红柳设计定 - 图文

神华宁煤集团红柳煤矿3121工作面 井下定向疏放水钻孔设计方案

神华宁煤集团红柳煤矿

神华宁煤集团能源工程公司环境安全工程分公司

二〇一一年十一月

神华宁煤集团红柳煤矿3121工作面 井下定向疏放水钻孔设计方案

编 制： 审 核： 分管领导：

2

神华宁煤集团能源工程公司环境安全工程分公司

二〇一一年十一月

目录

1前言 ............................................................................................ 7 2 矿井概况 .................................................................................. 11 2.1矿井基本情况 ......................................................................... 11 2.1.1交通位置 ............................................................................. 11 2.1.2地形地貌 ............................................................................. 13 2.2地质特征 ................................................................................ 13 2.2.1地层 .................................................................................... 13 2.2.2煤层 .................................................................................... 15 2.2.3地质构造 ............................................................................. 16

3

2.2.4水文地质条件 ...................................................................... 17 3项目区概况 ................................................................................ 22 3.1项目区位置及四邻采掘情况 ................................................... 22 3.2项目区工作面接续情况 ........................................................... 23 3.3项目区岩层情况 ..................................................................... 23 3.4地质构造 ................................................................................ 24 3.5项目区水文地质情况 .............................................................. 24 3.6项目区排水通道 ..................................................................... 24 3.7 3121工作面顶板直罗组下段粗砂岩含水层静储量预计 .......... 25 4 项目区疏放水方案 .................................................................... 27 4.1常规疏放水钻孔方案设计 ....................................................... 27 4.2井下中长距离井下定向疏放水钻孔设计 ................................. 29 4.2.1定向疏放水钻孔的目的 ........................................................ 29 4.2.2定向疏放水钻孔设计的原则和依据 ...................................... 29 4.2.3定向疏放水钻孔设计 ........................................................... 30 4.2.4工程量情况 .......................................................................... 37

4

4.2.5费用概算 ............................................................................. 38 4.2.6工期安排及施工顺序 ........................................................... 44 5 方案对比分析 ........................................................................... 45 5.1疏水效果 ................................................................................ 45 5.2费用情况 ................................................................................ 48 5.3工期比较 ................................................................................ 49 5.4 结论 ....................................................................................... 49 6定向钻孔施工及安全技术措施 ................................................... 52 6.1开工及竣工验收 ..................................................................... 52 6.2设备运输 ................................................................................ 52 6.3移孔位及稳固支撑 .................................................................. 52 6.4开孔 ....................................................................................... 53 6.5钻进 ....................................................................................... 53 6.6放水及观测技术要求 .............................................................. 57 6.7探放水的施工安全措施 ........................................................... 58 7 需矿方配合的工作 .................................................................... 59

5

8提交的资料 ................................................................................ 59 8.1设计资料 ................................................................................ 59 8.2原始班报表 ............................................................................. 59 8.3综合成果资料 ......................................................................... 60

6

1前言

宁煤集团现有生产及在建矿井21对，分布在汝箕沟、灵武、石沟驿、鸳鸯湖、马家滩、呼鲁斯太、石嘴山、石炭井、横城等9个矿区，所辖21对生产和建设矿井分布分散和范围广，水害类型多样，各矿井在地质勘探时确定的水文地质条件均属简单-中等类型，但部分矿井建井和生产揭露的水文地质条件却为复杂，水害已严重影响到正常开采，尤其是鸳鸯湖矿区、马家滩矿区新建矿井。目前主要影响矿井开采的含水层为直罗组砂岩含水层组，含水层厚3.4-372m, 平均厚度127 m，该含水层渗透性差，为富水性较强含水层。鸳鸯湖矿区的红柳矿、石槽村矿、麦垛山矿在试生产或建设期间出现较大涌水，因此，宁煤集团公司所辖的鸳鸯湖矿区、马家滩矿区由于本区2号煤顶板直罗组砂岩含水层沉积环境复杂，富水性不均匀且渗透性差可疏性差，随着井筒和井田开拓揭露，对矿井生产安全和作业环境的影响越来越大，防治水工作是当务之急。

7

宁煤集团所辖的鸳鸯湖矿区、马家滩矿区目前水害治理主要通过常规钻机在井下巷道或石门中向顶板直罗组砂岩含水层施工大角度仰角钻孔提前疏放顶板水的传统工艺方法。采用此方法，由于存在井下常规钻机能力偏小施工的钻孔长度短，且井下常规钻孔只有在开采巷道形成后方能进行施工，疏放水时间有限，不利于矿井扩大生产规模的长远规划要求。

为了探索宁东各矿井效果最佳的防治水技术手段和技术路线，环境安全工程分公司借鉴多年施工中长距离(600-800m)定向瓦斯钻孔的施工经验和治理瓦斯的良好效果，经与中煤科工集团西安研究院多次论证和分析，通过对原中长距离定向钻机及工艺技术进行改造后达到有效进行水害治理的目的。

集团公司于2010年10月决定为环境安全工程公司采购一台ZDY6000LD井下定向探放水钻机施工井下定向钻孔进行水害治理，同时，经能源工程公司立项，集团公司确定《中长距离定向钻进技术在矿井水害治理中的应用研究》科技项目为2011年科技项目，实施该科技项目共分五个阶段，即第一阶段准备工作（收集资料及编

8

制方案设计和采购设备），第二阶段现场施工，第三阶段收集数据，第四阶段综合分析及编制成果报告，第五阶段组织项目验收。为了使该科技项目顺利实施和达到预期研究目的，环境安全工程分公司认真收集鸳鸯湖矿区各矿井的资料进行对比和综合分析，根据各矿生产接续情况和新购井下定向钻机到货时间，经与集团公司生产技术部及矿方沟通后，选择红柳煤矿3121工作面开切眼北端煤层冲刷变薄带作为井下中长距离定向探放水钻机施工井下定向疏放水钻孔的试验区。项目于2011年8月24日完成了第一阶段的全部工作（钻机采购到位和编制及审定方案设计），并组织科技发展部、生产技术部、红柳煤矿、能源工程公司召开了该科技项目启动大会；于2011年8月25日开始了第二阶段现场施工工作和第三阶段收集数据工作，截止2011年11月15日已完成2#、4#两个下分层含水层钻孔、1#、3#、6#、5#孔三个上分层含水层钻孔的施工。从目前施工情况和观测数据情况来看，《中长距离定向钻进技术在矿井水害治理中的应用研究》科技项目攻克了许多技术难题，取得了阶段性成果，效果显著和明显，可得出以下初步结论：一是中长距离定向钻机施工

9

中长距离定向探放水钻孔是可行的；二是可实现在在中硬完整地层中开分支技术；三是较常规钻孔相比，可缩减大量钻孔工程量、延长疏放水时间、增加钻孔在含水层中的穿行距离和高效地超前探放水，提高疏水效果，可有效解决神华宁煤集团宁东矿区煤层顶板低渗透性含水层水常规钻孔疏放效果差的问题。

为了将该科技项目推广应用于神华集团，一方面要全力做好本科技项目的后续工作（第三阶段收集数据、第四阶段综合分析及编制成果报告，第五阶段组织项目验收），另一方面由于正在实施的试验区为煤层冲刷变薄带，红柳煤矿对该区域煤层不进行回采，无法通过回采可靠验证所施工井下定向试验钻孔对顶板含水层的疏水效果，再加之仅用一个钻场的井下定向钻孔进行试验，收集的数据少和结论不充分。为此，建议在3121工作面整体布置井下定向钻孔推广应用该成果，最终结合矿方后续回采过程中工作面的涌水情况综合评价井下定向钻孔疏水效果。

10

2 矿井概况 2.1矿井基本情况 2.1.1交通位置

红柳井田位于宁夏回族自治区中东部地区，行政区划隶属灵武市宁东镇和马家滩镇管辖。距银川市约66km，在灵武市以东约50km处，地理极值坐标位于东经106°41′38″至106°49′18″，北纬37°47′49″至37°56′56″之间。

井田呈北西～南东条带状展布，北以新碱沟北正断层和杨家窑正断层为界，南至第32勘探线；西以李新庄西侧断层和长梁山～冯记沟向斜轴为界，东至马柳断层。井田南北走向长约15km，东西倾向宽约5.5km，面积约85km2。井田北部与石槽村井田相邻，西部与麦垛山井田接壤，南至马家滩镇驻地，东部为广袤的毛乌素沙漠。

本区公路交通方便，经过多年建设已形成较为完善的公路网。北部有国道主干线银（川）～青（岛）高速公路(GZ25)及国道307线东西向通过，距井田约20km；井田西侧有磁窑堡～马家滩三级公路南北向通过，从马家滩向南接于盐兴一级公路，向西与211国道

11

相接；鸳（鸯湖）～冯（记沟）一级公路可直接通往井田。区内公路网南北交错，向西经灵武市、吴忠市可接于国道109线和包兰铁路，向东经盐池县可达延安、太原等地。包（头）～兰（州）国铁干线于矿区西部约85km处南北向通过，与包兰铁路接轨于大坝车站的大（坝）～古（窑子）铁路专用线已延伸至古窑子车站，从古窑子车站通往灵新煤矿和羊场湾煤矿的铁路支线已建成通车。另外，拟建的太（原）～中（卫）～银（川）铁路从井田北部约15km处东西向通过。本区铁路网完善，铁路交通比较便利(详见2-1 井田交通位置图)。

图2-1 井田交通位置图

12

2.1.2地形地貌

红柳井田位于毛乌素沙漠西缘，呈西北高、东南低的低缓丘陵地貌，最高高程点位于H1407孔西边的山丘上，海拔高程为+1490.00m，最低高程点位于H3005孔附近，海拔高程为+1360.00m，井田内最大相对高差130m，一般高程在+1400m左右。井田内大部分地区为沙丘掩盖，多系风成垄状及新月形流动沙丘，间有被植被固定、半固定沙丘，地形低缓平坦，地面起伏不大。 2.2地质特征 2.2.1地层

井田内大部分地区被第四系（Q）风积砂所覆盖，仅在井田西南部有零星基岩出露。经钻孔揭露井田内地层由老至新依次有：三叠系上统上田组（T3s）；侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）；侏罗系上统安定组（J3a）；古近系渐新统清水营组（E3q）和第四系（Q）。各地层由老至新简述如下：

(1)三叠系上统上田组（T3s）

在井田西南部边界有零星出露，钻孔最大揭露217.40m，据邻

13

区以往资料其最大沉积厚度为756m。上田组（T3s）地层由一套河湖相杂色碎屑岩沉积组成，为侏罗系延安组（J2y）含煤沉积的基底，岩性主要为黄绿、灰绿色厚层状砂岩，夹灰、深灰色粉砂岩、泥岩及薄层含铝土质泥岩，砂岩的分选性及磨圆度中等。

(2)侏罗系中统延安组（J2y）

为一套内陆湖泊三角洲沉积，是井田内主要含煤地层，在井田内没有出露，钻孔揭露厚度261.21～377.28m，平均331.21m。岩性由灰、灰白色长石石英砂岩，深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、煤和少量含铝质泥岩组成，底部以一套浅白或黄色带红斑的粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，与下伏三叠系上统上田组（T3s）呈假整合接触。

(3)侏罗系中统直罗组（J2z）

为一套干旱及半干旱气候条件下的河流～湖泊相沉积，在井田内没有出露，钻孔揭露厚度305.76～468.55m，平均421.71m。岩性主要为灰绿、蓝灰、灰褐色夹紫斑的中、细粒砂岩和粉砂岩，夹少量的粗粒砂岩和泥岩，底部为一厚层灰白、黄褐或红色含砾粗粒石英长石砂岩，俗称“七里镇”砂岩，与下伏延安组含煤地层呈冲刷假

14

整合接触。

(4)侏罗系上统安定组（J3a）

为一套干燥气候条件下河流、湖泊相红色沉积，俗称“红层”，在井田内没有出露，钻孔揭露最大残留厚度423.74m。岩性以灰褐、紫红、紫褐色粉砂岩和泥岩为主，夹灰白、灰绿色中～细粒砂岩，底部普遍有一层褐红色砂岩与下伏直罗组地层呈假整合接触。

(5)古近系渐新统清水营组（E3q）

仅在井田东南部及边界外围有零星分布，厚度5.85～96.70m，平均49.46m。岩性由紫红色亚粘土及红土组成，不整合于下伏各老地层之上。

(6)第四系（Q）

井田内广泛发育，底部为白垩系砾岩风化残留卵砾石和钙化结核；中部为冲淤积的黄沙土；顶部为现代风积沙丘及沙土层。钻孔揭露厚度1.5～38.33m，平均7.28m。不整合于下伏各系地层之上。 2.2.2煤层

井田内延安组含煤地层平均总厚333.21m，含煤层27层，平均

15

总厚30.48m，含煤系数为9.11%。其中：编号煤层23层，自上而下编号为：2、3-1、3-2、3、3下、4-1、4-2、4-3、5、6、10、12、13、14、15-1、15、15-2、16、17-1、17-2及17、18-1、18-2煤。全区可采煤层3层、大部可采煤层8层、局部可采煤层8层、不可采煤层4层。可采煤层平均总厚26.67m，可采含煤系数8.0%。

3121工作面开采2号煤层，该煤层在井田内全区发育，层位稳定，大部可采，煤层分布面积58.07km2，可采面积36.9km2。井田内见煤点91个，煤层厚度0.39～10.71m，平均4.91m，可采厚度0.85～10.71m，平均5.06m，属中厚～厚煤层。厚度变化总体呈现为：自井田中部向南北逐渐变薄。最厚点位于H702号钻孔，最薄点位于北部的H205号钻孔。含夹矸0～2层，厚度为0.09～0.40m。夹矸岩性以泥岩、炭质泥岩和粉砂岩为主，多位于煤层的中下部，层位较为稳定，结构简单，煤类为不粘结煤。 2.2.3地质构造

井田褶曲构造为主，由西向东有长梁山向斜、鸳鸯湖背斜、张家庙向斜、张家庙背斜、大羊其向斜、马家滩背斜，并伴生次一级

16

的向背斜。区内断裂构造主要发育有马柳断层、张家庙逆断层、李新庄西侧断层等35条断层。 2.2.4水文地质条件

(1)地表水系

井田内地形为缓坡丘陵，中间高，南北两端低，基岩大部分被沙漠或第四系黄土覆盖，仅局部可见古近系褐红色、红色粘土出露。井田最高高程点位于H1407孔西边的山丘上，海拔高程为+1490.00m，最低高程点位于H3005孔附近，海拔高程为+1360.00m，井田内最大相对高差130m,未见地表泾流。

(2)地下含水层

井田含水层按岩性组合特征及地下水水力性质、埋藏条件等，由上而下划分为以下主要含水层：

①第四系孔隙潜水含水层（Ⅰ）

本区第四系孔隙潜水含水层全井田分布，地层厚1.5～38.33m，平均厚7.25m；地下水主要赋存于风积沙丘、小型洼地中。含水层地下水补给以大气降水为主，排泄以蒸发消耗为主，部分以人工开

17

采或沿地层裂隙及风化破碎带补给基岩含水层。按地下水赋存条件，可分为风积沙潜水层、风积～冲洪积潜水层，但水量都不大。

②侏罗系碎屑岩裂隙孔隙承压含水层（Ⅱ～Ⅴ）

包括侏罗系安定～直罗组含水层、中统延安组含水层。垂向上，对井田影响较大的含水层为直罗组下段砂岩含水层（Ⅱ）及2～6煤间砂岩含水层（Ⅲ）；以往抽水试验资料：Ⅱ含水层单位涌水量为0.009～0.077 L/s·m，Ⅲ含水层单位涌水量为0.0004～0.115 L/s·m，属弱富水性，局部偏中等。

侏罗系中统直罗组裂隙孔隙含水层（Ⅱ）

本含水层全井田发育，广泛分布，属干旱条件下的河流沉积物。岩性以灰、灰绿色细、中、粗粒砂岩为主，泥、钙质胶结、

18

0.39~10.714.919.32~587.59152.2533.89~111.0863.7367.2529.22~91.9361.049.61~136.9284.4248.73~88.5949.61~136.9284.4298.339.32~288.663.37~371.4560.27

图2-3 主要煤层与含水层上下关系示意图

胶结程度较差，具大型交错层理，局部地段裂隙发育，钻探上表现

为漏孔现象。该层底部砂岩较稳定，以粗粒砂岩为主，多为二煤直

二煤三煤六煤四煤十煤松散含水层直罗组砂岩裂隙孔隙含水层下段直罗组砂岩裂隙孔隙含水层上段十八煤十六煤十二煤19

接顶板，富水性弱～中等，遇水冲击呈松散状。是影响本井田的主要含水层。该层地下水水位标高+1306～+1388m，含水层厚9.32～587.59m，平均厚度152.25m，与直罗组地层分布规律相似，含水层厚度沿马家滩背斜轴南部抬升使得南部厚度较薄，自南而北厚度逐渐增大。根据地层沉积旋迴、岩性特征及水文地质特征，直罗组底部粗粒砂岩为主要标志层，将含水层划分为上段和下段两个含水层（七里镇砂岩含水层）。

上段含水层：包括底部砂岩含水层隔水顶板以上各含水层，井田广泛分布。岩性以灰绿、灰黄色细、中砂岩为主，泥质胶结，颗粒支撑。含水层厚约3.37～371.45m，平均厚度60.27m，北部沿古近系粘土层零点线以北与表层第四系含水层、古近系风化层含水层形成统一含水层。含水层富水性与构造、沉积环境、风化裂隙带深度联系较为密切；一般情况下，其上部古近系地层沉积愈薄，地层裂隙发育，岩性松散，则含水层富水性愈强，钻孔钻探过程中多出现漏孔现象。

下段含水层：井田的主要直接充水含水层之一，分布于整个井

20

田，含水层厚9.32～288.66 m，平均厚度98.33m,根据含水层中隔水层情况该含水层又分为上下两个分层。岩性主要为灰绿、蓝灰、灰褐色夹紫斑的中、细粒砂岩和粉砂岩，夹少量的粗粒砂岩和泥岩，局部含砾；砂岩的成熟度较低，分选性差，接触式胶结为主。底部为一厚层灰白、黄褐或红色含砾石英长石粗砂岩，俗称“七里镇”砂岩，砂岩底部含石英小砾石，泥质胶结、颗粒支撑，胶结程度较差，松散～较松散，锤击易碎，遇水振荡或手捻可散。根据钻孔含水层等厚线图分析，该层位较稳定，岩性完整程度随埋藏深度自浅而深增高，为影响本井田的主要含水层。虽然地面抽水试验资料及水质分析成果显示，井田内直罗组含水层单位涌水量较小、渗透性差，但本区含水层富水性受上覆地层岩性、风化裂隙带影响较大：如13线以北，古近系粘土层较薄，甚至为零，受倾向张性断层影响，岩性裂隙较为发育，因此，富水性相对较强。

(3)隔水层及其特征

本井田稳定的隔水层有：直罗组底部砂岩含水层顶板的粉砂岩、泥岩为主的隔水层；各主要煤层及其顶底板泥岩、粉砂岩组成的隔

21

水层。

(4)地下水的补给、泾流和排泄

井田地下水补给来源，主要为大气降水，其次为含水层之间的越流补给。 3项目区概况

环境安全工程分公司经与集团公司生产技术部和红柳煤矿沟通后，确定施工完红柳煤矿3121工作面开切眼北端煤层冲刷变薄带井下定向疏放水试验钻孔后对3121工作面的顶板水进行疏放，钻孔成孔后通过工作面回采时的涌水情况进一步验证定向钻孔的疏放水效果。

3.1项目区位置及四邻采掘情况

地面位置：3121工作面位于红柳井田的中部，工业广场的西北部。该工作面运输巷位于红柳井田的中部，工业广场的西北部，一号回风斜井井口西北640～2420m,巷道大体平行于矿工业广场至一号立风井的道路，位于路西侧约390m处。该工作面回风巷位于一号回风斜井井口西北640～2420m,巷道大体平行于矿工业广场至一

22

号立风井的道路，位于路西侧约390m处。

井下位置:3121工作面运输巷南起31采区运输巷，北至3121工作面切眼导硐，巷道平行于2煤辅运大巷、2煤胶带巷，西与3122工作面运输巷相邻。 3.2项目区工作面接续情况

3121工作面计划2012年5月开采，月推进度166m ，预计2013年1月初回采结束。 3.3项目区岩层情况

3121工作面走向长1154m，倾斜长300m，煤层平均厚度4.5m，可采储量274万吨，煤岩层走向60o～155o，倾向西北～东北，倾角8o～26o，平均18o。工作面所采煤层为2煤，煤质特征为黑色、块状，半暗型，丝绢、丝炭光泽，参差状断口，含黄铁矿结核，为简单结构的稳定厚煤层，煤种为不粘结煤（BN）。直接顶为粉、细砂岩，平均厚度约6.78m，其上为平均厚度约3.48m的泥岩炭质泥岩。老顶为直罗组下段下分层粗砂岩含水层，平均厚度约26.60m；其上为平均厚度约6.45m的泥岩隔水层；再向上为平均厚约52.50m的

23

直罗组下段上分层粗砂岩含水层。 3.4地质构造

(1)背斜：整个3121工作面位于张家庙背斜的东翼，煤岩层总体呈西北向东北倾斜的单斜构造，煤岩层走向60o～155o，倾向西北～东北，倾角8o～26o，平均18o，煤岩层沿走向、倾向均有一定的起伏变化。

(2)向斜：大羊其向斜自工作面北端至南端延伸1600m，于向斜轴部附近，压力较大，2煤内生节理较发育，易破碎，根据试验钻孔施工情况，泥岩隔水层较破碎，含水层本层粗砂岩无破碎现象。 3.5项目区水文地质情况

项目区所属工作面开采煤层为2煤，2煤老顶直罗组粗砂岩裂隙孔隙含水层是影响本井田的主要充水含水层。 3.6项目区排水通道

项目区钻场均布置在3121工作面运输巷内，钻孔成孔后钻孔内

涌出的水可通过3121工作面泄水巷经2煤带式输送机大巷排至2煤带式输送机大巷疏水巷乙水仓内。

24

3.7 3121工作面顶板直罗组下段粗砂岩含水层静储量预计

根据红柳煤矿1121工作面涌水机理，二煤顶板含水层周期性涌水水量以直罗组下段粗砂岩含水层古封存地下水静储量为主，因此，需要对3121工作面顶板充水含水层进行静储量预测计算，为疏放水钻孔工程布置提供依据。

采用公式：

Q静储量= Q弹+Q重力=μe?F?h+μd?F?m （1）

考虑到该含水层水压和弹性释水系数的乘积较小，在静储量计算时将含水层弹性释水水量忽略，仅取重力给水的水量值。

故本次计算中：

Q静储量= Q重力=μd?F?m（2） 上式中：

Q弹——地下水弹性储存量；

μe——弹性释水系数(可参考选取0.005－0.00005)； μd——含水层重力给水度（根据红柳矿地质报告附表8－煤层顶底板岩石物理力学性质试验成果汇总表，对33个2煤顶板直罗组

25

粗砂岩样孔隙度测试成果进行综合，其中最大值0.226,最小值0.047，平均值0.139。可参考选取其平均值0.139）； F ——评价区疏干范围面积； h ——自含水层顶面算起的水头高度；

m——含水层厚度（取本区定向钻孔所覆盖的3121工作面范围内H1505、H1607、 H1705三个勘探钻孔实际揭露该段含水层厚度的平均值78.50m）。

利用以上公式，分别对定向钻孔覆盖范围内3121工作面顶板直罗组下段粗砂岩的含水层总静储量及下一次周期来压井下定向钻孔覆盖范围内含水层的静储量进行估算，结果分别为377.76万 m3、19.64万m3，具体见表3-1所示。

表3-1 3121工作面直罗组下段砂岩含水层静储量计算表 估算范围 工作面范围内下段含水层 周期来压（步距按60m计算）内 走向长度 （m） 1154 60 斜长 （m） 300 300 含水层厚 （m） 78.50 78.50 给水度 0.139 0.139 静储量（万m3） 377.76 19.64 26

4 项目区疏放水方案

宁煤集团所辖的鸳鸯湖矿区、马家滩矿区目前水害治理主要通过常规钻机施工大角度仰角钻孔和采用井下定向钻机施工中长距离井下定向仰角钻孔提前疏放顶板水。为了使选择的方案可靠和合理，环境安全工程分公司分别对常规疏放水钻孔、井下定向疏放水钻孔进行了设计、对比分析，最终确定了最可行的方案。 4.1常规疏放水钻孔方案设计

(1)钻场布置

根据1121和1122工作面常规钻孔布置及实际施工情况，结合3121工作面地质情况，本次常规钻孔钻场布置情况为：

工作面开切眼内布置了2个钻场,即Q1-Q2；机巷自开切眼南30m处起每隔60m布置一个钻场共布置了20个钻场，即J1-J20；风巷自开切眼起每隔60m布置一个钻场共布置了21个钻场，即F1-F21。

(2)钻孔布置

本次工作面常规疏放水钻孔共布置了119个钻孔，其中开切眼

27

布置了7个钻孔；机巷布置了49个钻孔；风巷布置了63个钻孔。

(3)工程量情况

本次常规疏放水钻孔预计工程总量为15626m,其中开切眼868m；机巷6343m；风巷8415m。

(4)费用概算

根据红柳煤矿1121工作面施工井下常规疏放水钻孔费用情况，常规钻孔费用按照每米816元单价进行计算，本次工作面疏放水钻孔工程总量为15626m，预计费用为1275.08万元。 (5)施工工期

根据以往常规钻孔施工情况，工作面开拓好后可由风巷和机巷分别安排一台常规钻机同时进行疏放水钻孔的施工，单台钻机月进度按照1500m进行计算，两台钻机同时施工，施工完15626m(不考虑施工过程中需临时增加或减少的钻孔工程量)钻孔施工工期预计需要156天时间(不考虑钻机频繁搬家转场的时间)。

28

4.2井下中长距离井下定向疏放水钻孔设计 4.2.1定向疏放水钻孔的目的

(1)继续研究中长距离定向钻机施工中长距离定向探放水钻孔的钻进工艺。

(2)对3121工作面内顶板赋水性进行探测并提前进行疏放。 (3)根据工作面回采过程中的涌水情况对比分析常规钻孔与定向钻孔疏放水效果，为后续顶板水疏放钻孔布置提供一定的指导作用。 4.2.2定向疏放水钻孔设计的原则和依据

(1)定向疏放水钻孔设计原则

①定向钻场、钻孔布置应该与工作面巷道工程围岩环境、构造条件、采掘现状、排水通道、钻机能力相适应。

②定向钻孔试验工程尽可能以钻孔成孔性、提高疏放水量为目的。

③钻场位置应布置在试验区域的低洼处，始终保持施工仰角钻孔。

④根据工作面含水层特点分上下两个含水层分别布置钻孔进行

29

顶板水的疏放。

⑤根据试验钻孔布孔间距进行项目区钻孔的布置。

⑥根据井下定向探放水钻机能力，结合工作面情况，合理布置钻孔长度。

(2)定向疏放水钻孔设计的依据 ①《红柳井田煤炭勘探地质报告》 ② 矿井采掘、测量、观测资料

③《3121工作面北端冲刷带定向疏放水钻孔技术应用研究》 ④《煤矿防治水规定》 4.2.3定向疏放水钻孔设计

(1)钻场布置

根据项目区周边巷道、现有排水通道情况及项目区工作面倾斜情况，本次定向钻孔钻场分别布置在3121工作面运输巷和风巷内，共布置了四个钻场。其中，一号钻场布置在距离工作面开切眼北40m处，二号钻场布置在距离3121工作面运输巷二部皮带安装联络巷北113m处，三号钻场布置在在距离3121工作面运输巷二部皮带安装

30

联络巷南118m处，四号钻场布置在3121工作面回风巷内距离31采区2煤回风巷北134m的联络巷巷口处。

(2)钻孔布置

①钻孔平面布置：本次定向探放水钻孔影响半径根据试验钻孔影响半径按照50m进行布置，项目区共布置了22个主孔3个分支孔。其中一号钻场布置了7个钻孔，钻孔编号依次为：1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#；二号钻场布置了8个主孔1个分支孔，钻孔编号依次为：1#、2#、2-1#、3#、4#、5#、6#、7#、8#；三号钻场布置了5个钻孔，钻孔编号依次为1#、2#、3#、4#、5#；四号钻场布置了2个主孔2个分支孔，钻孔编号依次为：1#、1-1#、2#、2-1#。

②钻孔空间位置:项目区目标区域2煤老顶直罗组粗砂岩裂隙孔隙含水层是影响本井田的主要含水层，该含水层分上分层含水层和下分层含水层，本次钻孔空间层位分别在上分层和下分层含水层中进行布置。其中，下分层含水层中布置的钻孔有：一号钻场中2#、4#、6#孔；二号钻场中2#、2-1#、4#、6#、8#孔；三号钻场中2#、4#；四号钻场中2#、2-1#。上分层含水层中布置的钻孔有：一号钻场中

31

1#、3#、5#、7#孔；二号钻场中1#、3#、5#、7#孔；三号钻场中1#、3#、5#孔；四号钻场中1#、1-1#。

综上所述，本次定向疏放水钻孔在上分层中共布置了12个钻孔，在下分层中共布置了10个钻孔。

(3)钻孔参数设计

在三维空间中，钻孔设计参数是根据试验区二煤底板等高线、边界回风巷中相关测点，先计算出钻孔轨迹中每个控制点和钻孔靶点的X、Y值和轨迹方位，根据顶板情况计算出Z值和钻孔轨迹倾角，再根据每个控制点和靶点的值，运用插值计算方法，设计中间点的各参数值 (钻孔的设计参数见附表)。

(4)钻具组合

①开孔：φ96mm钻头+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾 ②扩孔：φ165mm钻头+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾(下分层含水层钻孔)

φ195mm钻头+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾(上分层含水层钻孔)

32

③钻进：φ96mm钻头+φ76mm螺杆马达+φ76mm下无磁钻杆+φ76mm测量短节+φ76mm上无磁钻杆+φ73mm通缆钻杆+φ73mm水尾

(5)钻孔结构

本次井下定向疏水钻孔均自煤层顶板完整粉砂岩段开孔，钻孔开孔至煤层直接顶板粉砂岩、泥岩段。其中，施工下分层含水层钻孔采用φ165mm扩孔钻头扩孔过泥岩段0.5-1m后下设φ127mm，壁厚6mm的孔口管固孔，在含水层中以φ96mm裸孔钻进至终孔位置。施工上分层含水层钻孔采用φ195mm扩孔钻头进行扩孔后下设φ159mm，壁厚8mm的孔口管固孔，在含水层中以φ96mm裸孔钻进至终孔位置，钻孔结构如图4-1、4-2所示：

33

孔至终直mm96径直m5m16径采用水泥浆进行填充直m7m12径直径127mm闸板阀

图4-1 下分层含水层钻孔结构图

34

至终m孔径直m96出径直133mm隔水层泥岩2m径直195mm采用水泥浆进行填充直15径9mm直径127mm闸板阀

图4-2 上分层含水层钻孔结构图

(6) 孔口装置

探放水或需要收集放水时的水量、水压等资料时，需要安装质量合格耐压达4Mpa的控水阀门（φ127mm闸板阀或蝶阀）和压力表。孔口装置要同钻孔套管的法兰盘连接在一起，并且易于拆开，在测量过程中要求密封不漏水。为了不影响钻探施工进度，在孔口管固孔牢固后将孔口三通连接好并且安装好孔口阀门后方可下钻。

35

钻进入含水异常体部位并出水后，边钻进边进行水量观测。孔口装置示意图如图4-3所示。

132

图4-3 井下放水孔孔口装置示意图

（ 1、压力表 2、￠127mm闸板阀 3、￠89mm放水胶管 ）

(7)固孔要求

①固孔必须采用固孔专用设备进行固孔，固孔深度穿过泥岩段0.5-1m。

②孔口管外端必须超出巷帮0.2-0.3m，并采用固孔专用设备向孔内注入固孔液(水泥砂浆)，注完后必须保证静置到固孔液凝固为

36

止。

③固孔凝固结束后对孔口管必须进行耐压试验，试验压力为3.5Mpa并稳定30min后，孔口管周围不漏水时方可钻进。 4.2.4工程量情况

本次定向疏水钻孔预计工程总量为9517m，其中一号钻场钻孔继续做为试验孔进行施工，若试验成功则二号、三号、四号钻场的钻孔做为后续推广应用的钻孔进行施工，具体情况见下表：

一、一号钻场 钻场 孔号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 开孔参数 方位角 倾角 150.5 30 160.7 25 166.1 30 178.4 25 195.3 30 208.9 25 227.5 30 合计(m) 开孔参数 钻场 孔号 方位角 1# 2# 二号钻场 2-1# 3# 4#

终孔层位分支点累计孔深工程量预计封孔下段粗砂（m） (m) (m) 长度（m） 岩含水层 456 498 522 552 450 279 222 456 498 522 552 450 279 222 2979 28 37 28 37 28 37 28 223 上分层 下分层 上分层 下分层 上分层 下分层 上分层 一号钻场 二、二号钻场 倾角 25 30 25 30 终孔层位分支点累计孔深工程量预计封孔下段粗砂（m） (m) (m) 长度（m） 岩含水层 99 37

240.2 225.4 207.3 195.6 318 324 315 348 381 318 324 216 348 381 37 28 37 28 下分层 上分层 上分层 下分层 上分层

5# 6# 7# 8# 三、三号钻场 182.4 25 172.4 30 159.7 25 150.5 30 合计(m) 开孔参数 423 471 525 334 423 471 525 334 3340 37 28 37 28 260 下分层 上分层 下分层 上分层 钻场 孔号 1# 2# 3# 4# 5# 方位角 倾角 终孔层位分支点累计孔深工程量预计封孔下段粗砂（m） (m) (m) 长度（m） 岩含水层 384 426 477 534 297 384 426 477 534 297 2118 28 37 28 37 28 158 上分层 下分层 上分层 下分层 上分层 三号钻场 203.3 30 190 25 177 30 167.2 25 158.7 30 合计(m) 开孔参数 四、四号钻场 钻场 孔号 方位角 40.5 62 倾角 30 25 终孔层位分支点累计孔深工程量预计封孔下段粗砂（m） (m) (m) 长度（m） 岩含水层 105 45 309 294 300 327 309 189 300 282 1080 9517 28 37 65 706 上分层 上分层 下分层 下分层 1# 1-1# 四号钻场 2# 2-1# 合计(m) 总计(m) 4.2.5费用概算

本项目采用的钻机为改造后的井下定向钻机，施工工艺为井下定向探放水工艺，其与井下定向瓦斯钻孔所采用的钻机及工艺较为相似，但又存在全部在岩层中钻进、封孔长度大、孔口需安装闸板阀及压力表等不同之处，因此，本项目费用概算一方面依据《神华

38

煤炭建设井巷工程消耗量补充定额》（试行2007基价），一方面又结合与井下定向瓦斯抽放钻孔工艺的不同进行测算，具体见表1和附表2：

39

表1 ZDY6000LD钻机井下定向疏放水钻孔定额测算表

单位:100m 定额编号 钻机型号 钻孔深度（m) 项目 井下直接工 人工 井下辅助工 ∮153mm扩孔钻头 ∮96mm回转钻头 ∮96mm定向钻头 通缆水便 上无磁钻杆 材料 下无磁钻杆 测量探管 铍铜外管 单位 工日 工日 个 个 个 个 根 根 根 根 单价/元 58.32 47.75 原定额 14 3 ZB375和ZB376 ZDY6000LD井下定向探放水钻机 ＜500 原总价（元） 816.48 143.25 63 102 552 现单价/元 237 237 现定额 原定额 14 3 15 3 ＜700 原总价（元） 874.8 143.25 66 108 588 240 1800 1800 14400 1440 现单价/元 237 237 3680 6000 6000 8000 现定额 15 3 0.0180 0.0180 0.0980 0.0300 ＜500 现总价（元） 3318.00 711.00 62.56 102.00 552.00 224.00 1700.00 1700.00 1360.00 ＜700 现总价（元） 3555.00 711.00 66.24 108.00 588.00 240.00 1800.00 1800.00 1440.00 备注 3680 0.0170 6000 0.0170 6000 0.0920 3680 0.0170 0.0180 6000 0.0170 0.0180 6000 0.0920 0.0980 8000 0.0280 0.0300 8000 0.0280 224.00 100000 0.0170 1700.00 100000 0.0170 0.0180 100000 0.0170 1700.00 100000 0.0170 0.0180 800000 0.0170 13600.00 800000 0.0170 0.0180 80000 0.0170 1360.00 80000 0.0170 0.0180 100000 0.0180 100000 0.0180 800000 0.0180 80000 0.0180 13600.00 14400.00 孔底马达 个 420000 0.0400 16800.00 420000 0.0700 0.0420 17640 420000 0.0700 由于在岩石中施29400.00 29400.00 工，每1500m用一个 88.00 88.00 94.00 94.00 上无磁接手 下无磁接手 个 个 2000 0.0440 88.00 2000.00 0.0440 0.0470 2000 0.0440 88.00 2000 0.0440 0.0470 94 94 2000 2000 0.0470 0.0470

孔底马达接手 通缆钻杆 电池 数据传输线 水费 液压油 机 油 齿轮油 钻机和钻杆润滑油 机 滤 液压泵滤芯 齿轮油滤芯 洗孔液 其它材料费 定额外材料 钻机机械 （ZDL6000LD) 其它机械费 水文参数观测费及研究费用 一.基价 1.人工 2.材料 3.机械 4.研究及观测费用 个 根 块 套 米 升 升 升 升 个 个 个 升 % 台班 % 元 元 元 元 32000 0.0440 88.00 4000 1.4760 5904.00 50000 0.0040 200.00 1 18 27 35 35 134 134.00 5.0630 91.13 1.4470 39.07 1.4470 50.65 2.9640 103.74 2000 0.0440 0.0470 4000 1.4760 1.5690 50000 0.0040 0.0050 4 134 143 94 6276 1080 250 143 2000 4000 60000 50000 4 18 27 35 35 0.0470 1.5690 0.0180 0.0050 143.0000 5.3840 1.5390 1.5390 3.1520 0.0890 0.0890 0.0890 3.7520 1.5000 3.4810 5.0000 88.00 5904.00 1020.00 200.00 536.00 93.31 38.88 50.65 103.74 252.00 739.20 655.20 141.12 880.48 6414.84 94.00 6276.00 60000 0.0170 1020.00 60000 0.0170 0.0180 18.43 5.0630 5.3840 96.9120 26.87 1.4470 1.5390 41.5530 35.00 1.4470 1.5390 53.8650 35.00 2.9640 3.1520 110.3200 1080.00 250.00 572.00 96.91 41.55 53.87 110.32 267.00 783.20 694.20 150.08 907.49 3000 0.0840 252.00 3000.00 0.0840 0.0890 267.0000 3000 8800 0.0840 739.20 8800.00 0.0840 0.0890 783.2000 8800 7800 0.0840 655.20 7800.00 0.0840 0.0890 694.2000 7800 40 2 3.5280 141.12 1.5000 685.43 40.00 3.5280 3.7520 150.0800 1.50 1.5000 1.5000 724.6520 40 2 6414.84 见附表2 4683 3.2730 15327.46 4683.00 3.2730 3.4810 16301.52 4683 5 5.0000 766.37 5.00 5.0000 5.0000 815.0760 5 15327.46 16301.52 766.37 6934.96 93051.77 4029.00 65993.98 16093.83 6934.96 815.08 每个孔需3万元，共6934.96 需66万元。 96139.26 4266.00 67821.70 17116.60 6934.96 41

二.技术措施费 三.企业管理费 四.利润 五.组织措施费 六.其他项目费 七.地区差价 八.规费 九.税金 十.社会保障费 总价（100m） 每米单价 元 元 元 元 元 元 元 元 元 元 元 费率（15.71）*(一+二) 费率（7.26）*(一+二+三) 费率（7.03）*(一+二+三+四) 费率*(一+二+三+四+五) 费率*(一+二+三+四+五+六) 费率*(1.13)*(一+二+三+四+五+六+七) 费率(3.41)*(一+二+三+四+五+六+七+八) 费率(5.19)*(一+二+三+四+五+六+七+九) 一+二+三+四+五+六+七+八+九+十 14618.43 7816.86 8118.74 0.00 0.00 1396.75 3985.74 6622.00 1356.10 15103.48 8076.22 8388.12 0.00 0.00 1443.09 4404.02 6856.57 1404.11 135610.29 140410.76

附表2 红柳煤矿3121工作面井下定向疏水钻孔定额外材料数量及价格表

序号 项目 单位 数量 单价/元 总价（万元） 备注 本项目共施工22个孔，每个孔需安装一根，每根一端带法兰盘,一端带丝扣，管上加工一个压力表座和点焊铁丝,每根1.36m，与顶管和中管连接。 每根1.36m，两端加工成丝扣，管上点焊钢筋，与顶管连接。 每个孔1个 每个孔1个 每个孔平均封孔长度35m，22个孔总封孔长度770m，每10m用7袋，本工程共使用539袋。 5个孔用1组，每组为黑料和白料各1桶,每桶25kg。 1 ∮127mm×6mm无缝钢管顶管 根 22 1000 2.2 2 3 4 5 6 ∮127mm×6mm无缝底管 ∮127mm闸板阀 2Mpa抗震压力表 水泥 瑞米加固 根 个 个 吨 组 533 22 22 27 4.4 700 970 150 500 1600 37.31 2.13 0.33 1.35 0.70 42

7 8 9 10 12 13 14 合 计 封孔用塑料管 棉纱 M16×120螺栓和密封圈 ∮25mm直通接头 ∮108mm钢丝胶管 ∮10mm钢丝绳 ∮10mm钢丝绳卡子 米 包 套 套 根 米 个 781 11 352 22 22 44 44 155 400 108 25 240 12 10 12.11 0.44 3.80 0.06 0.53 0.05 0.04 61.05 较孔口管每个孔需多增加0.5m。 1包封2个孔 每个孔需要16套 每个孔1套 每个孔1套 每个孔2m 每个孔2个

43

根据定向探放水钻孔定额测算表核定的单价,钻孔孔深小于500m，每米单价为1356.10元；钻孔孔深大于500m小于700m，每米单价为1404.11元。本次定向钻孔累积孔深小于500m钻孔工程量为7384m，工程费用为1001.3万元，钻孔累积孔深大于500m小于700m的钻孔工程量为2133m，工程费用为299.5万元。

综上所述，使用定向疏放水钻孔对3121工作面顶板水进行疏放总费用为1300.8万元。 4.2.6工期安排及施工顺序

(1)工期安排

根据环境安全工程分公司施工焦煤公司老空水钻孔情况，预计2012年1月15日可对3121工作面定向疏放水钻孔进行施工，正常施工期间月进度按照1500m考虑，设计总工程量为9517m，预计2012年7月25日历时190天可将全部工程量施工结束。

(2)施工顺序

本次定向疏放水钻孔整体按照先施工下分层含水层钻孔后施工上分层含水层钻孔的顺序进行，具体情况为：

①钻场施工顺序：一号钻场---二号钻场---三号钻场---四号钻场 施工过程中先将一号钻场钻孔施工结束后根据一号钻场钻孔涌水情况及矿方要求再确定是否继续施工二号、三号、四钻场的钻孔。

②钻孔施工顺序：一号钻场钻孔从机巷侧钻孔开始施工，先施工下分层含水层钻孔后施工上分层含水层钻孔的顺序进行施工；二号钻场、三号钻场钻孔从机巷侧开始上下分层钻孔交替进行施工，施工过程中若钻孔涌水量明显减少可根据实际情况及时对钻孔布置进行合理调整后继续施工，四号钻场钻孔根据钻孔编号顺序进行施工。

5 方案对比分析 5.1疏水效果

(1)常规钻孔

根据1121工作面钻孔疏水效果表统计分析，常规钻孔单孔涌水量平均值为10 m3/h(不包括离层水钻孔)，本次3121工作面共布置119个常规钻孔，疏水效果估算情况如下：

①预期目标为将工作面周期性最大涌水量控制在1000m3/h以

45

下。

②单孔预计涌水量按照10 m3/h计算，预计对工作面顶板直罗组下段砂岩上分层赋水静储量进行全面疏放，疏放水时间约132天；周期来压按60m计算，单孔预计涌水量按照10m3/h计算，周期来压范围内疏放水时间约136天。预计过程见表4-3。

表4-3 常规钻孔疏放水估算表

静储量 疏水孔数单孔涌水总疏放流量预计范围 （万m3） （个） 量（m3/h） （m3/h） 周期来压19.64 6 10 60 步距内 工作面内下段含水377.76 119 10 1190 层 疏放时间 (天) 约136天 约132天 说明：上表所列疏放水时间为平均的疏水效果，在实际生产过程中应该根据单孔实际稳定涌水量计算疏放时间。

(2)定向钻孔

①3121工作面北端冲刷带试验定向钻孔疏水效果统计（截止到11月15日）

终孔深度(m) 水量(m3/h) 见水点 平均值 终孔点 最大水量 总水量 水温(°c) 终孔 目前 水压(Mpa) 终孔 目前 孔号 46

2# 4# 6# 1# 3# 5# 主孔 分支 主孔 分支 合计 459 492 288 456 480 264 495 330 3363 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.3 22.9 33.6 49.9 14.7 94.1 120 129 129 50 90 162 120 129 129 216 90 162 120 48824.97 58202.30 49565.86 25646.08 92789.92 27062.26 23 14 23 14 14 14 14 14 14 14 14 14 0.85 0.4 1.2 1.3 1 1 0.28 0.3 0.2 0.15 0.9 1 总水量：302091.4 根据3121工作面北端冲刷带试验定向钻孔疏水效果表统计分析，下分层钻孔(2#、4#)最大涌水量为129m3/h，平均涌水量为28.3m3/h，上分层钻孔(6#、1#、3#)最大涌水量为216m3/h，平均涌水量为52.9m3/h。3121工作面一号钻场定向钻孔预期疏水效果可根据上述钻孔疏水情况进行估算，具体情况如下：

①预期目标为将工作面周期性最大涌水量控制在1000m3/h以下。

②3121工作面内共布置了22个定向钻孔，单孔预计涌水量按照40.6 m3/h(上下分层平均值)计算，预计定向钻孔覆盖范围内工作面顶板直罗组下段粗砂岩含水层赋水静储量进行全面疏放，疏放水时间约176天；周期来压按60m计算，单孔预计涌水量按照41 m3/h计算，周期来压范围内疏放水时间约29天，预计过程见表4-2。

47

表4-2 3121工作面定向钻孔疏放水时间预计表

预计范围 周期来压步距内 工作面内下段含水层 静储量 疏水孔数单孔涌水总疏放流量（万m3） （个） 量（m3/h） （m3/h） 19.64 377.76 7 22 40.6 40.6 284.2 893.2 疏放时间 (d) 约29天 约176天 需要指出的是，上表所列疏放水时间为平均的疏水效果，在实际生产过程中井下定向疏水孔成孔以后单孔涌水量在上下分层稳定值分别在100 m3/h和46 m3/h，所以定向钻孔实际疏放水时间会小于上表估算时间，后续钻孔应该根据单孔实际稳定涌水量计算疏放时间。 5.2费用情况

(1)定向钻孔

本次3121工作面定向疏放水钻孔共布置了22个定向钻孔，钻孔工程总量为9517m，工程总费用为1363.7万元。

(2)常规钻孔

3121工作面若采用常规钻孔施工预计需布119个钻孔，钻孔工程总量预计为15626m，钻孔单价按照816元计算，工程总费用为

48

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dolo.html