突出煤層鉆孔施工防瓦斯超限技術及裝備

郝 殿，李學臣，魏培瑾

（焦作煤業集團有限責任公司 科學技術研究所，河南 焦作454002）

焦作礦區主采的二1 煤層構造煤發育、瓦斯壓力大、含量高，在進行抽采鉆孔施工或實施水力沖孔措施時，強烈的噴孔常常會引起瓦斯超限，給礦井安全生產帶來巨大隱患，嚴重制約了礦井安全高效生產。近年來，焦煤公司研制了多種防噴裝置，但仍存在防噴效果差、裝置笨重、耐用性差等問題，在水力沖孔已成為低透煤層常規卸壓增透主要措施的情況下，特別是對瓦斯超限“零容忍”的大環境下，開展突出煤層鉆孔施工防超限技術及裝備研究對焦作礦區乃至全國突出礦井都具有重要的意義[1]。

1 鉆孔施工作業現場瓦斯超限因素

引起抽采巷道瓦斯超限主要源于從鉆孔內瞬間、急劇涌出的瓦斯，雖然采取了措施加強孔口防噴、強抽，但由于常規的防噴裝置和系統存在多處容易漏氣、釋放瓦斯的部位，因此防超限效果并不理想[2]。分析打鉆及水力沖孔期間，造成現場超限的原因及瓦斯易涌出點主要有以下方面：①防噴裝置下套管后套管與孔壁密封不嚴，在瓦斯大量涌出的情況下，一部分瓦斯從間隙中涌出；②鉆桿與防噴裝置之間的密封不嚴，是瓦斯涌出的又一通道,常規的防噴裝置鉆桿密封往往采取皮墊、聚氨酯等材料，在鉆桿鉆動摩擦情況下易變形，造成間隙不斷擴大；③煤水分離裝置排水碴出口處，是瓦斯涌出的通道，在控制不及時的情況下，會有大量的瓦斯涌出；④拆卸鉆桿時，需卸掉水尾，此時鉆桿通道與鉆孔聯通，成為瓦斯涌出的通道[3]。鉆孔瓦斯易涌出點如圖1。

圖1 鉆孔瓦斯易涌出點Fig.1 Gas emission points of borehole

2 鉆孔施工及防超限裝備

鉆孔施工及防超限裝備的設計主要按照有效密封、可靠抽采、煤水分離的原則設計，并逐步實現輕便靈活、堅固耐磨的目標。按照以上原則，主要應解決孔口-防噴裝置、鉆桿-防噴裝置、煤水分離箱處及鉆桿水尾等關鍵部位的密封問題，并通過分源抽采實現抽采能力的合理匹配[4]。

根據鉆孔施工作業現場瓦斯超限因素及設計整體原則，防超限裝備整體設計方案如圖2。

鉆孔施工防超限裝備整體設計方案為：孔口擠壓膨脹密封裝置通過轉動旋轉手柄擠壓高分子膨脹膠圈確保孔內密封，消除孔口瓦斯漏氣源；腔體后端采用可更換的環形毛刷密封件，實現與鉆桿間的緊密結合，鉆孔內的煤屑與毛刷形成一體，提高密封性[5]；煤水自動排放密封裝置采用旋轉排渣系統，在保證煤水氣分離密閉效果的基礎上，實現連續自動將煤屑、水等排到外部巷道內[6]；防瓦斯涌出鉆桿短節利用靜壓或高壓水推動腔體內的密封球，關閉靜壓水后，密封球自動沿裝置內部導向槽歸位，形成斷水自動密封的效果，可有效防止水尾拆卸后鉆桿內瓦斯涌出[7]；瓦斯緩沖裝置可以根據打鉆期間鉆孔內涌出的瓦斯量伸縮，在打鉆期間一旦孔內大量噴出瓦斯，該裝置通過體積變化起到暫時緩沖作用，有效降低防噴裝置腔體內瓦斯壓力[8]。

圖2 防超限裝備整體設計方案Fig.2 Overall design scheme of anti overrun equipmentt

1）孔口防噴裝置。孔口防噴裝置如圖3。針對鉆孔孔口容易超限的問題，防噴裝置主要解決套管與孔壁密封問題、鉆桿旋轉部位密封問題。設計采用擠壓膨脹式孔口密封和環形毛刷密封件后端密封，解決孔口防噴問題。鉆孔施工前，將孔口擠壓膨脹密封裝置送入預先開孔的鉆孔內，轉動旋轉手柄向前推動推進缸，使推進缸抵接、擠壓高分子膨脹膠圈，使其膨脹并與孔壁緊密接觸，有效防止了孔口漏氣現象。在防噴裝置的后端，設計采用環形毛刷密封件，在后端腔體內放置2～3 道毛刷，在毛刷兩側加裝膠皮墊，可有效支撐毛刷，防止其向兩側空間變形，同時可進一步起到密封的作用。在鉆桿旋轉時，毛刷可以有效緊密貼合鉆桿，毛刷式密封可以適用于不同的鉆桿，且鉆頭易通過，方便了鉆桿、鉆頭的拆卸；打鉆及沖孔時的煤碴，進一步起到了封堵密封效果。同時，對裝置尺寸、材質進行了優化設計，將材質改由玻璃纖維材質，在玻璃纖維中加入阻燃、防靜電材料，防噴裝置總質量由原來的29 kg 降低至18 kg，達到了輕便耐用的目標。

2）煤（水）氣分離裝置。該裝置內部由刮板、柔性密封膠皮將旋轉腔體等分成3 個相對獨立的空間，煤（水）氣進入箱體后，瓦斯被負壓管路抽走，煤水靠自重進入下部旋轉排渣系統內，推動葉片緩慢轉動，在轉動過程中始終保證有至少1 塊刮板將上部入口與下部出口之間腔體隔開，以保持煤（水）氣分離裝置始終處于密閉狀態。旋轉排渣系統在保證煤煤（水）氣裝置密閉效果的基礎上，實現連續自動排渣，同時可配合振篩機、帶式輸送機完成沖孔煤渣清、裝、運自動化操作[9]。

圖3 孔口防噴裝置Fig.3 Orifice blowout preventer

3）防瓦斯涌出鉆桿短節。利用回壓凡爾的原理研制了鉆孔施工鉆桿內防噴短節。其主要由短節前端、短節后端、逆止閥芯3 部分組成，其中逆止閥芯內安設可前后運動的密封滾球，能夠完全密封逆止閥芯前端或后端通道。當鉆孔鉆進或水力沖孔正常施工期間，靜/高壓水（壓風）推動密封滾球密閉前端通道，水流（壓風）通過過水（氣）孔到達鉆頭位置，保證水流（壓風）正常供給；當鉆孔內發生瓦斯突然噴出等異常現象期間，密封滾球密閉后端通道，使該裝置的逆止閥芯處于密閉狀態，達到自動密封鉆桿內部通道，防止瓦斯氣體由鉆桿內部涌出的目的。

4）瓦斯緩沖裝置。利用風琴布加工儲氣囊袋，在噴孔嚴重時，瓦斯進入囊袋內，并根據涌出的瓦斯量伸縮不同體積，起到了暫時儲存瓦斯的作用，有效降低防噴裝置腔體內瓦斯壓力，抑制瓦斯向巷道空間涌出，降低了巷道瓦斯濃度。

5）抽采流量自動控制裝置。鉆孔施工、沖孔增透期間瓦斯噴孔強度、噴孔時機、瓦斯壓力、瓦斯濃度、瓦斯涌出量、持續時間等均不可控，僅能通過高負壓連續抽采才能保證對孔口噴出瓦斯的有效控制，一定程度上導致抽采系統長時間占用，造成抽采能力浪費。若同一巷道內多臺鉆機同時作業時，抽采管路沿程負壓急劇下降、抽采流量大幅降低，對涌出瓦斯的控制效果無法滿足應用要求。同時，鉆孔噴孔高濃度瓦斯直接排空，瓦斯資源未充分利用，且可能引起回風系統短時瓦斯超限，存在一定安全隱患。抽采流量自動控制裝置[10]流量控制原理為：當瓦斯濃度大于15%時，傳感器釋放濃度信號給控制箱內的本安型電磁閥，驅動三通氣動閥門轉換至主抽采管路，實現高濃度瓦斯高負壓、大流量抽采利用，有效控制瓦斯噴孔；當瓦斯濃度小于15%時，三通氣動閥門則轉換至臨時抽采管路，利用低負壓、小流量抽采孔口涌出瓦斯，減少管路負壓損失。同時通過水位計可觀察箱體內水位情況，若水位將滿時，按下控制箱側面的放水開關驅動排水渣口處的氣動閥門完全打開排水渣口進行排水、排渣。

3 鉆孔防噴裝置現場應用及防超限效果

為考察鉆孔施工防超限裝備效果，在多個鉆孔施工地點進行了工業性試驗，根據現場考察情況來看，防噴裝置前端實現了可靠密封，后端毛刷密封總體效果良好，發生較強烈噴孔時瓦斯緩沖裝置可以迅速張開，有效降低了瓦斯噴孔造成的瓦斯涌出量，防瓦斯涌出鉆桿短節實現了拆卸鉆桿時瓦斯涌出的問題，抽采流量自動控制裝置實現了抽采管網抽采能力的合理匹配，提高了瓦斯利用量。

對九里山礦16131 回風底抽巷使用新型防超限裝備之前和使用后T2傳感器每天的瓦斯平均濃度進行了統計（分別統計30 d），可以看出，使用新型防超限裝備之后，鉆孔施工巷道回風流瓦斯濃度明顯減小，鉆孔施工作業基本杜絕了瓦斯超限。

為進一步統計分析施工期間鉆孔瓦斯涌出規律，在防噴裝置抽氣口及排渣口側安裝了管道綜合參數在線監測裝置，并收集監測數據進行分析。在統計的時間段內，至少發生了10 余次相對較大程度的噴孔，即抽氣口側及排渣管側出現瓦斯較高濃度的時間段。期間防噴裝置口側的瓦斯流量均達到了10 m3/min 左右，正是較好地使用了防噴裝置，及時從防噴裝置口側將瓦斯抽走，消除了噴孔后巷道內瓦斯超限的可能。

4 結 語

針對穿層鉆孔施工（沖孔）期間噴孔傷人、瓦斯超限導致鉆機不能連續運轉，打鉆效率低、沖孔間斷等難題，分析確定了水力沖孔作業期間容易引起作業空間瓦斯超限的因素，研制了鉆孔施工防超限系列化裝備；鉆孔施工防超限裝備包含了孔口防噴裝置、煤（水）氣分離裝置、防瓦斯涌出鉆桿短節、瓦斯緩沖裝置、抽采流量自動控制等一系列裝置，經現場使用，鉆孔施工巷道回風流瓦斯濃度明顯減小，鉆孔施工作業基本杜絕了瓦斯超限，起到了有效的防噴孔、防傷人、防瓦斯超限及提高瓦斯利用率的作用。