高水壓探查鉆具卡緊、防噴裝置研制及技術應用

蔡東紅 童世杰 張 雷 章修玉 蔡 君

(恒源煤電股份有限公司任樓煤礦,安徽 宿州 235123)

1 引言

任樓礦Ⅱ51軌道大巷位于-720水平，2010年6月9日施工至G33→31.5 m出水，水量達16m3/h，經(jīng)初步注漿封堵后，水量穩(wěn)定在9m3/h。根據(jù)恒源煤電安〔2011〕1號文及2011年5月20號專家組《任樓煤礦Ⅱ51軌道大巷疑似陷落柱探查成果分析及Ⅱ51軌道大巷施工方案論證意見》，通過水質(zhì)、水溫分析Ⅱ51軌道大巷出水源有來自深部灰?guī)r水的參與。為確保Ⅱ51軌道大巷安全貫通及進一步探明了Ⅱ51軌道大巷出水通導位置，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的有關規(guī)定，需要利用鉆探手段，對Ⅱ51軌道大巷施工地段的地質(zhì)構(gòu)造進行更詳細的探查，以便取得更可靠的地質(zhì)資料，來指導Ⅱ51軌道大巷施工，保證礦井的安全生產(chǎn)。在探查施工中，有效預防鉆孔在高水壓時孔口防噴、反壓及鉆具卡緊問題，以提高探放水技術、保證探放水設施的安全可靠，則是井下鉆探施工的一個關鍵技術。

2 探放水施工工藝：

針對以前集團公司各對礦井井下施工探放水鉆孔時，采用先開鉆孔、下套管護壁，再在套管外安裝高壓閘閥的方法鉆進，孔口防噴裝置簡單、防噴效果差；高水壓鉆孔鉆透后，從孔壁往外噴水、頂鉆，極易造成鉆具傷人，且孔口無鉆具卡緊裝置，無法將鉆具退出或退鉆具過程中無法控制水量，從而對鉆場施工人員生命造成嚴重威脅；高水壓鉆孔鉆透后，單孔涌水量瞬間增大，從而導致對出水鉆孔不能及時封堵，涌水量無法控制，易造成巷道水封，施工中對礦井安全生產(chǎn)存在重大安全隱患；在探查施工中，有效預防鉆孔在高水壓時的孔口防噴、反壓及鉆具卡緊問題，則是井下鉆探施工的一個關鍵技術。為確保Ⅱ51軌道大巷順利貫通，研制一套高水壓探查鉆具卡緊裝置迫在眉睫。顯然也為現(xiàn)場施工人員提供一個安全的作業(yè)環(huán)境，提高探放水技術、保證探放水設施的安全可靠，則是此次鉆探施工的關鍵問題。

3 具體應用

3.1 結(jié)構(gòu)組成

該裝置由三部分組成，下部分為卸壓三通，中間部是卡緊裝置，上部為出物料、防噴三通。三部分可組合在一起配合高壓閘閥使用，也可以下、中兩部分組合配合高壓閘閥使用。（如圖所示）

3.2 該裝置的工作原理

當鉆孔涌水量低于10m3/h時，可高壓閘閥利用下部卸壓三通對孔內(nèi)水量進行分流，以減少孔口壓力；當鉆孔涌水量大于20m3/h時，通過4顆頂絲頂動卡瓦座帶動卡緊裝置內(nèi)設置的4片卡瓦移動，從而對孔內(nèi)鉆桿進行抱緊，將孔內(nèi)鉆具與鉆機鉆具分開，以便及時對孔內(nèi)注漿封堵。

3.3 卡緊、防噴裝置的應用

當鉆孔內(nèi)水壓大時，鉆孔鉆透后，出水量過大，從孔內(nèi)往外噴水，無法將鉆桿退出或退鉆桿過程中無法控制水量，從而不能及時對鉆孔進行封堵，造成巷道水封。針對這一問題，本著“安全、經(jīng)濟、適用”的設計理念，利用現(xiàn)有設備和材料，自行研制加工井下高水壓鉆具卡緊裝置，通過在Ⅱ51軌道大巷使用取得成功。

⑴采用三級結(jié)構(gòu)，二路套管。開孔一級孔徑φ159mm巖心鉆頭按設計方位、角度開孔，鉆進至破碎帶后（15mm左右），注漿固管并封孔。

⑵二級孔徑φ127mm鉆進5煤組后下入下套管護住5煤組（50mm左右），注漿固管并封孔。

⑶掃孔后在套管外安裝孔口盤，將卸壓三通接在孔口盤上，再在孔口盤外接卡緊裝置，然后卡緊裝置外接高壓閘閥，最后在高壓閘閥接防噴裝置，鉆進時，鉆孔內(nèi)巖粉與水從出物料、防噴裝置排出。

⑷將帶有φ75mm鉆頭的鉆桿在安裝此套裝置前提前穿入并用卡緊裝置卡住，在與機上鉆桿相連。

4 效果應用

圖1.鉆桿卡緊、防噴裝置示意圖

⑴安全性能大大提高。通過使用該套裝置對鉆具卡緊，能對孔內(nèi)鉆具進行夾緊，并能及時對孔口卸壓、防噴及對鉆孔及時進行封堵注漿，增大了現(xiàn)場施工人員的安全系數(shù)，同時解決了出水時帶給礦井安全生產(chǎn)的威脅，為建設高效、高產(chǎn)礦井提供條件，而且能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益；⑵提高了探放水技術，保證探放水設施的安全可靠。當高水壓時，打開下部卸壓閘閥，使鉆孔內(nèi)涌出的高水壓壓力釋放，同時對鉆具卡緊裝置緊固，解決面對孔內(nèi)高水壓問題。Ⅱ51軌道大巷鉆探終孔地點處灰?guī)r水的水頭壓力為7.9MPa，根據(jù)地質(zhì)防治水規(guī)定，耐壓試驗必須達到靜水壓力的1.5倍：即12MPa。通過注漿泵對卡緊裝置進行耐壓試驗，壓力可達15 MPa。⑶在實際施工中，補4-3?？自谑┕ぶ?4米出水3m3/h，水頭壓力2.8Mpa。施工至44米時出水約4m3/h,施工至45米時約5m3/h，當施工至46m時，孔內(nèi)涌水量達到30m3/h。此時，利用孔口鉆具卡緊裝置，及時用四顆頂絲將孔內(nèi)鉆具卡緊，順利將機上鉆具與孔內(nèi)鉆具分開，及時關閉高壓閘閥，從而第一時間對鉆孔注漿封孔，有效的防范因孔底壓力增加導致孔內(nèi)鉆桿穿鉆傷人事故，解決了人員操作難問題；同時也最大限度地減少孔內(nèi)地涌水量。根據(jù)鉆探注漿操作規(guī)程單孔出水量估算公式可知補4-3?？壮鏊考s3370m3/h,利用鉆具留置孔內(nèi)時單孔出水量約333m3/h,而補4-3＃孔在鉆具留置鉆孔內(nèi)的實際涌水量30m3/h,由此可知，當鉆孔內(nèi)沒有鉆桿時，孔內(nèi)涌水量可達303 m3/h,最大限度地減少孔內(nèi)涌水孔量，確保下面裂隙不至于擴大，杜絕了裂隙導通陷落柱。因此中間部及時卡緊，可使孔內(nèi)出水量降低90%。利用此套裝置施工達到很好地探查效果。

5 結(jié)論

⑴體積小，經(jīng)濟實用，易于井下安裝，具有投資少使用率高、利用價值高的特點，對于井下鉆孔施工極具推廣應用價值。

⑵有效避免了高水壓時帶來的不安全因素，保證了現(xiàn)場施工人員的施工安全，提高探放水安全技術，減少了礦井財產(chǎn)損失，為礦井探放水作出了貢獻。

⑶最大限度地減少孔內(nèi)涌水孔量，可使孔內(nèi)出水量降低90%。

[1]Li Dezhong. Mao Chuangsen, Zhu Yuezhang,Causesofwater inrush six and Integrated Contyo[J].Energy Technology and Management,2007,(6):P72-73

[2]李德忠.毛傳森，朱樂章，六煤底板突水成因及綜合防治技術 【J】, 能源技術與管理，2007，（6），P72-73