突出煤層鉆孔施工防噴裝置的研制與應用

摘要：瓦斯噴孔是高瓦斯突出礦井普遍存在的一種瓦斯事故。為了解決突出煤層因瓦斯壓力大、含量高在鉆孔施工時容易發(fā)生噴孔造成瓦斯超限甚至發(fā)生噴孔傷人事故，設計了一種鉆孔施工防噴裝置。該裝置包括固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置、儲煤裝置四部分組成。鉆孔內出來的高濃度瓦斯、水和渣進入氣水分離裝置，經(jīng)氣水分離裝置的分離，高濃度瓦斯進入抽采管路，水和渣經(jīng)氣水分離裝置的排水除渣口排出進入儲煤裝置，在儲煤裝置內，殘余瓦斯再次被抽走，水和煤被排出，實現(xiàn)氣、水、渣的有效分離。在陶二煤礦2217下底板巖巷采用該裝置后，鉆孔施工過程中基本實現(xiàn)了瓦斯零超限，保證了安全生產(chǎn)。

關鍵詞：防噴裝置 瓦斯噴孔 突出煤層 鉆孔施工

煤礦瓦斯事故是高瓦斯突出礦井普遍存在的一種災害。目前，瓦斯治理的主要措施是施工鉆孔抽采煤層瓦斯。但是，在瓦斯抽采鉆孔施工過程中，由于地應力高、瓦斯壓力大、煤質松軟，極易發(fā)生鉆孔突出事故。鉆孔突出可分為2種類型，一是由于打鉆而誘發(fā)了工作面煤與瓦斯突出，二是鉆孔基本保持完好的鉆孔噴孔[1]。資料顯示，90%以上的鉆孔突出屬于鉆孔噴孔[2-4]。鉆孔噴孔現(xiàn)象一般持續(xù)時間較長，鉆孔施工過程中，往往會發(fā)生多次噴孔，使作業(yè)地點瓦斯超限，影響施工進度，嚴重時可能會危及現(xiàn)場施工人員的人身安全。對于鉆孔噴孔目前尚沒有一種有效的預防方法，只能在孔口安裝防噴裝置進行控制鉆孔噴孔造成的危害。

因此，研制突出煤層鉆孔施工防噴裝置對于礦井鉆孔安全施工、提高鉆孔施工速度、保證安全生產(chǎn)具有重要意義。

陶二煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井設計生產(chǎn)能力125萬t/a，礦井主采煤層2#煤層為突出煤層，平均厚度3.5m，屬于可以抽出煤層，煤層最大瓦斯含量為13.1m3/t，最大瓦斯壓力為1.51MPa。鉆孔施工期間有噴孔、卡鉆等動力現(xiàn)象，煤層瓦斯具有自噴能力。瓦斯噴孔事故經(jīng)常造成瓦斯超限，影響安全生產(chǎn)。雖然未造成人員傷亡，但是作為一種安全隱患，嚴重影響巷道掘進速度。

為了解決打鉆過程中鉆孔噴孔問題，經(jīng)過不斷的摸索和現(xiàn)場試驗，形成了一套適合礦井實際的鉆孔施工防噴裝置。

1 打鉆噴孔及防噴原理

打鉆噴孔是一種瓦斯動力現(xiàn)象，主要受到地應力、瓦斯壓力和煤巖體物理力學性質的綜合作用。一些煤礦地應力高、煤質松軟，鉆孔鉆進到煤層后，就會破碎煤體，當煤體破碎后就會以較快的速度進行解吸，流入到鉆孔中的瓦斯隨之增加，使得前后出現(xiàn)較大的瓦斯梯度，并出現(xiàn)較為明顯的瓦斯激流，進而對煤體產(chǎn)生粉化作用。由于鉆桿與孔壁間空隙較小，粉化的煤屑和瓦斯不能順利排出，從而進一步增加瓦斯壓力梯度，再加上外部排鉆屑水（風）壓的作用，就會出現(xiàn)煤與瓦斯氣體從孔內突然涌出的現(xiàn)象，即噴孔。因此，必須采取措施進行處理，否則，噴出的煤粉和瓦斯就回進入巷道空間，危及人身安全，造成瓦斯超限事故。

在安裝孔口防噴裝置后，在瓦斯壓力和水（風）壓的共同作用下，煤粉和瓦斯氣體進入孔口多通裝置，然后進入到氣水分離裝置，煤粉在重力作用下，通過氣水分離裝置的排水除渣口排出，在抽采負壓作用下，瓦斯氣體被抽入礦井抽采系統(tǒng)，避免了瓦斯氣體逸散到工作空間，導致瓦斯超限，危及安全生產(chǎn)。

2 防噴裝置結構

防噴裝置主要包括固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置、儲煤裝置四部分，如圖1所示。

1——鉆孔；2——固孔管；3——鉆桿；4——孔口多通裝置；5——儲煤裝置；6——鉆機；7——氣水分離裝置；8——抽采軟管；9——抽采管路。

圖1 防噴裝置示意圖

①固孔管：固孔管用于保持鉆孔孔口2m段成型完好，防止孔口塌孔，同時固孔管上安裝法蘭盤，用于連接孔口多通裝置。

②孔口多通裝置：中心為一鉆桿通道，前后各安裝一個法蘭盤，前端法蘭盤用于連接固孔管，后端法蘭盤用于安裝帶空心的膠墊，空心直徑與鉆桿直徑一致。上部為抽采瓦斯出氣口，出氣口安裝有過濾網(wǎng)，下部為落煤口，如圖2所示。

1——瓦斯出氣口；2——鉆桿通道；3，4——法蘭盤；5——落煤口；6——過濾網(wǎng)。

圖2 孔口多通裝置

③氣水分離裝置：包括上部的氣水分離箱和下部的集水箱。氣水分離箱由若干個進氣口和一個帶閥門的出氣口，瓦斯和水進入氣水分離裝置后，經(jīng)擋板阻擋和過濾網(wǎng)的過濾，瓦斯氣體經(jīng)出氣口進入抽采系統(tǒng)，水在重力作用下進入集水箱。集水箱上下各有一個蝶閥，正常工作時上部蝶閥打開，下部蝶閥關閉，氣水分離箱和集水箱相通。在放水時，關閉上部蝶閥，將氣水分離箱和集水箱隔開，打開下部蝶閥放水。放水完成后，再次關閉下部蝶閥，打開上部蝶閥，如此反復進行氣水分離工作，如圖3所示。

1——帶閥門51mm直通；2——51mm直通；3——盲板；4——過濾網(wǎng)；5——擋板；6——1號蝶閥；7——2號蝶閥；8——氣水分離箱；9——集水箱。

圖3 氣水分離裝置

④儲煤裝置：從孔口落煤口落下的煤和水在該裝置內儲存，該裝置內的瓦斯氣體由出氣口進入氣水分離裝置，水和煤經(jīng)放煤口放出，在沉淀池內沉淀后清理出去。

3 防噴裝置安裝工藝流程

3.1 安設鉆機

根據(jù)鉆孔設計參數(shù)及開孔位置，安設好鉆機，并采取相應措施，使鉆機穩(wěn)定，避免打鉆過程中鉆機移動。

3.2 開孔

鉆機安設好以后，根據(jù)鉆孔設計參數(shù)及開孔位置，用127mm的取芯鉆頭施工2m，退出鉆桿，然后下入2m長直徑108mm的固孔管，外露150mm，在固孔管與孔壁之間用麻繩堵住，并用聚氨酯澆注麻繩將固孔管密封牢固。

3.3 防噴裝置的安裝

①固孔管密封牢固以后，在固孔管上安裝一空心法蘭盤。將孔口多通裝置前端的法蘭盤與固孔管上的法蘭盤用螺絲連接。

②將鉆桿穿過空心膠墊，然后安裝鉆頭，鉆頭安裝后，將鉆桿送入孔內，同時將膠墊用螺絲與孔口多通裝置后端的法蘭盤連接嚴密。

③將孔口多通裝置的出氣口與氣水分離裝置的進氣口用51mm抽放軟管相連接，將孔口多通裝置的落煤口與儲煤裝置相連接。

④將氣水分離裝置和儲煤裝置的出氣口分別用51mm抽采軟管與抽采管路相連接，經(jīng)氣水分離后的瓦斯進入抽采管路內。

⑤打開氣水分離裝置和儲煤裝置出氣口上的閥門，形成抽采系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場施工情況及瓦斯變化，通過閥門調節(jié)抽采負壓。

4 現(xiàn)場應用效果

陶二煤礦屬于突出礦井，根據(jù)文獻[5]，-711水平首采區(qū)南翼位于突出危險區(qū)內，工作面瓦斯治理采用底板巖巷施工穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施。在2217下底板巖巷第一超前探鉆場內施工穿層鉆孔控制2#煤煤層層位時，由于煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高煤巖體存在導通的裂隙，在鉆孔即將見煤時發(fā)生了鉆孔噴孔事故，造成了瓦斯超限，影響了安全生產(chǎn)。

此后，經(jīng)過不斷的摸索和研究，在原有防噴裝置的基礎上改進得到了目前使用的防噴裝置。經(jīng)過改進后的防噴裝置大大提高了鉆孔防噴效果。在2217下底板巖巷第二抽采鉆場穿層預抽鉆孔施工過程中，由于較好的使用防噴裝置，鉆場內的瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?.5%以下，回風瓦斯?jié)舛纫恢痹?.3%以下，杜絕了瓦斯超限事故。鉆孔施工速度較以前有了大幅度提高，由于瓦斯影響，以前施工一個鉆孔大約需要一個班以上的時間，而使用該防噴裝置以后，第二鉆場抽采鉆孔的施工速度達到了以前的兩倍以上，一班可以施工兩個鉆孔，進尺最大可達到每班60m以上，是以前的2～2.5倍，效果十分顯著。

5 結論

①鉆孔施工防噴裝置由固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置和儲煤裝置四部分組成。可以將鉆孔出來氣水煤在進入抽采系統(tǒng)之前實現(xiàn)有效分離，使瓦斯進入抽采系統(tǒng)，水和煤被分離出來。

②鉆孔施工防噴裝置可以提高工作人員的安全系數(shù)，在鉆孔穿過煤層時，可以將鉆孔內涌出的高濃瓦斯，經(jīng)過氣水分離進入抽采系統(tǒng)，而不直接涌出鉆孔施工鉆場內。鉆場內瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%以下，回風瓦斯?jié)舛缺３衷?.3%以下，有效解決了鉆孔施工過程中瓦斯超限問題。

③使用鉆孔施工防噴裝置以后，大大提高了鉆孔施工速度，進尺最大可達到每班60m以上，是以前的2～2.5倍，效果十分顯著。

參考文獻：

[1]李文樹，龍建明，陳久福，李宗福，周聲才.瓦斯抽采鉆孔噴孔防護裝置的研制與應用[J].煤炭科學技術，2011（12）.

[2]梁運培.煤層鉆孔噴孔的發(fā)生機理探討[J].煤礦安全，2007， 38（10）：61-65.

[3]蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機理及防治技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1998.

[4]于不凡.煤與瓦斯突出機理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1985.

[5]河南理工大學.《邯鄲礦業(yè)集團陶二煤礦瓦斯地質規(guī)律研究報告》.2013.03.

作者簡介：

任喜明（1963-），男，河北大名人，河北工程大學采礦工程專業(yè)畢業(yè)，大學學歷，采煤工程師，現(xiàn)任陶二煤礦副礦長，一直從事煤礦采掘生產(chǎn)管理工作。