高突礦井底抽巷穿層瓦斯抽采鉆孔施工瓦斯試驗研究

杜敬彬

（焦作煤業（集團）有限責任公司瓦斯治理工程公司，河南 焦作 454000）

我國作為煤炭資源大國，但也是受到煤礦災害最為嚴重的國家之一。在礦井作業過程中，煤與瓦斯突出事故對我國的煤炭產能造成巨大影響，所以，治理瓦斯是保障礦井安全生產的重點內容。在預防措施中，較為常用的就是穿層鉆孔方式，將高密度礦井區域中的煤層瓦斯進行抽采，這種方式相比其他抽采手段具有明顯的優勢。穿層鉆孔受到地質因素、鉆進參數以及人為因素等方面的影響，導致噴孔與預期設計存在偏差，甚至可能出現鉆孔空白帶、串孔或者瓦斯抽采盲區，使得瓦斯和煤突出威脅無法消除。此外，因為鉆孔軌跡不明確，通過鉆孔的地質信息得以恢復的賦存形態以及煤層厚度等都會存有隱蔽或者誤揭的風險隱患。噴孔的存在會對瓦斯抽采工作造成較大影響，其中噴射而出的瓦斯和煤粉都極具危險性，為此，人們研發出防噴裝置來降低瓦斯和煤粉的危險性。本文針對防噴裝置開展研究工作，深入分析其研發技術路線，并在現有的基礎上提出新的技術創新點，從而提高防噴裝置的安全性能。

1 工程概況

A公司是一家專門提供瓦斯治理服務的科技公司，公司所提供治理服務的三對礦井都屬于煤與瓦斯突出礦井，在作業過程中具有較大的危險性。施工團隊在進行穿層鉆孔操作時，經常會出現噴孔現象，如果沒有完善的保護措施，人們的安全難以保障，更不要談及進行瓦斯管理工作了[1]。為了在提高安全性，A公司為施工團隊配備了防噴裝置，這是該公司所研制的第四代防噴裝置，但是在性能方式仍然差強人意，整個裝置密封效果非常差，并且不容易攜帶，根本無法滿足安全生產的作業標準，嚴重影響到穿層鉆孔工作的效率。為此，企業高層領導進行會議研究，作出研發第五代防噴裝置的決定。借此來減少噴孔現象的發生，加強對瓦斯和煤突出的管理，進而避免安全事故發生，為礦井的安全生產提供保障。企業成立防噴裝置研發小組，經過幾個月的奮戰，攻克了技術難題，最終研發出第五代防噴裝置，如圖1所示。并且經過實踐證明，該裝置能夠有效地解決噴孔現象導致的瓦斯傷人和超限問題。

圖1 第五代防噴裝置

2 防噴噴裝置研發技術路線

通過分析噴孔中大量瓦斯噴射的現象，結合實際情況，研發可以在短時間內對所噴出瓦斯進行控制和收集的防噴裝置。借鑒以往的經驗，企業所成立的防噴裝置研發小組對第四代防噴裝置進行分析研究，了解其存在的缺陷。考察小組到施工現場進行觀測分析，結合相關的理論研究，在第四代防噴裝置的基礎上對防噴裝置的孔口封存方式、裝置后端和鉆桿之間縫隙處的密封方式等進行完善優化。本次研究的重點內容放在使用輕便、安裝簡單和固定牢固三個方面，并且能夠快速的對噴孔中涌出的瓦斯進行收集防范。最后，對研發完成的裝置進行現場試驗和理論研究，做好記錄工作，為日后的進一步優化工作提供重要依據。

3 關鍵技術創新點

3.1 增加防噴裝置尺寸，提升排渣性能和緩沖容積

防噴裝置內部的存儲空間直接影響到噴出瓦斯積聚后所形成的的外溢壓力的大小。研發小組為降低噴孔后瓦斯的涌出量，將擴大緩沖容積作為出發點，并對防噴裝置的整體尺寸進行相應調節[2]。首先將裝置的腔體轉為方形結構，尺寸規格為243mm×243mm×200mm，使得腔體內部容積增大。其次，增加裝置上端連抽口的尺寸大小，將第四代的2寸變為3寸，增加一倍，從而提升連抽流量。最后，對裝置下端的排渣口進行優化，擴大口徑尺寸，從4寸變為6寸。相比4寸管，6寸管在排渣方面有著明顯的優勢，這樣也會大大降低堵塞的幾率。得到改進優化后的防噴裝置相比原裝置，不斷是在緩沖瓦斯容積方面，還是瓦斯溢出壓力和擴散量方面都有著明顯的效果，使得瓦斯超限風險得到降低，礦井的生產安全得到保障。

3.2 優化孔內管密封方式，提高便攜度和密封性

出現噴孔現象，孔內噴涌出大量的瓦斯和煤粉，噴孔的密封程度直接決定了出現瓦斯超限的可能性。科研小組經過大量的數據分析和試驗模擬，科研人員采取膠圈膨脹變形的方式，將孔內管固定好，并且要保證孔口的密封性，這樣也會完美解決防噴裝置固定不牢固問題。防噴裝置前端孔內管可以選用4寸管，在孔內管的前端安置擋環，在其后側安置壓緊轉盤，之后啟動裝置，旋轉上方把手，促使孔內管外的膠圈受力發生變形，迫使孔內管牢牢固定在孔中。防噴裝置安裝在孔內的孔內管和主腔體可以利用快速接頭實現固定，并且操作簡單，容易攜帶。

3.3 優化防噴裝置后端密封方式，防止漏氣

鉆孔內瓦斯和煤粉噴射的主要通道就是防噴裝置后端和鉆桿之間的縫隙，有效解決二者之間縫隙的密封問題，就是避免噴孔噴射瓦斯超出極限的關鍵點。經過大量的數據分析和實踐研究，應用多層密封墊所加工而成的防噴裝置后端密封件，在減少穿層鉆孔工作過程中噴孔瓦斯和煤粉外溢方面有著非常良好的效果。科研小組所研發的第五代防噴裝置相比上一代有著明顯的優勢，其后端密封件的主要組成包括：一層高分子耐磨圈、兩層硅膠圈和兩層尼龍毛刷。通過對該裝置的實踐應用，能夠看出第五代防噴裝置不管是在減少漏氣方面，還是預防煤分噴出方面都有著顯著的效果，并且新型裝置的耐磨性和可靠性顯著提高。圖2和圖3，為第五代防噴裝置的裝配組件[3]。

圖2 第五代防噴裝置前端密封組件

圖3 第五代防噴裝置主腔體以及后端密封組件

圖2中：1號為壓緊轉盤；2號為支撐套管；3號為膠圈；4號為擋環。圖3中：1號為排渣口；2號為尼龍毛刷；3號為硅膠圈；4號為主腔體；5號為高分子耐磨圈；6號為連抽口；7號為密封墊圈；8號為壓盤。

4 應用效果

第五代防噴裝置研發成功后，需要對其功能效果進行測試，所以選擇J礦東二中間底抽巷作為試驗地點。該區域目前是J礦井全部鉆孔地點中煤層壓力和含量最大的區域，選擇該地區作為試驗地點，能夠讓測試效果更為明顯，最大程度的體現出成果價值。第一點，應用效果。該裝置自研發以來，通過多次應用能夠發現目前瓦斯超限的發生頻率越來越低，下降低達到91%，為礦井的安全生產提供有力保障。第二點，經濟效益。相比第四代防噴裝置，在生產成本上也取得較大優勢。第五代生產成本為每套3000元，而第四代防噴裝置生產成本為每套20000元，相比之下，每一套裝置節約了1.7萬元。A企業現有鉆機數量50臺，可以為企業節約生產成本85萬元。

5 結語

為保障礦井生產安全，降低噴孔瓦斯超限的次數，在第四代的防噴裝置基礎上研發出第五代防噴裝置。實踐證明，該裝置不但操作簡單、容易攜帶，而且生產成本非常低，投入使用后，所取得的效果也是非常顯著，為實現企業可持續發展提供有力保障。第五代防噴裝置投入到高突礦井底抽巷穿層瓦斯抽采鉆孔施工中，不但可以為鉆孔環境提供安全保障，還可以提升作業效率，加速瓦斯的治理速度，為保障礦井安全生產奠定基礎，而且該裝置具有非常良好的經濟效益和社會效益。