防噴孔預控系統在孟津煤礦的應用

張保法　劉中一

(河南能源化工集團孟津煤礦)

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防噴孔預控系統在孟津煤礦的應用

張保法劉中一

(河南能源化工集團孟津煤礦)

摘要針對孟津煤礦松軟突出煤層水力沖孔大型噴孔易導致瓦斯超限、嚴重制約消突進度等問題，結合原防噴裝置的應用實踐，對防噴腔體、煤水分離器進行了優化改進，加強管理和考核，形成了防噴孔預控系統?，F場實踐表明：防噴孔預控系統的應用杜絕了水力沖孔噴孔導致的回風流瓦斯超限問題，提高了工作效率，可供類似礦區參考。

關鍵詞松軟突出煤層瓦斯超限防噴裝置防噴腔體煤水分離器防噴預控系統

噴孔是一種小型井噴，可看作是鉆孔中的動力現象，是高壓瓦斯、集中應力、煤質較軟等因素共同作用的結果，噴孔的時間有數分鐘至數十分鐘不等[1-3]。近年來，大量學者對水力沖孔噴孔問題進行了深入研究，黃旭超等[4]分析了噴孔機理，提出了發生噴孔的3個力學條件；姚倩等[5]根據煤層打鉆的實測數據對理論模型進行驗證，運用數學方法推導出了鉆孔噴孔過程中煤體噴出速度和噴出量的解析解，認為鉆孔須安裝防止瓦斯大量泄出的防噴裝置，實現“邊鉆邊抽”[6-7]。此外，車集煤礦自主研發了礦用新型多功能鉆孔防噴-降塵裝置[8]；梁北煤礦防噴裝置結構采用“孔口三通+鋁合金彈簧管+大容積防噴箱”，增大了現場的安全作業系數[9-10]。但目前使用的防噴裝置在應對大型噴孔時存在諸多不足，對此，王康健等[11]認為需研究使用一種固定于鉆機前夾持器上的裝置代替現有的安裝方式。隨著礦井開采深度的不斷增加，特別是采深較大的突出礦井在水力沖孔作業過程中噴孔嚴重。

在水力沖孔已成為松軟低透煤層常規卸壓增透措施的情況下，一方面需使用性能更加可靠的防噴裝置，另一方面應加強管理工作。為應對大型噴孔現象、有效防控瓦斯超限，經反復試驗，對孟津煤礦原防噴裝置進行了優化，通過新增氣水轉換器、瓦斯收集裝置，使各裝置獨立運行，自成一體，通過管路的連接使各裝置形成了1個整體。此外，在合理調配各施工地點水力沖孔作業、優化抽采管網配置、提升防噴裝置抽采能力、加強職工培訓和考核等方面加強管理工作，構建了1套完善的打鉆防噴孔預控系統。本研究對該系統進行詳細分析，并對其應用成果進行探討。

1對水力沖孔防控噴孔的認識

(1)水力沖孔噴孔常見于穿層鉆孔初見煤體或進入軟煤發育區時，鉆孔塌孔積渣堵塞鉆孔時，高壓水體快速剝離煤體大量瓦斯瞬間解吸時。

(2)噴孔時瓦斯常見的溢出點為防噴裝置套管與孔壁結合處、防噴裝置耐磨套與鉆桿結合處、防噴裝置與煤水分離器連接處的薄弱環節、煤水分離器清煤口等。

(3)打鉆水平與發生噴孔瓦斯超限有密切關系，但僅靠提高人員技術水平無法有效防控噴孔瓦斯超限，提高裝備技術水平才是關鍵。

(4)遇小型噴孔時依靠防噴裝置可避免瓦斯超限，但遇大型噴孔時僅依靠防噴裝置難以有效防控瓦斯超限。

(5)防控噴孔所導致的瓦斯超限是個系統工程，除堅持使用防噴孔裝置、預留緩沖空間、加大二次收集力度外，還需在抽采能力配備、通風、人員培訓和考核等方面加強管理。

2防噴裝置優化

2.1防噴腔體

防噴腔體由1個圓柱形空腔和4個外露的管口組成，4個管口分別為前部的6寸套管口(通過法蘭與6寸套管連接，用于密封鉆孔孔口瓦斯溢出點)、上部的抽放管口(通過4寸彈簧管與抽采管路相連接，可持續抽采防噴腔體內瓦斯)、下部的6寸出煤口(通過法蘭、6寸彈簧軟管與煤水分離器連接，將煤水及瓦斯引入煤水分離器中)、后部的內置式耐磨膠套管口(耐磨套送入厚皮鐵管內，用于密封防噴腔體與鉆桿結合處的瓦斯溢出點)，見圖1。新式防噴腔體上焊接了帶絲扣的法蘭，通過2根絲桿(可使用礦用錨桿加桿制作)，使整個防噴腔體與鉆機動力頭連接成一體，大大提高了防噴腔體的安裝牢固性。

圖1　防噴腔體設計

2.2煤水分離器

新型煤水分離器是1個頂部帶有3個突出的管口和側面設有密封門的箱體結構，3個管口分別通過彈簧軟管與6寸防噴腔體的出煤口、瓦斯收集裝置、抽采管路相連接，可收集從防噴腔體內泄落的煤水混合物，對噴孔高壓作用力的形成進行二次緩釋。優化后的煤水分離器將雙體箱改為單體箱，減小了體積、重量，更方便移動；密封門開啟改為曲軸壓桿式，使密封效果更好；增加了箱底夾角(由10°增大為20°)，便于清理淤煤；去除了煤水分離器上部管口中的濾網，提高了管路暢通性能；煤水分離器與防噴腔體連接由以往的鐵絲捆扎改為法蘭螺栓連接，提高了連接可靠性，見圖2。

圖2　新型煤水分離器模型

2.3氣水轉換器及瓦斯收集器

除優化防噴腔體、煤水分離器以外，新型防噴裝置還增加了氣水轉換器、瓦斯收集器，通過抽放管路將該類裝置結合為1個整體，對于防止大型噴孔造成的瓦斯超限效果較好。

(1)氣水轉換器。采用閥門、三通組合的方式在鉆桿尾部實現氣、水、抽放負壓之間的互相切換。在正常施工中，負壓閥門關閉，水閥門打開，當瓦斯濃度較大時，停鉆將水閥門關閉，負壓閥門打開，在發生堵孔、憋孔的情況下，達到通過鉆桿抽采鉆孔內瓦斯的目的。

(2)瓦斯收集器。為防止大型噴孔，裝配了瓦斯收集器，該裝置由帆布套筒與4寸抽放管組成，4寸抽放管管體斷開使用鋼筋套環進行支撐連接后置于帆布套筒內，帆布套筒在管路兩端扎緊，4寸抽放管一端與煤水分離器連接，另一端與抽放管路連接。在施工時，該裝置處于預備狀態，當發生大型噴孔煤水分離器超負荷作業時，打開收集器閥門，收集器在沖擊力的作用下張開，可緩沖噴孔造成的壓力，同時阻止瓦斯逸散至巷道中。

3加強管理工作

(1)抽采管網和通風能力配置。發生大型噴孔在極短時間內會涌出大量瓦斯，孟津煤礦最大一次噴孔發生在西三車場施工揭煤防突鉆孔時，噴出的瓦斯量約2 500 m3。將噴孔時涌出的大量瓦斯盡快抽入管網系統，對防控瓦斯超限至關重要。孟津煤礦每條底抽巷內鋪設有2條φ300 mm抽放管路，實現了分源抽采：一條管路用地面泵抽永久鉆孔，另一條管路利用井下泵專門抽防噴裝置內瓦斯，有效保障了水力沖孔時防噴裝置的抽采能力。另外，水力沖孔作業地點的風量配備是否合理對噴孔后回風流瓦斯超限也有重要影響。孟津煤礦各底抽巷均采用全負壓通風方式，風量不少于800 m3/min。若出現風量不足時，立即停鉆，查明原因進行處理，待供風正常后方可開鉆。

(2)加強監測監控。在水力沖孔施工地點為每2部鉆機安裝1臺瓦斯傳感器，該類傳感器具有超限聲光報警功能，安裝位置位于施工地點回風側距孔口10～20 m處。另外，在各鉆機作業地點回風側3～5 m處與鉆孔同高度懸掛便攜式瓦斯報警儀或多功能綜合報警儀，實時監測打鉆地點風流中的瓦斯濃度。穿層及沖孔過程中，密切觀察便攜瓦斯濃度，便攜濃度達到0.4%時，應重點關注，減緩鉆進速度，同時降低沖孔水壓；便攜濃度達到0.6%時，停止鉆進，抽采孔內瓦斯，待濃度降至0.4%以下時方可恢復施工。在水力沖孔作業地點附近20 m范圍內安裝1部直通調度室的電話，并確保通暢，發生緊急情況時，應立即向調度室匯報。

(3)提高職工業務素質并加強考核。選擇業務水平高、責任心強并經過專門培訓的職工進行水力沖孔作業。所有水力沖孔地點施工前均應編制安全技術措施，將防控噴孔列為應知應會的內容。另外，加強考核工作，將噴孔及瓦斯超限的發生情況與職工績效考核掛鉤。

4現場試驗

新安煤田孟津煤礦軟煤層普遍發育、瓦斯含量高、煤層透氣性系數小，屬嚴重煤與瓦斯突出礦井。主采二1煤層煤體破壞類型為Ⅲ～Ⅴ級，煤體堅固性系數0.12～0.46，瓦斯放散初速度10.5～24.0 mL/s，經實測，瓦斯含量7.97～16.37 m3/t，測得最大瓦斯壓力3.1 MPa。打鉆防噴孔預控系統試驗選在12031工作面底抽巷進行，該工作面為傾斜長壁采煤工作面，工作面軌道、膠帶順槽沿二1煤層頂板掘進，走向長120 m，傾斜長1 010 m。12031工作面構造相對復雜，褶皺發育，受褶皺控制，煤層產狀及厚度變化較大。12031工作面2條底抽巷設計長度均為980 m，位于二1煤層底板以下8～12 m的層位，底抽巷已經貫通并實現全負壓通風，風量1 075 m3/min。

在未應用打鉆防噴孔預控系統前，孟津煤礦12031工作面底抽巷完成14個鉆孔的水力沖孔作業，傳感器累計報警多達9次，其中有6個鉆孔在作業時局部瓦斯濃度超過了0.5%[12]。2014年6—8月，12031工作面底抽巷水力沖孔作業期間發生了2次大型噴孔，導致作業地點回風流瓦斯濃度出現高值，給礦井的正常生產和防突工作進度帶來了較大影響。從2014年9月開始應用打鉆防噴孔預控系統，至2015年3月12日，孟津煤礦12031工作面底抽巷水力沖孔地點雖有所增多，但未發生1次傳感器報警。在此期間發生了多次大型噴孔，新型防噴裝置均能及時將瓦斯抽采至抽放管路內，杜絕了回風流瓦斯超限現象的出現。

5結語

孟津煤礦打鉆防噴孔預控系統優化了防噴腔體和煤水分離器，并與氣水轉換器、瓦斯收集器配合使用，輔以嚴格的日常管理工作，杜絕了水力沖孔噴孔導致的回風流瓦斯超限現象，解決了局部瓦斯積聚問題，提升了工作效率，對于條件相似的煤與瓦斯突出礦井有一定的參考價值。

參考文獻

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Application of Anti-spray Pre-control System in Mengjing Coal Mine

Zhang BaofaLiu Zhongyi

(Mengjin Coal Mine, Henan Energy and Chemical Group)

AbstractAt present,the problems of large-scale spray easily lead to gas gauge, seriously restricting the progress of eliminating outburst are existed in Mengjin coal mine while hydraulic punching in soft outburst coal seam.Based on the above problems,combined with the application results of the original anti-spray equipment,the anti-spray cavity and coal-water separator are optimized and improved,besides that, the management and assessment are strengthened,therefore,the anti-spray pre-control system is established.The practice results show that the problem of return air gas overrun caused by hydraulic punching spray is eliminated by the application of the anti-spray pre-control system,the working efficiency is improved,it can provide reference for the similar mining area.

KeywordsSoft outburst coal seam, Gas overrun, Anti-spray equipment,Anti-spray cavity, Coal-water separator, Anti-spray pre-control system

(收稿日期2015-09-30)

張保法(1964—)，男，副總工程師，高級工程師，471142 河南省洛陽市孟津縣橫水鎮元莊村。