要求主要巷道高程没降低50m就要施工一个观测孔，而三采区泵布置在-330水平，因此在此处施工水文监测孔较合适。
矿井主要含水层为L7-8.L1-3及寒灰，L7-8含水层作为二1煤底板直接含水层。
补给源不足，在经过长期疏放对二1煤开采影响不大。
L1-3与寒灰常常联通，对二1煤开采影响很大，也是矿井水害治理的重点，因此观测这两层水文情况对矿井来讲十分重要，经过分析，观测孔观测层位确定为寒灰。
第二节观测孔方案的确定
1、施工钻场的选择
根据平禹矿实际水文地质情况，考虑施工的方便，在三采区泵房内布置一钻场。
2、钻场要求：
钻场是施工的场所，具体要求如下：
Ⅰ、能满足设计钻孔的方位、倾角施工的要求。
Ⅱ、在完整的岩层中施工，支护牢靠，能保证施工人员的安全。
Ⅲ、能保证排水通畅，自然扩散通风
3、钻场设计：
三采区泵房内布置一钻场。
（见附图）
4、钻孔结构：
使用SGZ-ⅢA钻机，采用三级套管孔径结构，钻孔用φ153mm钻头开孔，下入φ146mm的无缝钢管作为一级套管，然后换用φ133mm钻头钻进，下入φ127mm的无缝钢管作为二级套管，然后换用φ113mm钻头钻进，下入φ108mm的无缝钢管作为三级套管，最后使用φ93mm钻头钻进，下入φ89mm的无缝钢管作为四级套管。
四级套管均需要注浆、封闭，凝固24～48小时后才能扫孔，扫孔到底后必须进行耐压试验，一级套管耐压试验的压力不小于孔口水压的1.5倍，二、三、四级套管耐压试验的压力不小于水压的2.5倍，持续耐压时间不少于30分钟。
以钻孔周围不漏水为合格，合格后方可继续施工。
5、套管技术要求：
13921机巷片盘底板标高为-284m,此处观测孔水压为2.5Mpa，三采区泵房底板标高为-331m,因此从13921机巷底板推至三采区泵房底板所承受水压为2.97Mpa。
三采区泵房布置在二3煤顶板砂岩中，泵房底板距寒灰层平均距离95m。
根据此处L7-8灰放水孔观测，此处L7-8灰水压为0.3Mpa,根据13921底板加固情况推断此处太原组灰岩与寒灰层灰岩极易相互导通。
因该处处在二3煤顶板砂岩中，钻孔要穿过二3煤和二1煤，而这两层煤层较软，为防止钻孔穿煤层时发生塌孔、埋钻事故以及防止钻孔出水失控事故，因此对下套管深度及套管耐压试验压力要充分考虑。
一级套管不能下过砂岩，根据此处地层情况套管深度控制在10-15m，套管耐压试验压力为4.5Mpa,以防压力过大引起底鼓，二级套管下到二1煤层底板以下5m处，深度为26-30m,套管耐压试验压力为水压的2.5倍，即7.5Mpa,三级套管至L8灰，深度为40m套管耐压试验压力为7.5Mpa,四级套管至铝质泥岩，套管耐压试验压力为7.5Mpa。
终孔位置在进入寒灰层10m。
钻孔参数表
钻场号
孔号
方位
倾角
一级管
二级管
三级管
四级管
孔深（m）
放水
（°）
（°）
直径（mm）
长度（m）
直径（mm）
长度（m）
直径（mm）
长度（m）
直径（mm）
长度（m）
层位
三采区泵房
1
立孔
-90
146
15
127
30
108
40
89
90
105
寒灰
第二节、施工技术要求
一、钻孔施工技术要求
1、依据放水孔设计须提前编制设计，并编制安全技术措施，经矿总工程师组织有关人员审批后实施。
2、必须严格按照标定的钻孔方位、倾角施工,不得随意改动，如因现场施工条件受限需要变动时，必须经地测科或分管领导同意后方可变动。
3、为确保施工人员的安全，钻孔必须使用防喷冒和孔口钻杆卡持器等防喷反压装置，以免钻具被水顶出伤人。
4、钻孔孔口套管必须进行耐压试验，耐压试验的压力不小于孔口水压的1.5倍，持续耐压时间不少于30分钟，不合格必须重封，合格后在二级管上安装规格为φ100的高压闸阀。
5、认真做好现场小班记录，记录要符合“及时、准确、完整、清晰”的要求。
准确记录各出水层位的初始水量、最大水量、稳定水量和水压、岩层层位、岩性、换层深度、进入含水层前有无“导高”、进入含水层后岩溶发育程度、位置等简易水文观测进行详细描述记录，以便于收集、分析资料。
6、施工过程中，水仓容量和排水能力在达到要求。
7、防止钻孔塌孔及缩径措施：
⑴对于下套管地带尽量岩芯管施工。
⑵对下套管的孔段要尽量加大孔径。
⑶钻头的合金片在镶嵌过程中在尽量靠外，一般要大出标准钻头的3～4㎜。
⑷在钻孔孔壁比较破碎处，可加压注浆后再钻进。
8、施工过程中要认真执行钻孔防斜措施，每孔结束后要由地测科组织有关人员进行验收，并填写竣工验收单。
9、施工结束后，根据钻探记录情况绘制各钻孔实际地层柱状图并装订成册保存。
二、注浆系统
注浆系统由地面制浆系统、注浆泵、送料孔、井下注浆管路和井下注浆孔组成。
地面制浆系统由水泥制浆机、水泥添加器、搅拌机以及其它辅助设施组成，可以按技术要求配制一定比重的水泥浆，同时，根据底板改造需要，可以在地面加入适量的粉煤灰、锯末等细骨料。
井下注浆管路选用的φ60×6mm高压无缝钢管，并用相匹配的高压快速接头连接，耐压不得低于10MPa，管路应铺设在便于管理和维护的巷道内沿底板铺设，以不影响运输和行人。
注浆孔孔口要安设耐震压力表，不低于10MPa。
注浆前要对注浆管路进行耐压试验，试验压力不得低于12MPa，持续时间不得低于30分钟，发现漏水及时更换，直到试验合格为止。
XX矿
三采区泵房水文观测孔设计
地测科
二0一二年二月十五
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