立井积水的钻孔排放技术

2005/10/12 14:22:20

　　摘　要　梧桐庄矿主井井筒积水量为1.83万m³，水头压力5.45MPa。选择安全的隔水层及可靠的孔口装置，成功地进行了钻孔放排水。
　　关键词　立井积水　钻孔排放技术　隔水层　孔口装置

1　概　况
　　梧桐庄矿设计有主、副、风3个立井井筒。主副井井口标高为+196m，井底车场原设计标高为-500m；风井井口标高为+194m，井底为-450m。主、副、风3个井筒直径分别为5.5，7，6m，基岩段皆为素混凝土支护。风井于1994年12月施工到底；主副井在-500m水平进行短路贯通时，副井断层发生特大突水事故，造成主副井被淹，主井积水距井口121m，副井积水距井口100m左右。经有关专家论证后，主副井井底标高由-500m提至-470m，副井出水断层由地面进行注浆堵水，利用风井对主副井井筒积水进行排放。主井井筒-470m以上积水量为1.8万m³，动水量24.5m³/h。3个井筒位置及放水点布置见图1。

2　排水施工方法
2.1　排水方案的选择
　　排水方案：一是由主井井口往下追排水；二是由风井井底向主井井底打措施巷，向主井井筒打钻放出积水，由风井井筒排至地面。
　　通过对方案的可行性论证比较，确定按第2方案放、排水。为此在-470m水平准备了抢险泵房、变电所、水仓等排水设施。
2.2　打钻位置的确定
　　放水巷停头打钻位置一是考虑隔水层厚度要满足安全需要；二是要利于钻机的安装与固定。因此，选定主井南清理硐室作为放水巷。
　　根据地质资料，放水孔水平穿过的层位为2号煤，顶板为砂岩。在满足隔水层厚度的前提下，尽量躲开煤层，把钻机稳固在岩层上，孔口管固定在岩层里。在计算隔水层厚度时，既考虑水平方向介质岩石，又对巷道底板2号煤进行验算。按岩石计算，隔水层厚度h=7.15m；按煤计算，h=14.9m。
　　通过计算，隔水层厚度最小应为14.9m。按实际施工揭露，放水巷掘至离主井井壁内侧18.8m时，巷道底板具备安装钻机条件，最后确定隔水层厚度为19.2m，因19.2m＞14.9m，故满足要求。打钻布置见图2。
2.3　放水孔的选择与布置
2.3.1　放水孔的选择
　　根据排水系统能力(正常排水能力为240m³/h)，要求控制放水孔的放水量在150～200m³/h之间，采用双重高压放水阀来控制。
　　钻孔长度19.3m，开孔φ146mm，孔口管长15m，终孔φ75mm。钻孔打通井筒后，估算单孔最大放水量q=987.2m³/h。

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图1　梧桐庄矿主副风井井筒位置及放水点布置

　　钻孔打通井筒后，初期水压大，封孔难度大，易造成孔口管和钻杆鼓出，因此采用在钻孔出水后不撤出钻杆，让水从钻杆和钻孔间隙流出，进行减压放水。间隙最大放水量为683.1m³/h。放水孔出水口处的水压，在放水状态下可控制在0.1～0.3MPa之间。
　　整个放水过程只布置了1个钻孔，分3个阶段进行：①水头高度545～150m时为间隙放水；②150～80m时为全孔放水；③80m以下把孔扩至φ108mm进行放水。
2.3.2　放水管的设计与布置
　　根据水压、水量等情况，孔口管确定为φ127mm，长度15m，用无缝钢管加工而成。分3段加工安装：最前一段4m，中间一段5m，最后一段6m，每段之间采用丝扣连接。为了增加摩擦力，在最后一段管壁外焊上断续螺纹状横筋和倒楔式纵筋。
　　放水孔方位与巷道一致，钻孔开口距底板1m，钻孔仰角为3°。具体布置见图2。

3　放排水施工
3.1　钻机固定
　　钻机固定在混凝土基础上，按红旗-150型钻机打基础，并预留TXU-100型钻机底脚螺栓孔。用4根φ150mm的圆木做立柱把钻机底盘和巷道顶部之间顶牢，同时，使用2根φ18.5mm的钢丝绳加紧缩装置连接钻机，另一头与固定在工作面岩石上的1.8m长的水泥快硬锚杆连接，保证钻机在高压水流作用下不发生位移。

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图2　梧桐庄矿主井打钻放水布置

1—放水巷，断面2.5m×2.5m；2—逆止阀；3—挡钻杆器；
4—钻机；5—孔口管，φ127mm×8mm，长15m；6—孔口闸阀；
7—盘根箱；8—放水管及闸阀

3.2　孔口管的安装和固定
　　钻机开孔后，将孔口管放入钻孔内，用钻机自带的泥浆泵注入泥浆加固孔口管，水泥浆的水灰比为0.75∶1。为增加孔口管的抗冲击力，在巷道断面上安设6根长1.8m的水泥快硬锚杆(孔口管两侧各布置3根)和孔口管上的钢板连接。另用8根φ16mm、长1.8m的水泥快硬锚杆固定“井”字形11号工字钢架压紧孔口管外的钢板。
3.3　钻杆紧固
　　为防止钻透井壁时钻杆突然鼓出砸坏孔口装置，导致放水失败，用如下方法紧固钻杆。
　　(1)放水管后端头加耐压达10MPa的盘根箱，密封φ42mm钻杆与放水管之间的间隙。
　　(2)在钻机的钻杆段外套1个自制的挡钻杆器，内部装1个轴向推力达85kN的轴承，外部用1台5t倒链串φ18.5mm钢丝绳兜着套在工作面上2根长1.8m的水泥快硬锚杆上。
　　(3)钻杆尾部梯形螺纹段加装1个自制的逆止阀，过水孔φ16mm，耐压达10MPa，确保透水瞬间的安全。
3.4　外部放水装置
　　在孔口管外接φ127mm放水三通高压管，采用无缝钢管加工而成。三通高压管和放水高压阀门采用法兰盘连接，后接φ159mm的放水管路至水仓。
3.5　放、排水
　　钻孔打透主井井壁后，高压水由钻杆与钻孔间的间隙流出，并直接流入水仓。放水量由高压阀门控制。
　　抢险排水泵房内安装100DM100×8，6kV,440kW水泵6台，上接2趟φ219mm×10mm管路，由-470m水平通过风井将积水排至地面。
　　从1997-06-28钻孔打透至1997-07-03放完水，成功地进行了主井放排水工作。

4　结　语
　　(1)根据水头高度和岩层情况，选择安全的隔水层厚度，防止高压水从工作面突出。
　　(2)钻机应牢固，保证钻杆正常推进，钻杆应有可靠的防鼓出装置；钻杆表面加盘根封水，钻杆内孔加逆止阀，确保高压水不外漏。
　　(3)根据水头高度和放水器，选择合理的放水孔和可靠的控制闸阀及管路，能有效控制排水量。
　　(4)后路排水系统设计合理是保证放排水成功的关键。

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