龍固煤礦大涌水量礦井直排鉆孔排水系統優化設計

曾凡彪譚國龍何峰華

(通用技術集團工程設計有限公司,山東 濟南 250031)

很多礦井在勘探時期提出的礦井涌水量較小,基于勘探報告設計的礦井排水系統和礦井水處理站排水能力也較小。由于礦井水文地質條件復雜,礦井實際排水量比勘探報告預測值要大,最初設計的礦井排水系統難以滿足要求,需要進行改造[1-3]。

山東新巨龍能源有限責任公司龍固煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內,礦井設計生產能力6 Mt/a,采用立井開拓方式,布設兩個主井、一個副井和一個風井四個井筒[4-5]。礦井設計初期,按照精查地質報告數據,確定礦井正常涌水量為280 m3/h,最大涌水量為400 m3/h。生產多年來,根據煤炭科學研究總院西安研究院等科研院所對礦井進行水文地質條件分析,確定礦井水文地質條件為復雜類型,需要對現有排水系統進行調整[6-7]。

1 礦井涌水量及排水系統變化情況

礦井涌水包括層頂底板砂巖水和三灰水兩部分,其中3煤層頂底板砂巖涌水量為154 m3/h,三灰涌水量為76 m3/h,合計礦井正常涌水量為230 m3/h?？紤]消防灑水、防火灌漿等因素,設計礦井正常排水量為280 m3/h,礦井最大排水量約為400 m3/h。設備選用PJ200×10型離心泵3臺(一臺工作,一臺備用,一臺檢修),配Y6302-4型電機(10 k V,1 800 k W),其排水量為420 m3/h,揚程為935.1 m。在主排水泵房預留一臺水泵的位置,主井1中預留一趟管路位置。

1.1 第1次涌水量及排水系統變化

2006年11月,根據山東科技大學《龍固礦井3煤層開采水文分析研究報告》,礦井涌水量調整為正常涌水量523 m3/h,最大涌水量為754 m3/h。排水系統設計做了相應調整:設備選用PJ200×10型離心泵5 臺(2 臺工作,2 臺備用,1臺檢修),正常涌水時,一臺水泵工作,最大涌水時,三臺水泵工作。

1.2 第2次涌水量及排水系統變化

2007年5月,新礦集團在泰安組織專家論證會,論證結論是:礦井正常涌水量為1 220 m3/h,最大涌水量為1 560 m3/h。會議決定,為增加建井期間的抗災能力,在副井增加1～2趟排水管路,永久排水系統暫不變化。設計方案相應增加了2 趟φ325 mm 排水管,后來施工時,實際安裝1趟。

1.3 第3次涌水量及排水系統變化

2007年11月,山東新巨龍能源有限責任公司請煤炭科學研究總院西安研究院進行水文地質條件分析,分析認為,龍固礦井的水文地質條件復雜,三灰與奧灰可能存在垂向水文地質聯系,建議暫按2007年5月專家論證會意見設計礦井排水系統,同時,預留泵位和管路。根據論證會意見,按照正常涌水量為1 220 m3/h、最大涌水量為1 560 m3/h進行設計礦井排水系統,另外,預留3臺水泵安裝位置及預留1趟管路[8]。

2 排水系統調整方案

綜上所述,調整設計方案時,對排水系統調整如下:

(1)增加擴排泵房。根據井底車場硐室及建井期間的臨時工程布置,增加的水泵房位置定為距離擴修主井1和主井2之間的南北向通道15 m,距離清理撒煤通道(兩主井間)35 m,平行施工;其上50 m 作為水泵房硐室,平行清理撒煤通道施工,施工至清理撒煤通道32 m 時,作為水泵房的另一出口。

(2)增加水泵數量。為滿足《煤礦安全規程》的要求,經計算,需安裝PJ200×10 排水泵(420 m3/h)8臺(包含泵房原有水泵數量),其中,4臺工作,3臺備用,一臺檢修;正常涌水時,4臺水泵工作,排水時間17.02 h,最大涌水時,5臺水泵工作,排水時間17.41 h;5趟排水管路中4趟工作,1趟備用。另外,預留3臺水泵安裝位置,共增加6臺水泵(其中有3臺泵位)。

(3)增加井下水倉。增加井下水倉3 373 m3,為此,增加2環水倉。

(4)增加排水管路。根據井筒布置,井筒最多敷設5趟排水管路,即主井1敷設3趟,副井敷設2趟,其它井筒均無安裝空間。調整設計方案時,原考慮在主井井筒1 與副井井筒各增加一趟φ325 mm 排水管,鑒于這兩個井筒均已裝備結束,并投入運行,重新安裝必將影響礦井正常生產,如果增加管路安裝,兩個井筒的管路布置將非常擁擠,不利于管路維修。為解決排水管路的布置問題,提出在地面增打兩個直排鉆孔,在直排鉆孔中布置排水管路的設計方案[9-10]。水泵房、擴排泵房、水倉、擴排水倉及直排鉆孔布置見圖1[11]。

圖1 水泵房、擴排水泵房、水倉、擴排水倉及直排鉆孔布置

3 直排鉆孔施工地質條件分析

根據地質資料,直排鉆孔穿過的地層自上而下依次為第四系(Q)、上第三系(N)、二疊系的上下石盒子組、山西組和石炭系太原組。直排鉆孔穿過的地層情況見表1。

表1 直排鉆孔穿過的地層情況

4 直排鉆孔設計要求

4.1 鉆孔孔深及層位

鉆孔設計終孔標高為-807.2 m,地面標高按+44.8 m 計算,設計終孔深度為852.0 m,終孔層位為石炭系太原組五灰以下粉細砂巖互層。

4.2 鉆孔結構

表土段(第三、第四系)及強風化基巖段鉆孔:0～-540.4 m,孔徑φ500 mm;基巖段鉆孔:-540.4～-807.2 m,孔徑φ450 mm。全孔下φ377×16～22 mm 套管,單液水泥漿固管。直排孔鉆孔結構見圖2。

圖2 直排孔鉆孔結構

4.3 鉆孔施工

套管采用內防腐無縫鋼管;套管下放到穩定的粉砂巖中,上端要高出地面1 m,下端管內沉淀物小于1.5 m;套管連接采用45°坡口對焊,對接焊縫兩遍焊接,每道焊縫加焊3道加強筋;單根管子長度不得小于9 m;固井時,管外水泥分布均勻,井口管外必須返漿;固井后,要做滲漏試驗,井管不允許有滲漏。

4.4 鉆孔垂直度

鉆孔垂直度按靶域控制,靶域半徑≤1 m。

5 直排鉆孔施工方案

5.1 施工難度分析

直排鉆孔孔徑大,給施工造成如下難點:

(1)孔徑大,巖粉攜帶困難,孔內巖粉若不能及時帶到地面,將影響鉆進效率,并且易造成埋鉆事故。

(2)孔徑大,孔壁受到的地應力面積變大,孔壁易出現坍塌。

(3)孔徑大,套管管徑相應變粗,套管下放困難。

(4)孔徑大,固管一次性注漿量大,需在短時間內連續注漿,對注漿泵要求較高。

(5)鉆孔垂直度按靶域控制,靶域半徑≤1 m,對于852.0 m 深的大口徑鉆孔,采用普通的鉆進方法很難實現這一指標。

(6)直排鉆孔的地層復雜,表土層以粘土、砂質粘土為主,其次為砂層,粘土及砂質粘土為水敏性地層,砂層為易坍塌地層;基巖以泥巖、砂質泥巖為主,且上部有20.8 m 左右的風化帶,泥巖、砂質泥巖為水敏性地層,風化帶強度低,為易坍塌地層。

5.2 施工方案

為解決上述難點,設計如下施工方案:

(1)選擇鉆探設備。選用石家莊探礦機械廠TSJ-2000型鉆機;選用TBW-1200/7、TBW-850/5兩種型號泥漿泵。

(2)改進鉆進方式。采用二次成孔的施工方法,即:用φ216 mm 三牙輪鉆頭施工先導孔,在此基礎上擴孔、下套管,解決鉆孔垂直度問題;采用防塌護壁和抑制水化膨脹性能較強的化學泥漿作沖洗液,解決大孔徑孔壁坍塌和鉆孔縮徑問題。

(3)下套管方式。下套管時采用浮力器,將套管的提拉負荷降低到鉆機所能承受的范圍內,確保套管安全下放。

(4)注漿固管。采用高壓力、大泵量的注漿泵,并配備滿足供漿要求的制漿設施,確保注漿固管工作順利進行。

6 施工效果

礦井通過施工直排鉆孔增加排水管路的方式對排水系統進行優化,所增加的2趟φ377 mm 排水管路可滿足現有的PJ200×10型離心泵兩泵并一管的排水運行方式。根據整個排水系統的布置,若8臺水泵,6趟管路同時運行,20 h可排出礦井24 h的涌水量,滿足《煤礦安全規程》要求,確保了礦井安全生產。

7 結 語

龍固煤礦礦井采用直排鉆孔增設排水管路方式,提高了礦井排水能力,為水文地質條件復雜的礦井防治水工作提供了參考依據,也為類似礦井的排水系統改造工作提供了新思路。