龍固煤礦大涌水量礦井直排鉆孔排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾凡彪譚國(guó)龍何峰華

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250031)

很多礦井在勘探時(shí)期提出的礦井涌水量較小,基于勘探報(bào)告設(shè)計(jì)的礦井排水系統(tǒng)和礦井水處理站排水能力也較小。由于礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜,礦井實(shí)際排水量比勘探報(bào)告預(yù)測(cè)值要大,最初設(shè)計(jì)的礦井排水系統(tǒng)難以滿(mǎn)足要求,需要進(jìn)行改造[1-3]。

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司龍固煤礦位于山東省菏澤市巨野縣境內(nèi),礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6 Mt/a,采用立井開(kāi)拓方式,布設(shè)兩個(gè)主井、一個(gè)副井和一個(gè)風(fēng)井四個(gè)井筒[4-5]。礦井設(shè)計(jì)初期,按照精查地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù),確定礦井正常涌水量為280 m3/h,最大涌水量為400 m3/h。生產(chǎn)多年來(lái),根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院西安研究院等科研院所對(duì)礦井進(jìn)行水文地質(zhì)條件分析,確定礦井水文地質(zhì)條件為復(fù)雜類(lèi)型,需要對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整[6-7]。

1 礦井涌水量及排水系統(tǒng)變化情況

礦井涌水包括層頂?shù)装迳皫r水和三灰水兩部分,其中3煤層頂?shù)装迳皫r涌水量為154 m3/h,三灰涌水量為76 m3/h,合計(jì)礦井正常涌水量為230 m3/h。考慮消防灑水、防火灌漿等因素,設(shè)計(jì)礦井正常排水量為280 m3/h,礦井最大排水量約為400 m3/h。設(shè)備選用PJ200×10型離心泵3臺(tái)(一臺(tái)工作,一臺(tái)備用,一臺(tái)檢修),配Y6302-4型電機(jī)(10 k V,1 800 k W),其排水量為420 m3/h,揚(yáng)程為935.1 m。在主排水泵房預(yù)留一臺(tái)水泵的位置,主井1中預(yù)留一趟管路位置。

1.1 第1次涌水量及排水系統(tǒng)變化

2006年11月,根據(jù)山東科技大學(xué)《龍固礦井3煤層開(kāi)采水文分析研究報(bào)告》,礦井涌水量調(diào)整為正常涌水量523 m3/h,最大涌水量為754 m3/h。排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了相應(yīng)調(diào)整:設(shè)備選用PJ200×10型離心泵5 臺(tái)(2 臺(tái)工作,2 臺(tái)備用,1臺(tái)檢修),正常涌水時(shí),一臺(tái)水泵工作,最大涌水時(shí),三臺(tái)水泵工作。

1.2 第2次涌水量及排水系統(tǒng)變化

2007年5月,新礦集團(tuán)在泰安組織專(zhuān)家論證會(huì),論證結(jié)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(huì)議決定,為增加建井期間的抗災(zāi)能力,在副井增加1～2趟排水管路,永久排水系統(tǒng)暫不變化。設(shè)計(jì)方案相應(yīng)增加了2 趟φ325 mm 排水管,后來(lái)施工時(shí),實(shí)際安裝1趟。

1.3 第3次涌水量及排水系統(tǒng)變化

2007年11月,山東新巨龍能源有限責(zé)任公司請(qǐng)煤炭科學(xué)研究總院西安研究院進(jìn)行水文地質(zhì)條件分析,分析認(rèn)為,龍固礦井的水文地質(zhì)條件復(fù)雜,三灰與奧灰可能存在垂向水文地質(zhì)聯(lián)系,建議暫按2007年5月專(zhuān)家論證會(huì)意見(jiàn)設(shè)計(jì)礦井排水系統(tǒng),同時(shí),預(yù)留泵位和管路。根據(jù)論證會(huì)意見(jiàn),按照正常涌水量為1 220 m3/h、最大涌水量為1 560 m3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)礦井排水系統(tǒng),另外,預(yù)留3臺(tái)水泵安裝位置及預(yù)留1趟管路[8]。

2 排水系統(tǒng)調(diào)整方案

綜上所述,調(diào)整設(shè)計(jì)方案時(shí),對(duì)排水系統(tǒng)調(diào)整如下:

(1)增加擴(kuò)排泵房。根據(jù)井底車(chē)場(chǎng)硐室及建井期間的臨時(shí)工程布置,增加的水泵房位置定為距離擴(kuò)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(shí),作為水泵房的另一出口。

(2)增加水泵數(shù)量。為滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》的要求,經(jīng)計(jì)算,需安裝PJ200×10 排水泵(420 m3/h)8臺(tái)(包含泵房原有水泵數(shù)量),其中,4臺(tái)工作,3臺(tái)備用,一臺(tái)檢修;正常涌水時(shí),4臺(tái)水泵工作,排水時(shí)間17.02 h,最大涌水時(shí),5臺(tái)水泵工作,排水時(shí)間17.41 h;5趟排水管路中4趟工作,1趟備用。另外,預(yù)留3臺(tái)水泵安裝位置,共增加6臺(tái)水泵(其中有3臺(tái)泵位)。

(3)增加井下水倉(cāng)。增加井下水倉(cāng)3 373 m3,為此,增加2環(huán)水倉(cāng)。

(4)增加排水管路。根據(jù)井筒布置,井筒最多敷設(shè)5趟排水管路,即主井1敷設(shè)3趟,副井敷設(shè)2趟,其它井筒均無(wú)安裝空間。調(diào)整設(shè)計(jì)方案時(shí),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(gè)井筒均已裝備結(jié)束,并投入運(yùn)行,重新安裝必將影響礦井正常生產(chǎn),如果增加管路安裝,兩個(gè)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(wèn)題,提出在地面增打兩個(gè)直排鉆孔,在直排鉆孔中布置排水管路的設(shè)計(jì)方案[9-10]。水泵房、擴(kuò)排泵房、水倉(cāng)、擴(kuò)排水倉(cāng)及直排鉆孔布置見(jiàn)圖1[11]。

圖1 水泵房、擴(kuò)排水泵房、水倉(cāng)、擴(kuò)排水倉(cāng)及直排鉆孔布置

3 直排鉆孔施工地質(zhì)條件分析

根據(jù)地質(zhì)資料,直排鉆孔穿過(guò)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(guò)的地層情況見(jiàn)表1。

表1 直排鉆孔穿過(guò)的地層情況

4 直排鉆孔設(shè)計(jì)要求

4.1 鉆孔孔深及層位

鉆孔設(shè)計(jì)終孔標(biāo)高為-807.2 m,地面標(biāo)高按+44.8 m 計(jì)算,設(shè)計(jì)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(xì)砂巖互層。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

表土段(第三、第四系)及強(qiáng)風(fēng)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 直排孔鉆孔結(jié)構(gòu)

4.3 鉆孔施工

套管采用內(nèi)防腐無(wú)縫鋼管;套管下放到穩(wěn)定的粉砂巖中,上端要高出地面1 m,下端管內(nèi)沉淀物小于1.5 m;套管連接采用45°坡口對(duì)焊,對(duì)接焊縫兩遍焊接,每道焊縫加焊3道加強(qiáng)筋;單根管子長(zhǎng)度不得小于9 m;固井時(shí),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(yàn),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(diǎn):

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

(2)孔徑大,孔壁受到的地應(yīng)力面積變大,孔壁易出現(xiàn)坍塌。

(3)孔徑大,套管管徑相應(yīng)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(shí)間內(nèi)連續(xù)注漿,對(duì)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(duì)于852.0 m 深的大口徑鉆孔,采用普通的鉆進(jìn)方法很難實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)。

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

5.2 施工方案

為解決上述難點(diǎn),設(shè)計(jì)如下施工方案:

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

(2)改進(jìn)鉆進(jìn)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(dǎo)孔,在此基礎(chǔ)上擴(kuò)孔、下套管,解決鉆孔垂直度問(wèn)題;采用防塌護(hù)壁和抑制水化膨脹性能較強(qiáng)的化學(xué)泥漿作沖洗液,解決大孔徑孔壁坍塌和鉆孔縮徑問(wèn)題。

(3)下套管方式。下套管時(shí)采用浮力器,將套管的提拉負(fù)荷降低到鉆機(jī)所能承受的范圍內(nèi),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(mǎn)足供漿要求的制漿設(shè)施,確保注漿固管工作順利進(jìn)行。

6 施工效果

礦井通過(guò)施工直排鉆孔增加排水管路的方式對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,所增加的2趟φ377 mm 排水管路可滿(mǎn)足現(xiàn)有的PJ200×10型離心泵兩泵并一管的排水運(yùn)行方式。根據(jù)整個(gè)排水系統(tǒng)的布置,若8臺(tái)水泵,6趟管路同時(shí)運(yùn)行,20 h可排出礦井24 h的涌水量,滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》要求,確保了礦井安全生產(chǎn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

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