強突煤層“孔突”防治技術探討

耿全利

摘 要：本文分析了強突煤層打鉆過程中的“孔突”現象及其防治措施。“孔突”作為打鉆噴孔的一種特殊形式，其噴孔動力現象巨烈，瞬間噴出大量煤與瓦斯，其危害性較一般噴孔嚴重，且防治難度大。只有從“孔突”發生理機入手，由被動防噴轉變成主動控噴即通過全程煤壁護孔技術減少穿煤期間煤壁垮落而造成應力集中和瓦斯加速解吸，從而實現控噴。

關鍵詞：強突煤層；孔突；煤壁全程護孔

0 引言

謝一礦-840mC13底板巷實測C13煤層瓦斯壓力4.2MPa，瓦斯含量10m3/t，堅固性系數f=0.28～0.14、放散初速度Δp=8～13、突出危險性綜合指標K=48.86～85.71，屬強突煤層，煤塵具有爆炸性。此巷道作為513（3）保護層開采區瓦斯治理專用巷，采用（10m×10m）網格式布置方式施工穿層鉆孔。經現場勘察，煤粉沿下風側拋撒長度約40m，厚度10～200mm，噴出煤量約18t。根據-817m北翼總回風石門探頭T變化情況，經測算，噴出瓦斯量4243m3，屬“孔突”現象，即由于鉆孔擾動破壞原煤應力平衡，在高壓游離瓦斯共同作用下，使破碎的煤體及瓦斯瞬間噴出，是噴孔一個極端表現形式。如何從被動防噴到主動性控噴來解決“孔突”事故進行探討。

1 “孔突”現象分析

1.1 “孔突”易發生在地質構造成帶附近： 2008-2011年間，勘探工程處井下各工區打鉆共發生噴孔105起，從54起可以查到鉆孔相關地質資料來看，51起施工地點處于地質構造帶內，占94%。因此可以通過實例說明，鉆孔噴孔的決定性因素是由鉆孔施工地點地質構造發育情況引起的，有了這樣的結論，我們即可通過對地質構造的精細控制，采取針對性的“防噴、控噴”措施。

淮南礦區地質異常區主要以斷層、煤層變薄帶、陷落柱、褶皺帶等影響為主，鉆孔施工時因其處于構造的位置不同，對煤層內瓦斯的吸附、解吸、流動形成不同的影響。根據鉆孔所處的構造位置可以分為穿透斷層、斷層附近、薄煤帶、褶皺帶。

①穿透斷層。在斷層面兩側瓦斯富集，鉆孔鉆進穿過斷層面時，瓦斯氣體通過鉆孔形成的通道異常涌出形成鉆孔噴孔。

②斷層附近。在斷層面附近，煤巖體較為破碎，形成瓦斯儲藏空間，當鉆孔鉆進至該范圍內，形成新的瓦斯通道，造成瓦斯噴孔。

③薄煤帶。鉆孔施工至煤層在<1/3平均煤厚段時，由于該范圍內成巖期的高壓作用，瓦斯吸附性相對較高，當鉆孔施工至該區域，釋放壓力后瓦斯迅速解吸，形成瓦斯噴孔。

④褶皺帶。鉆孔施工煤層褶皺區域，尤其是背斜褶皺帶附近，瓦斯在局部區域富集，不易排出，鉆孔施工至該區域瓦斯被迅速釋放，易形成噴孔。

1.2 “孔突”現象及其危害

“孔突發生時會瞬間噴出大量瓦斯與煤塵，動力現象巨烈。其危害體現在：

①“孔突”瞬間高壓瓦斯易將鉆桿或封孔管頂出，可能形成撞擊火花產生。

②“孔突”若發生在人工向孔內下封孔套管期間易造成封孔管傷人事故發生。

③噴出的煤巖粉擴散范圍較大，易造成煤巖粉沖擊傷人。

④噴出的瓦斯量及煤量大，瓦斯瞬間積聚，造成瓦斯爆炸事故。

2 “孔突”防治技術

傳統噴孔防治一般根據瓦斯壓力選擇不同的防噴裝置即：下向鉆孔及瓦斯壓力P﹤2MPa地點，可自主采取防噴措施；瓦斯壓力2MPa≤P﹤3MPa的施工地點，采用Ⅰ代防噴裝置；瓦斯壓力P≥3MPa的施工地點，采用Ⅱ代防噴裝置。“孔突”特性決定了選擇傳統防治措施無法控制瓦斯超限等事故的發生。由被動防噴到主動控噴才有可能從根本上解決“孔突”帶來的安全問題。跟管鉆進，即采用相應裝置將護孔花管跟隨鉆頭一同鉆進至煤層段，對穿煤段煤壁進行全程護孔，從而實現控噴。“偏心跟管鉆進”法和“套管鉆進”法施工工藝介紹。

2.1 “偏心跟管鉆進”即“雙管單動”工作原理

借鑒在工程上應用較成熟的偏心跟管鉆具結構，設計一種適用回轉工藝復合片鉆頭，在穿層孔巖層段鉆進采用普通光面鉆桿配φ133mm鉆頭施工，當鉆至距煤層2m時，提鉆至孔口，更換偏心跟管鉆頭，并通過套管靴加接上套管，套管隨鉆跟進鉆進，成孔后慢速反轉，偏心鉆頭回到收斂位置，提鉆，鉆頭鉆桿從套管中間提出，將套管留在孔內護壁。

其施工步驟：

①使用Ф133mm普通鉆頭保直鉆進至距待穿煤層2m時，提鉆至孔口，卸下Ф133mm鉆頭，準備更換鉆具。

②加接順序：先放置套管再穿鉆桿，先擰鉆桿再接套管。先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管并用手扶住，從動力頭后方穿入1根Ф73mm鉆桿，并穿過套管，用卡盤夾住鉆桿；將后夾持器張開到最大，用人力將套管穿過后夾持器并用前夾持器（手動夾持器）夾住；用動力頭將鉆桿送至前端末位，并用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回，在前夾持器前鉆桿上加接Ф85/120mm偏心鉆頭和套管靴。

③加接第二根套管和鉆桿時，第二根鉆桿后接一根Ф95mm對中器，同樣也是先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管，從動力頭后方穿入鉆桿并與前一根鉆桿連接好；用卡盤夾住鉆桿，將后夾持器張開到最大，用自由鉗將兩根套管連接好，將前夾持器松開，用動力頭通過鉆桿推送第二根套管，使其末端剛好處于前、后夾持器之間，接下來用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回準備加接下一根套管。

④加接好預定長度套管后，用鉆機將整套鉆具送至孔底開始鉆進。

⑤當套管鉆頭穿過煤層后，利用套管管體上的彈片，在提鉆時反轉使其楔入煤壁將套管固定在孔底，然后提出鉆桿和偏心鉆頭。

2.2 “套管鉆進”即“雙管雙動”施工工藝

①使用Ф133mm普通鉆頭保直鉆進至距待穿煤層2m時，提鉆至孔口，卸下Ф133mm鉆頭，準備更換鉆具。

②加接順序：先放置套管再穿鉆桿，先擰鉆桿再接套管。先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管用手扶住，從動力頭后方穿入1根Ф73mm鉆桿，鉆桿前端加接Ф90mm對中器和Ф87mm鉆頭，穿過套管，用卡盤夾住鉆桿；將后夾持器張開到最大，用人力將套管穿過后夾持器并用前夾持器（手動夾持器）夾住，在前夾持器前套管上加接Ф127mm套管鉆頭；用動力頭將鉆桿送至前端末位，并用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回。

③加接第二根套管和鉆桿時，第二根鉆桿后接一根Ф90mm對中器，同樣也是先在動力頭與后夾持器之間放置1根套管，從動力頭后方穿入鉆桿并與前一根鉆桿連接好；用卡盤夾住鉆桿，將后夾持器張開到最大，用自由鉗將兩根套管連接好，將前夾持器松開，用動力頭端面將套管頂至前端末位并用前夾持器夾住，用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回準備加接下一根套管。

④在最后一根套管后端接接頭Ⅱ，第三根鉆桿前端接傳扭接頭Ⅰ。

⑤加接好預定長度套管后，用鉆機將整套鉆具送至孔底開始鉆進。

⑥當套管鉆頭穿過煤層后，利用在套管管體上的彈片，在提鉆時反轉楔入煤壁將套管固定在孔底，然后提出鉆桿和Ф87mm鉆頭。

“跟管鉆進護孔”工藝，實現了全程煤壁護孔，解決了因煤壁垮落，形成應力重新集中，造成煤體破碎，瓦斯大量解吸而引起了

“孔突”現象的發生。為強突煤層鉆孔施工提供了一個可行技術方案。

3 總結

“跟管鉆進護孔”工藝較為復雜，選擇此施工工藝應根據礦方提供的鉆孔設計，結合打鉆區域地質構造認真分析，預判受影響范圍內鉆孔，選擇性采用“防噴”加“控噴”綜合防噴措施，才能保障鉆孔施工期間瓦斯安全。