煤矿井下探放水钻探技术培训课件ppt

本 课 目 的

煤矿井下钻探的应用：

1、《煤矿防治水规定》(国家安全生产监督管理总局令第28号)第3条规定：防治水工作应当坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则，采取防、堵、疏、排、截的综合治理措施。

2、山东省煤矿水害事故统计：1949～2004年共发生水害事故96起，死亡782人。其中老空水水害事故61起，死亡655人，占事故起数的63.5%，占死亡人数的83.8%;地表水水害事故12起，死亡111人;承压含水层水水害事故23起，死亡16人。

目 录

一、煤矿井下探放水钻探基础知识

1、综合探测技术手段

钻探、物探、化探 (水文地质实验)

2、钻探定义

是用钻机设备从地表向地下钻进成孔，从而达到所要任务的工程施工工程。以钻为手段，以探为目的。

一、煤矿井下探放水钻探基础知识

一、煤矿井下探放水钻探基础知识

3、钻探的分类

(1)按照钻探目的分：

地质钻探

(煤田地质钻探、 水文地质钻探)

水文水井钻探

工程勘察钻探

石油钻探

(2)按照钻头克取岩石的方式：

回转式 冲击式 冲击回转式

(3)按照取芯与否分：

取芯钻探 无芯钻探

注浆泵的基本参数

缸套内径(直径)

公称流量(理论流量) 活塞行程

活塞往复次数

缸径及其厚度

公称压力 拉杆直径

动力机功率

(1)钻 头

钻头 (bore] bit )安装在钻杆前端,回转破碎煤或岩石的刀具。

★ 硬质合金钻头

★ 金刚石钻头

★ PDC(人造金刚石)钻头

★ 潜孔钻头

直镶式钻头软至中硬地层

正斜镶钻头 极软的塑性地层

负斜镶钻头 较硬岩层或裂隙地层、软硬不均地层。

磨锐式钻头 需经修磨切削刃后再使用的钻头。

自锐式钻头 研磨性大和裂隙发育的硬地层。

(2)套管

止水 止浆 隔 离 耐 压

一般使用型号不低于DZ40的地质套管。

(1)井下钻孔的基本参数 ◆ 钻孔坐标 ◆钻孔方位角、倾角 ◆钻孔孔径、孔深 ◆止水(止浆)套管长度、封固要求、耐压值 ◆开孔层位和终孔层位 ◆钻孔揭露的岩层名称及换层深度。 ◆钻孔涌水量、涌水深度、涌水层位和水压。 ◆钻孔孔径变化深度、层位。

地质钻探的六大工程质量标准

◆ 岩矿心采取率及其整理

◆ 钻孔弯曲度及测量间距

◆ 孔深误差的测量及校正

◆ 简易水文地质观测

◆ 钻孔封闭与检验

◆ 原始报表填写

按照上述指标，验收后钻孔质量分为特级孔、甲级孔、乙级孔和废孔。

(1)岩矿心采取率及其整理

按照钻探规程要求，全孔平均采取率一般不得小于65%。在完整岩层段，采取率不得小于75%;断层破碎带岩心采取率一般不低于50%，并根据钻孔目的要求掌握。

岩矿心采区方法：干钻采取法

卡料卡取法

卡簧卡取法

对煤的采取一般采用单动双管，以保证煤样的品位。

(3)孔深误差及校正

孔深误差直接影响到钻孔的真实深度和各种钻孔资料的真实准确性。一般通过丈量钻具来进行校正。

正常钻进50-100m时，

标志层和终孔后

重要层位(涌漏水、断层破碎带)

测斜、下套管、变径前

(4)简易水文观测

揭露涌水点的深度、层位

钻孔涌水量、水压及其变化

水质及其变化

钻孔涌水后其它观测点水量水压变化情况

放水和注水试验情况(注水量、注水压力等)

水文地质实验中的动态观测数据

(5)钻孔封闭与检验

目的：隔离含水层与煤层之间通过钻孔的联系;防止矿井通过钻孔涌突水。

一般使用水泥浆或者水泥砂浆封闭。

按照地层产状分段封闭

每次封闭后都要在封闭段上部取水泥样，并检验封闭深度及封闭质量，记录归档保存。

除长期水文观测孔和取水孔外，一般都要封闭。

(6)钻孔弯曲及其测量

地面钻孔对钻孔的弯曲及其测量都有一定的规定

井下钻孔受到环境的影响，很难做到，但要通过控制钻探参数来保持。

目前出现随钻测量技术。

(1)井下探放水钻探施工组织设计应包含的内容

目的和任务

钻孔设计

钻探设备及工具

钻探作业流程

钻探技术要求

钻探安全措施

竣工后对钻孔的管理

避灾路线

(2)井下探放水钻探施工组织设计的一般要求

必要的图表:

钻孔布置平、剖面图

地质预想剖面图

钻孔参数统计表

避灾路线图

现场供电线路图

要符合规程标准要求，并结合现场环境和工程的特殊要求。

(3)技术成果资料

质量管理中的现场文字搜集及整理资料

单孔施工成果

工程技术总结报告

上级审批及验收报告

其它资料

钻探作业总台时：开工到竣工的所有时间;

非钻探作业台时：因非施工原因造成的停工时间;

钻探作业台时：非钻探作业台时外的所有时间;

纯钻进时间：钻头在孔内克取岩石的时间;

设备事故时间：因钻机、注浆泵、供电等设备检修造成的停工时间;

孔内事故时间：因处理钻孔事故造成的无钻探进尺时间;

辅助时间：扣除纯钻进时间、设备事故时间和孔内事故时间后的处于钻探作业台时内的时间。

(1)在预计水压大于0.1 MPa的地点探水时，预先固结套管。套管口安装闸阀，套管深度在探放水设计中规定。

(2)止水套管封闭后，都要进行耐压试验，要求耐套管封固后的耐压值不得小于承压含水层水压的1.5倍。

井下探放水钻探常见的钻孔事故

埋钻

卡钻

烧钻

钻杆事故(脱落、折断)

钻孔偏斜

套管事故(断裂、锈蚀、封闭不良)

强 度

岩石的强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲或剪切等)作用下，抵抗破碎的能力。常用的强度单位为MPa。

坚固岩石和塑性岩石(如粘土)的强度，主要取决于岩石的内连结力和内摩擦力。松散性岩石的强度主要取决于内摩擦力。

① 影响岩石强度的自然因素

◆ 岩石的矿物成分、结构和构造

◆岩石的机械强度，在很大程度上取决于组成岩石的矿物成分。

◆碳酸盐类岩石主要由方解石、白云石组成。

◆由矿物颗粒胶结成的岩石，其强度决定于胶结矿物的成分。

◆在相同矿物结构下，组成岩石的矿物颗粒直径的尺寸对岩石的强度也有很大影响。

◆岩石的孔隙度对岩石的强度也有巨大影响。

◆岩石的层理对强度的影响具有明显的方向性。

◆裂隙性也是岩石重要物理性质，也对岩石强度有重要影响。

② 技术因素方面

影响岩石强度的技术因素，最明显的是岩石产生变形的形式。主要包括抗压、抗剪、抗折和抗拉等变形。

岩石的抗压强度最大，而抗剪、抗弯和抗拉强度依次减小，抗拉强度仅为抗压强度的10%以下。其表现形式是：抗压>抗剪>抗弯>抗拉

岩石硬度

岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压入的阻力。

岩石的硬度在本质上与强度，特别是抗压强度有着密切的关系;物体的硬度是其单向抗压强度的七倍。但实验证明，岩石的抗压入硬度与其单向抗压强度之比在5～20之间。

一般地质上把矿物的硬度分为10级，即莫氏硬度。

普氏系数

普氏系数是指岩石的坚固性系数，岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方式(单轴压缩、拉伸、剪切)相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力。

岩石坚固性系数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数。

岩土的可钻性及其分级

岩石的可钻性是钻进时岩石抵抗破碎的能力。

岩石的可钻性是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。其影响因素主要的是岩石的物理力学性质、钻进方法和钻进技术参数等。

现场刻划法

大拇指甲：刻划1～3级的岩石矿物;

铁刀：刻划3～4级的岩石矿物;

普通钢刀：刻划4～5级的岩石矿物;

锉刀：刻划5～6级的岩石矿物;

合金刀：刻划7～8级的岩石矿物。

采掘工作面遇有下列情况之一的，应当进行探放水 　1、接近水淹或者可能积水的井巷、老空或者相邻煤矿; 　2、接近含水层、导水断层、暗河、溶洞和导水陷落柱; 　3、打开防隔水煤(岩)柱进行放水前; 　4、接近可能与河流、湖泊、水库、蓄水池、水井等相通的断层破碎带; 　5、接近有出水可能的钻孔; 　6、接近水文地质条件复杂的区域; 7、采掘破坏影响范围内有承压含水层或者含水构造、煤层与含水层间的防隔水煤(岩)柱厚度不清楚可能发生突水; 　8、接近有积水的灌浆区; 　9、接近其他可能突水的地区。

超前探放水的原则：有疑必探、先探后掘。

探水起点的确定(三线)

积水线

探水线

警戒线

1)探水线设计

煤矿井下存在各种积水区时，必须在采掘工程平面图上标出积水范围、外缘标高，积水量，同时标出探水线位置，并符合以下规定：

① 探水线应根据积水区的位置、范围、水文地质条件及其资料的可靠程度，以及采空区，巷道受矿山压力的破坏情况等因素规定

② 对本矿开采所造成的老空、老巷、水窝等积水区，其边界位置准确，水压不超过1MPa，探水线至积水区的最小距离：在煤层中不得少于30m，在岩层中不得少于20m。

③ 对本矿井的积水区，虽有图纸资料，但不能确定积水边界时，探水线至推断的积水边界的最小距离不得少于60m。

④对有图纸资料可查的老窑，探水线至老窑边界的最小距离不得少于60m。对没有图纸资料可查的老窑，可根据本矿井已了解到的小窑开采最低水平，作为预测的可疑区，必要时可先进行物探控制可疑区，再由可疑区向外推100m作为探水线。

⑤对已知的断层、陷落柱的探水线，由断层、陷落柱所留设的防水煤柱线至少向外推20m作为探水线。

⑥石门揭露含水层的探水线，探水线至含水层的水平最小距离不得小于20m。垂直距离应根据水压和隔水层的岩性等资料综合分析确定其最小距离。

⑦一般在探水线外推50-150m作为警戒线。巷道掘进进入该线后，要警惕，发现有突水征兆时及时探水。

2)探放水钻孔的布置原则和布置方式

①探放水钻孔的布置原则

探放水钻孔的布置应以不漏掉“老空”、保证生产安全和探水工作量最小为原则。

超前距 ：探水钻孔的终孔位置应始终保持超前工作面一段距离，这段距离称“超前距”。

允许掘进距离：探水后，证实无水害的威胁，可以安全掘进的长度。

帮距 ：使巷道两帮与可能存在的老空积水间保持一定的安全距离，该安全距离，即称为帮距。

钻孔密度(孔间距)：允许掘进距离终点横剖面线上，探水钻孔之间距。为防止漏掉老空巷道，一般不得超过3m。

在水压高、水量大或煤层松软、节理发育的情况下，于煤层中打钻不安全，应采用隔离式探水。隔离式探水有三种类型，其使用条件及钻孔布置见表所示。

探放水应采用深孔、中深孔和浅孔相结合的方式

对探放水钻孔的要求：

③在预计水压大于0.1MPa的地点探水时，预先固结套管，套管口安装闸阀。

④钻孔内水压大于1.5MPa时，采用反压和有防喷装置的方法钻进，并有防止孔口管和煤(岩)壁突然膨出的措施。

⑤探水钻孔除兼做堵水或者疏水用的钻孔外，终孔孔径一般不得大于75mm。

4)断层水的探放

矿井90%以上的突水都与断层有关。因此查明断层的位置、性质、规模、导水情况、富水性强弱、水头压力大小以及断层两侧含水层的富水性、水压大小及其与开采煤层的相对位置尤为重要。探明后并采取疏放、留设防隔水煤(岩)柱或注浆封堵等措施加以预防和治理，对防止断层突水，确保矿井安全非常重要。

5)含水层水的探放

探放含水层水基本有三种情况，一是探放影响采掘工作的顶板强含水层水;二是探放影响采掘工作的底板强含水层水;三是巷道(例如石门)穿越强含水层前的探放水。

①老窑积水量的估算

Q积——相互连通的各积水区总水量，m3

——有水力联系的煤层采空区积水量之和，m3;

——与采空区连通的巷道积水量之和，m3;

K——采空区或巷道的充水系数; α——煤层倾角，°;

M——采空区平均采厚或煤厚，m;L——积水巷道长度，m。

F——采空积水区的水平投影面积，m2;

W——积水巷道原有断面，m2;

山西吕临能化公司庞庞塔煤矿5层煤老空区探放水

冒裂带高度计算及导水安全性分析:

对砂质泥岩、泥质砂岩、页岩等岩层在矿山压力和自重压力作用下冒落带和导水裂隙带高度的计算公式：

对庞庞塔煤矿10号煤顶板的冒裂带高度进行计算: 100×9.7/(3.3×1+3.8)+5.1=141.7m

根据庞庞塔煤矿以往煤田地质勘查资料，5号煤底至10号煤顶之间的地层间距最大为63.86m。由此可见，10号煤顶板的冒裂带高度已远远达到5号煤采空区之上。5号煤采空区的积水将会对10号煤的安全开采造成较大的影响，因此必须实施探放水工程，将旧矿5号煤采空区积水进行安全疏放。

一、煤矿井下探放水钻探基础知识

1、水文地质勘探的三大主要手段

2、钻探定义

3、钻探分类

4、井下探放水钻探基本原理

5、井下探放水钻探常用设备

6、井下探放水钻探常用工具材料

二、煤矿井下探放水钻探技术及质量管理

1、井下钻孔基本参数

2、井下探放水钻探施工质量管理

3、井下探放水钻探施工技术管理

三、煤矿井下探放水钻探作业效率分析

四、煤矿井下探放水钻探安全管理

1、井下钻孔止水套管的封固

2、钻孔孔口安全装置及要求

3、井下作业现场安全

4、几种常见的钻孔事故及其处理方法

五、岩石的性质

六、煤矿探放水