矿井防治水课程设计.docx
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矿井防治水课程设计
1、工程设计的目的和意义
煤矿水害是影响煤矿安全生产的主要灾害之一,北方太原
群、石灰岩煤系底盘的奥陶纪石灰岩、南方龙潭组煤层顶板的长
兴灰岩和底板的茅口灰岩往往岩溶发育含水丰富,一旦受采动
影响突出井下,都会出现严重的矿井水害,最大突水量每分钟可以从几十立方到几百立方,极易淹井。
影响底板突水的因素是多方面的,其中主要的因素是:
煤层底部的岩溶承压水、矿压地质构造及底板隔水层厚度和强度。
其中岩溶承压水是造成突水的主导因素,是基础,矿压是造成突水的诱发因素,地质构造是造成突水的内在条件,煤层底板是阻抗突水的唯一因素。
要预防底板突水,就必须强化阻抗突水的因素,削弱造成突水的条件。
根据《煤矿安全规程》规定,凡是在突水系数>0.7的采区回采前,必须制定措施,防止突水事故的发生,做到防患于未然,而做到这一点,目前有二种方法。
一是通过打排水钻孔,采取疏水降压的方法,但这是有条件的:
①含水层富水性小,疏降排水费用不高或疏降排水费用虽高,但可以排供结合。
②不会因疏降严重影响工农业用水,造成地下水的浪费。
③不会因疏降造成地面大面积沉降和环境污染。
④含水层的补给边界,水量已经查明,可以合理疏降到一定的安全水平。
另一种是通过打钻孔到预定层位,然后注浆改造煤层底板含水层,使本来是强含水层变成弱含水层或者成为隔水层。
通过此次地板改造增加隔水层厚度，为矿井安全生产提供前提保证。
2、工程背景
2.1工作面情况
Ⅱ665工作面平均走向长886m，平均倾向宽183m，工作面回采上限标高-570m，下限标高-660m。
该面地质储量79.78万吨，可采储量75.80万吨。
工作面机巷、风巷、切眼揭露断裂构造的具体位置及产状详见表1和图1。
表1Ⅱ665工作面断层情况统计表
序号
断层
性质
倾向（˚）
倾角
（˚）
落差
（m）
断层揭露位置
FⅡ665-2
正
280
65
2.1
Ⅱ665机巷5#前52m
FⅡ665-3
正
310
65
1.2
Ⅱ665机巷8#前44m
FⅡ665-4
正
290
70
3.0
Ⅱ665机巷8#前49m
FⅡ665-5
正
265
45
1.2
Ⅱ665机巷9#前55m
FⅡ665-6
正
260
45
1.0
Ⅱ665机巷9#前70m
FⅡ665-7
正
20
45
0.5
Ⅱ665机巷14#前12m
FⅡ665-8
正
185
45
4.0
Ⅱ665切眼QK#前9m
FⅡ665-9
正
294
55
0.8
Ⅱ665风巷3#前57m
FⅡ665-10
正
270
75
1.6
Ⅱ665风巷4#前17m
FⅡ665-11
正
300
82
3.2
Ⅱ662风巷8#前53m
图1Ⅱ665工作面底板钻孔柱状
Ⅱ665工作面平均走向长886m，平均倾向宽183m，工作面回采上限标高-570m，下限标高-660m。
该面地质储量79.78万吨，可采储量75.80万吨。
影响Ⅱ665工作面安全回采的水文地质因素主要为煤底板太原组灰岩岩溶水。
据离工作面最近的水23孔水位资料，太灰水位为-380m，煤层底板至太灰顶板间距分别为49.55m和50.48m；工作面回采下限标高为-660m。
底板综合柱状见图2。
太灰水突水系数Ts=P/M
式中:
Ts—突水系数（MPa/m）
P—底板隔水层承受的水头压力为3.3MPa
M—底板隔水厚度（m）取50m
以上参数代入公式：
Ts=P/M=3.3/50=0.066MPa/m。
物探发现Ⅱ665里段工作面存在多处底板富水区，存在着突水的危险，需要对下伏含水层进行注浆改造。
2.2矿井水文地质状况
可溶性岩石，如石灰岩、白云岩等水溶蚀后产生的空隙称为岩溶，赋存于其中的地下水称为岩溶水。
岩溶水的形态是多样的，小到溶洞、溶隙、溶槽，大到溶洞，溶沟以及暗河。
所以岩溶水的发育是不均匀的，岩溶水的不均匀、集中性、方向性更加突出。
许多灰岩含水层多是承压水，存在着水量大，水压高、危害大的特点，已经成为威胁矿井生产的最主要的水源。
本次工作面底板下方主要是太原组灰岩岩溶水。
碎屑岩类裂隙含水岩组；碎屑岩类、碳酸盐类裂隙岩溶含水岩组；碳酸盐类岩溶裂隙含水岩组。
井田内主要的隔水层：
井田内除上述的含水层外，其余均可视为隔水层。
分析其富水性，隔水性能较好的有：
煤层底板至太原组灰岩之间的海相泥岩和沙泥质泥岩隔水层，岩性致密均匀，隔水性较好。
海相泥岩的厚度和致密程度决定其隔水性能。
太原组中段的砂质泥岩隔水层，起到了隔离灰岩与灰岩之间的水力联系。
还有就是铝土质泥岩、砂质泥岩，同样可以有效地起到隔水的作用。
但是由于煤层底板突水引发的突水事故还是不断发生，尤其是采矿工作面的底板以及工作面后采空区底板滞后突水，水量大水压高，轻者淹没工作面重者淹没整个采区，给矿井安全带来很大的影响。
3、工程设计
3.1依据的国家标准
（1）《中华人民共和国安全生产法》
（2）《中华人民共和国劳动法》
（3）《中华人民共和国煤炭法》
（4）《煤矿安全监察条例》
（5）《国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定》
（6）《煤矿安全规程》
3.2依据的行业标准
（1）《矿井水文地质规程》
（2）《煤矿矿井水害防治工作条例》
（3）《矿井地质工作手册》
（4）《煤矿安全规程》实施手册
（5）《煤矿安全管理规范与强制性措施实务全书》
（6）《煤矿安全生产基本条件》
3.3工程布置方法
按照“预测预报，有异必探，先探后掘，先治后采”指导方针，超前勘探，根据工作面断层产状分析，影响Ⅱ665工作面安全回采的水文地质因素主要为煤底板太原组灰岩岩溶水。
此次工程设计采用注浆改造工作面底板薄层灰岩含水层为隔水层，从而满足工作面回采安全。
为矿井安全生产提供保障。
工程实施总体采用两个钻窝同时钻进对底板进行改造。
与此同时在工作面内同时修筑水窝、设置泵窝。
为保证钻探施工安全提前提保证。
3.3.1技术要求
在钻进过程中采用多孔同时钻进技术，首先采用孔径Ф127钻孔开孔，钻至20米后，将孔径Ф128的孔口管用水泥固定在钻孔当中。
带72小时孔口管的固定符合工程设计要求后，采用孔径Ф75的钻头（如图2）延伸大孔至设计深度。
图2钻孔结构示意图
（1）钻孔参数
①注浆改造的目的层为L3灰岩。
②浆液扩散半径按照30m计算（以扩散圆相切确定钻孔密度）。
③钻孔倾角30-70°。
④钻孔需要有孔口管20m长。
⑤钻孔开孔孔径Ф127，终孔Ф75。
⑥钻孔应施工于钻窝内，钻孔的涌水应在泵窝内集中排出。
⑦按照给定钻孔参数设计注浆工程（钻孔参数），效果检查孔不小于钻孔总量的20%。
3.3.2注浆改造的原理及指导思想
这次注浆工程正是基于这种思想,采用打钻孔到底板灰岩含
水层主要是在灰岩内注浆,这样总的有效隔水厚度可增大20m左右,通过钻孔注入大量的水泥浆,在注浆泵的高压作用下,这些浆液顺着灰岩内的裂隙通道流动,从而挤占这些裂隙通道及溶洞,等到水泥浆凝固,这些裂隙及溶洞便不复存在,使本来含水丰富的灰岩变成有效隔水层,这样即使底板受采动和矿压的影响,由于隔水层的厚度增加了,这样突水的危险性就大大降低了,另外通过底板注浆,不仅可以节约长期排水费用,而且也有利于保护地下水资源,这一点对于现今尤为重要。
3.3.3注浆材料
对煤层底板注浆所选用的注浆材料基本要求是：
①浆液粘度低，流动性好，能进入细小裂隙和粉细砂层。
②浆液能从液态变为固态。
③固化时，无收缩现象固化后与岩石等有一定粘结性。
④浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害。
⑤对注浆设备、管道等无腐蚀性并容易清洗。
⑥结石体有一定抗压、抗拉强度抗渗性能能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀。
⑦来源丰富，价格便宜。
⑧配制方便，操作简便。
根据上述要求决定本次注浆液为水泥浆。
3.3.4施工前准备工作
⑴将2吋供水管路铺设到工作面位置；
⑵备足不小于30m3/h的排水能力及相同能力的备用泵；
⑶在施工现场20m范围内，安装4盏防爆照明灯具；
⑷在钻场附近10m范围内，安设一部井下电话。
⑸各钻孔开孔均须安装孔口管及直通阀门。
⑹下入孔口管固管后，用螺丝将孔口管法兰盘与闷盖相连接，注入玻雷因，凝固后用无芯钻头扫孔至孔口管下1m进行清水耐压试验。
试验压力不小于注浆压力的1.5倍，稳压时间不小于30分钟。
3.3.5设备和材料准备
施工前应事先准备好各种施工过程中可能会用到的材料各设备，该购买的材料应提前采购，需要的设备应和甲方共同协商上，在既能保证正常施工的前提下，尽量减少开支。
综合考虑，在施工过程中会用到的材料和设备如下表2.
在采购材料的过程中，为保证工程质量应购买正规材料。
并且购买的数量在一定的程度上要有所富余。
避免在施工过程中因材料供应不足而延误工期。
准备仪器设备时个别易出现故障的设备应多准备一套作为备用。
表2：
施工设备及施工材料一览表
名称
型号
单位
数量
备注
钻机
ZLJ-250
台
2
钻杆
Φ73mm
米
150
备用70m
闸阀
Φ108mm
套
6
重庆煤科院产品
水泵
45KW
台
2
1台使用，1台备用
注射枪
把
1
锚杆机
台
3
矿方提供
天固材料
吨
20
气动注浆泵
ZBQ-14.5/10
台
2
重庆煤科院产品
注浆铁管
重庆煤科院产品
高压胶管
重庆煤科院产品
短接头
若干
矿方提供
3.3.6施工顺序要求
第一步，施工浅孔，用Φ127mm的钻头向底板岩层施工钻孔30-40m，加入20m孔口管并用水泥加固，继续钻进其他钻孔。
第二步，施工水平深孔：
待固定孔口管的水泥浆凝固程度达到工程设计要求时，在孔口管内用Φ108mm的钻头延伸钻孔到达指定位置。
第三步，注入水泥浆，改造目的含水层（太原组灰岩含水层）。
4、工程进度安排
此次工程时间紧迫，为了能够与矿井正常开采接轨，不影响工作面的联系性生产，故在工程实施的过程当原则上应严格遵循时间安排（如表3），避免因不必要的原因而延拖工期导致矿井经济效益遭受损失。
表3工程进度时间表
施工部分
预计用时/天
备注
施工前准备工作
2
包括进场、运输设备
施工浅孔
3
施工深孔
10
施工超前孔
2
注浆、检查孔施工
4
撤场
1
总计
22
5、避灾要求
避灾时，按照指示牌所指定的路线避灾，大体上为：
施工地点→主斜井井筒→地面。
具体要求如下：
①设置防水闸门；
②在施工所在工作面修筑水窝和泵窝；
③保证矿井排水能力，经常清理排水沟。
6、工程费用预算
根据工程实施前期准备的材料种类及数量结合市场各的单价作出如下预算表（表4）
表4底板注浆改造预算表
项目
单位
数量
单价
造价（元）
水泥材料
t
6000
300
1800000
运输费用
m3
8000
100
800000
注浆工程费
m3
8000
100
800000
钻探工程
m
1000
500
500000
泵窝
个
2
10000
20000
水窝
个
2
10000
20000
孔口装置
套
4
5000
20000
水闸阀门
个
6
5000
30000
小计（元）
3990000
不可预见费（15%）（元）
598500
合计（元）
4588500
7、工程评价
7.1注浆效果检验
检验工程是必须的，可以是新钻孔，也可以重扫原来的钻孔，检验工程量应不小于总工程量的20%。
方法就是对涌水量最大的钻孔做重启检查。
检查孔施工于注浆孔的孔与孔中间，深度要大于注浆孔，但不要超过8m，如果检查孔出水量不大于原来涌水量的15%，或钻孔水量小于3m3/h，注浆效果满足设计要求，否则在检查孔内补注浆。
补注结束后，进行透孔检验；如果涌水量仍大于3m3/h，则继续补注，直至满足设计要求。
7.2总结
矿井水害防治是一项任重而道远的工程，在矿井水害防治过程中，我们必须严格遵守相关法律法规。
同时，矿井在生产过程中应严格遵守“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原则和“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施，抓住“预测预报，科技攻关，治理整改”三个环节。
应用各种防护措施为矿井安全生产提供安全的空间。
附图钻孔工程布置图
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