闽安9煤采空区放水设计.docx
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闽安9煤采空区放水设计
贵州天健矿业集团股份有限公司
金沙县安洛乡闽安煤矿
9煤层采空区放水设计
贵州天健矿业集团股份有限公司
二0一九年六月二日
一、概况
闽安煤矿为技改45万吨/年新建矿井，由原闽安煤矿和剪干湾煤矿兼并重组而成，关闭剪干湾煤矿，保留原闽安煤矿；原闽安煤矿9煤层已回采完毕，井筒于2017年12月份已封闭。
新建45万吨/年的矿井已形成全负压通风系统和排水系统，开拓巷道工程已施工完毕，准备巷道正在施工中，根据《贵州天健矿业集团股份有限公司金沙县安洛乡闽安煤矿初步设计》，矿井开拓方式为斜井单水平开拓，全矿井划分一个水平、二个采区，主斜井、副斜井、回风斜井三条井筒布置在13-9煤层之间，4、9、13、14煤层采用大联合布置，开采4号煤层时，以斜石门方式穿过9煤层，从4煤层底板揭穿煤层后布置回采巷道。
因此在施工4煤层斜石门过程中将有可能穿过9煤层采空区。
根据《煤矿安全规程》第317条、324条、《防治水细则》第1章第3条、第4章第39条规定，井巷接近或穿过可能积水的老空区时，应查明水文地质情况并进行控制放水。
9煤层采空区最大面积85.4万m2，平均采高1.2m，采区回采率0.8，充水系数取0.6，放水点最低点标高+1026m（原二采区水仓底部）,初步估算+1026m以上的积水量大约为49万m3。
9煤层与13煤层平均层间距为42m,预计积水区域最高标高为+1100m,最高水位约74m，钻孔开孔标高为+1000m，故钻孔内最大静止水压为1.0Mpa。
在施工4煤层斜石门时，需穿过9煤层采空区，必须先对9煤层采空区积水进行放水后方可施工（详见插图）。
二、排水方案及施工方法
在井底水仓联络巷入口位置处设置一个钻场，巷道高度为3.5m，采用ZDY-1250坑道钻机（钻杆直径φ50）沿水仓联络巷顶板岩层自下而上打钻进入9煤层采空区，通过钻孔将积水排出。
施工方法如下：
1、钻场：
井底水仓联络巷喷浆支护完好的地点以巷道为钻场布置4个钻孔，钻孔开口布置在巷道高度3.2m位置，孔间距2m，钻孔参数见下表，实际施工以打穿采空区为准。
放水钻孔参数表
孔号
方位角（NE）
仰角
预计长度（m）
1
180°
+30°47′
55
2
165°
+18°6′
56
3
131°22′
+36°
56
4
90°
+33°13′
62
2、套管：
套管采用无缝钢管，直径φ100，长10m，一端焊接法兰，法兰外接相同直径的（φ100）球阀、三通、放水管及堵板（详见附图四）。
3、挡水板：
挡水板采用4-6mm圆形钢板，外径φ600，中孔直径φ60（略大于钻杆直径），按照法兰螺孔的孔径及孔间距在挡水板上钻4个螺孔，再用M16螺杆固定在三通法兰上，挡水板与法兰间距为300mm，即固定螺杆的内接长度为300mm。
3、放水管：
放水管采用φ100钢丝软管，从水仓联络巷钻场位置敷设至水仓入口变坡点处并固定，在球阀前方的套管上安装一个真空压力表（0-1.6Mpa），便于观测水位变化和估算积水量。
4、掏槽与锚固：
套管需用10号槽钢锚固在顶板岩层内，由于钻孔不垂直岩面，为确保套管法兰牢固固定在顶板岩层内，需在钻场的开孔处，开挖一条三角形槽沟，槽沟的一面垂直于钻孔中心线，另一面与钻孔中心线平行，槽沟长1000mm，宽360mm。
槽钢为每个钻孔2条，长950mm，两端对称各钻1个φ25的圆孔，便于安装锚杆。
锚杆每个钻孔4根，直径φ18-20，长1800mm，每根锚杆采用树脂锚固剂3节。
（详见插图）。
5、施工方法与顺序：
先施工水仓口联络巷处最里的第一个钻孔，其它钻孔根据第一个钻孔施工情况和放水效果确定施工时间和顺序。
第一个钻孔的施工顺序如下：
1）底部联络巷巷道净高不低于3.5m，确保安全退路畅通无阻，利用水仓、配水井至水泵房之间的通道进行全负压通风，全负压供风量不小于300m3/min，如果全负压风量不足，则应安装局部通风机进行压入式供风，并有专人检查CH4和CO2等有毒有害气体。
2）水泵房已安装的两台MD150-30×9型卧式离心水泵，在施工放水孔前必须提前对水泵进行联合排水试验，确保水泵最大排水能力。
3）掏槽。
4）安装、调试钻机。
5）用φ105钻头打套管孔，孔深10m。
6）安装套管并锚固。
7）安装球阀、三通、挡水板、压力表、连接放水管。
8）改用φ75钻头从球阀内进入套管打放水孔。
9）打穿采空区见钻孔出水后退钻，待钻头退出球阀后立即关闭球阀，观测并记录水压。
将剩余的钻杆全部退出，在三通外侧法兰加装堵板，打开球阀放水。
3、套管锚固力验算
套管直径为φ100，受压面积为86.6cm2，估计最大水压为1.0Mpa，则每根套管承受的压力为F=86.6×1.0×10.2=883kg。
每根锚杆的锚固力约为40-50KN，每组安装4根锚杆，满足要求。
四、钻孔自然流量估算：
根据《流体力学》短管水力计算公式：
Q70=μc×A×
×3600（m3/h）
式中：
A—管路截面积0.005m2，H—水头高度m
μc—综合阻力系数。
μc=
=0.2；
其中：
α—修正系数，按紊流，取1；
λ—管壁阻力系数，λ=K（0.0125+0.0011/D）=0.034125
K—管壁粗糙系数，一般为1-1.3，取1.3；
D—管径，单位：
m，用φ75钻头，钻孔终孔直径取80mm，即0.08m；
L—管长，单位：
m，取钻孔全长，即60m。
Σζ—管嘴阻力系数，取0.5。
水位为74m时：
Q=μc×A×
×3600=0.2×0.005×38×3600=137m3/h
水位降为10m时：
Q=μc×A×
×3600=0.2×0.005×14.14×3600=50m3/h
经过计算，在最大水位为74m时，钻孔的自然流量为137m3/h。
当水位降为10m时，钻孔的自然流量为50m3/h，单孔平均流量取85m3/h。
5、钻孔个数及水泵选型
1、钻孔个数、放水时间及水泵选型：
估算的总积水量约49万m3，单孔平均流量60m3/h，放水时间为60天时，则放水钻孔个数=490000÷85÷60÷24=4个，平均总流量为340m3/h，最大总流量为548m3/h，但单台水泵的排水能力仅为190m3/h。
以此类推，放水时间为120天时，则正常放水钻孔个数为2个，水位降低时可增加放水孔数，平均总流量控制在190m3/h以下。
实际放水时间按120天安排，正常情况下一台水泵运行，一台备用。
MD150-30×9型多级水泵工况点运行参数
型号
流量
（m3/h）
总扬程（m）
转速（r/min）
电机功率
（kW）
效率
%
必须汽蚀余量（m）
MD150-30×9
190
215
1480
200
75
4.7
五、安全技术措施：
1、巷道支护：
钻孔前后10m范围内的巷道必须加强支护，开孔处的顶板必须坚硬、完整，不得出现明显裂缝、褶曲、冒落等现象，同时用木板背实背严，防止冒顶。
2、安装套管：
在套管外面的法兰边缘必须焊接两块槽钢（对称焊接），每块槽钢安装2根锚杆，锚杆眼应平行于钻孔中心线，锚固剂应搅拌均匀，锚杆螺帽要拧紧。
3、安装挡水板：
为防止高压水喷射伤人，必须在闸阀与钻机之间安装一块挡水板。
挡水板用4根M16螺杆固定在法兰上，挡水板中心点应尽量与套管中心点重叠，钢板厚度不小于4mm。
4、安装与调试钻机：
在钻头穿透顶板岩层的瞬间，钻机如不能采取有效措施进行固定，钻头、钻杆在高压水的作用下，将产生很高的加速度，从而形成强大的冲击力，其冲击力为：
F=ma=360×60/（2×3）=3600kg力
式中：
F—冲击力（kg力）；
m—加速距离内（3m）钻头钻杆总质量（kg），取360kg；
L—加速距离，取3m；
a—加速度（m/s2），a=v2/2L=60m/s2。
v—钻头钻杆的最高速度，取近似于射流速度，v=q/A=137/（0.002×3600）=19m/s。
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