突出煤層鉆孔施工防噴裝置的研制與應(yīng)用

摘要：瓦斯噴孔是高瓦斯突出礦井普遍存在的一種瓦斯事故。為了解決突出煤層因瓦斯壓力大、含量高在鉆孔施工時容易發(fā)生噴孔造成瓦斯超限甚至發(fā)生噴孔傷人事故，設(shè)計了一種鉆孔施工防噴裝置。該裝置包括固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置、儲煤裝置四部分組成。鉆孔內(nèi)出來的高濃度瓦斯、水和渣進(jìn)入氣水分離裝置，經(jīng)氣水分離裝置的分離，高濃度瓦斯進(jìn)入抽采管路，水和渣經(jīng)氣水分離裝置的排水除渣口排出進(jìn)入儲煤裝置，在儲煤裝置內(nèi)，殘余瓦斯再次被抽走，水和煤被排出，實現(xiàn)氣、水、渣的有效分離。在陶二煤礦2217下底板巖巷采用該裝置后，鉆孔施工過程中基本實現(xiàn)了瓦斯零超限，保證了安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：防噴裝置 瓦斯噴孔 突出煤層 鉆孔施工

煤礦瓦斯事故是高瓦斯突出礦井普遍存在的一種災(zāi)害。目前，瓦斯治理的主要措施是施工鉆孔抽采煤層瓦斯。但是，在瓦斯抽采鉆孔施工過程中，由于地應(yīng)力高、瓦斯壓力大、煤質(zhì)松軟，極易發(fā)生鉆孔突出事故。鉆孔突出可分為2種類型，一是由于打鉆而誘發(fā)了工作面煤與瓦斯突出，二是鉆孔基本保持完好的鉆孔噴孔[1]。資料顯示，90%以上的鉆孔突出屬于鉆孔噴孔[2-4]。鉆孔噴孔現(xiàn)象一般持續(xù)時間較長，鉆孔施工過程中，往往會發(fā)生多次噴孔，使作業(yè)地點瓦斯超限，影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重時可能會危及現(xiàn)場施工人員的人身安全。對于鉆孔噴孔目前尚沒有一種有效的預(yù)防方法，只能在孔口安裝防噴裝置進(jìn)行控制鉆孔噴孔造成的危害。

因此，研制突出煤層鉆孔施工防噴裝置對于礦井鉆孔安全施工、提高鉆孔施工速度、保證安全生產(chǎn)具有重要意義。

陶二煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力125萬t/a，礦井主采煤層2#煤層為突出煤層，平均厚度3.5m，屬于可以抽出煤層，煤層最大瓦斯含量為13.1m3/t，最大瓦斯壓力為1.51MPa。鉆孔施工期間有噴孔、卡鉆等動力現(xiàn)象，煤層瓦斯具有自噴能力。瓦斯噴孔事故經(jīng)常造成瓦斯超限，影響安全生產(chǎn)。雖然未造成人員傷亡，但是作為一種安全隱患，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度。

為了解決打鉆過程中鉆孔噴孔問題，經(jīng)過不斷的摸索和現(xiàn)場試驗，形成了一套適合礦井實際的鉆孔施工防噴裝置。

1 打鉆噴孔及防噴原理

打鉆噴孔是一種瓦斯動力現(xiàn)象，主要受到地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)的綜合作用。一些煤礦地應(yīng)力高、煤質(zhì)松軟，鉆孔鉆進(jìn)到煤層后，就會破碎煤體，當(dāng)煤體破碎后就會以較快的速度進(jìn)行解吸，流入到鉆孔中的瓦斯隨之增加，使得前后出現(xiàn)較大的瓦斯梯度，并出現(xiàn)較為明顯的瓦斯激流，進(jìn)而對煤體產(chǎn)生粉化作用。由于鉆桿與孔壁間空隙較小，粉化的煤屑和瓦斯不能順利排出，從而進(jìn)一步增加瓦斯壓力梯度，再加上外部排鉆屑水（風(fēng)）壓的作用，就會出現(xiàn)煤與瓦斯氣體從孔內(nèi)突然涌出的現(xiàn)象，即噴孔。因此，必須采取措施進(jìn)行處理，否則，噴出的煤粉和瓦斯就回進(jìn)入巷道空間，危及人身安全，造成瓦斯超限事故。

在安裝孔口防噴裝置后，在瓦斯壓力和水（風(fēng)）壓的共同作用下，煤粉和瓦斯氣體進(jìn)入孔口多通裝置，然后進(jìn)入到氣水分離裝置，煤粉在重力作用下，通過氣水分離裝置的排水除渣口排出，在抽采負(fù)壓作用下，瓦斯氣體被抽入礦井抽采系統(tǒng)，避免了瓦斯氣體逸散到工作空間，導(dǎo)致瓦斯超限，危及安全生產(chǎn)。

2 防噴裝置結(jié)構(gòu)

防噴裝置主要包括固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置、儲煤裝置四部分，如圖1所示。

1——鉆孔；2——固孔管；3——鉆桿；4——孔口多通裝置；5——儲煤裝置；6——鉆機；7——氣水分離裝置；8——抽采軟管；9——抽采管路。

圖1 防噴裝置示意圖

①固孔管：固孔管用于保持鉆孔孔口2m段成型完好，防止孔口塌孔，同時固孔管上安裝法蘭盤，用于連接孔口多通裝置。

②孔口多通裝置：中心為一鉆桿通道，前后各安裝一個法蘭盤，前端法蘭盤用于連接固孔管，后端法蘭盤用于安裝帶空心的膠墊，空心直徑與鉆桿直徑一致。上部為抽采瓦斯出氣口，出氣口安裝有過濾網(wǎng)，下部為落煤口，如圖2所示。

1——瓦斯出氣口；2——鉆桿通道；3，4——法蘭盤；5——落煤口；6——過濾網(wǎng)。

圖2 孔口多通裝置

③氣水分離裝置：包括上部的氣水分離箱和下部的集水箱。氣水分離箱由若干個進(jìn)氣口和一個帶閥門的出氣口，瓦斯和水進(jìn)入氣水分離裝置后，經(jīng)擋板阻擋和過濾網(wǎng)的過濾，瓦斯氣體經(jīng)出氣口進(jìn)入抽采系統(tǒng)，水在重力作用下進(jìn)入集水箱。集水箱上下各有一個蝶閥，正常工作時上部蝶閥打開，下部蝶閥關(guān)閉，氣水分離箱和集水箱相通。在放水時，關(guān)閉上部蝶閥，將氣水分離箱和集水箱隔開，打開下部蝶閥放水。放水完成后，再次關(guān)閉下部蝶閥，打開上部蝶閥，如此反復(fù)進(jìn)行氣水分離工作，如圖3所示。

1——帶閥門51mm直通；2——51mm直通；3——盲板；4——過濾網(wǎng)；5——擋板；6——1號蝶閥；7——2號蝶閥；8——氣水分離箱；9——集水箱。

圖3 氣水分離裝置

④儲煤裝置：從孔口落煤口落下的煤和水在該裝置內(nèi)儲存，該裝置內(nèi)的瓦斯氣體由出氣口進(jìn)入氣水分離裝置，水和煤經(jīng)放煤口放出，在沉淀池內(nèi)沉淀后清理出去。

3 防噴裝置安裝工藝流程

3.1 安設(shè)鉆機

根據(jù)鉆孔設(shè)計參數(shù)及開孔位置，安設(shè)好鉆機，并采取相應(yīng)措施，使鉆機穩(wěn)定，避免打鉆過程中鉆機移動。

3.2 開孔

鉆機安設(shè)好以后，根據(jù)鉆孔設(shè)計參數(shù)及開孔位置，用127mm的取芯鉆頭施工2m，退出鉆桿，然后下入2m長直徑108mm的固孔管，外露150mm，在固孔管與孔壁之間用麻繩堵住，并用聚氨酯澆注麻繩將固孔管密封牢固。

3.3 防噴裝置的安裝

①固孔管密封牢固以后，在固孔管上安裝一空心法蘭盤。將孔口多通裝置前端的法蘭盤與固孔管上的法蘭盤用螺絲連接。

②將鉆桿穿過空心膠墊，然后安裝鉆頭，鉆頭安裝后，將鉆桿送入孔內(nèi)，同時將膠墊用螺絲與孔口多通裝置后端的法蘭盤連接嚴(yán)密。

③將孔口多通裝置的出氣口與氣水分離裝置的進(jìn)氣口用51mm抽放軟管相連接，將孔口多通裝置的落煤口與儲煤裝置相連接。

④將氣水分離裝置和儲煤裝置的出氣口分別用51mm抽采軟管與抽采管路相連接，經(jīng)氣水分離后的瓦斯進(jìn)入抽采管路內(nèi)。

⑤打開氣水分離裝置和儲煤裝置出氣口上的閥門，形成抽采系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場施工情況及瓦斯變化，通過閥門調(diào)節(jié)抽采負(fù)壓。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

陶二煤礦屬于突出礦井，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，-711水平首采區(qū)南翼位于突出危險區(qū)內(nèi)，工作面瓦斯治理采用底板巖巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施。在2217下底板巖巷第一超前探鉆場內(nèi)施工穿層鉆孔控制2#煤煤層層位時，由于煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高煤巖體存在導(dǎo)通的裂隙，在鉆孔即將見煤時發(fā)生了鉆孔噴孔事故，造成了瓦斯超限，影響了安全生產(chǎn)。

此后，經(jīng)過不斷的摸索和研究，在原有防噴裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到了目前使用的防噴裝置。經(jīng)過改進(jìn)后的防噴裝置大大提高了鉆孔防噴效果。在2217下底板巖巷第二抽采鉆場穿層預(yù)抽鉆孔施工過程中，由于較好的使用防噴裝置，鉆場內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?.5%以下，回風(fēng)瓦斯?jié)舛纫恢痹?.3%以下，杜絕了瓦斯超限事故。鉆孔施工速度較以前有了大幅度提高，由于瓦斯影響，以前施工一個鉆孔大約需要一個班以上的時間，而使用該防噴裝置以后，第二鉆場抽采鉆孔的施工速度達(dá)到了以前的兩倍以上，一班可以施工兩個鉆孔，進(jìn)尺最大可達(dá)到每班60m以上，是以前的2～2.5倍，效果十分顯著。

5 結(jié)論

①鉆孔施工防噴裝置由固孔管、孔口多通裝置、氣水分離裝置和儲煤裝置四部分組成?？梢詫@孔出來氣水煤在進(jìn)入抽采系統(tǒng)之前實現(xiàn)有效分離，使瓦斯進(jìn)入抽采系統(tǒng)，水和煤被分離出來。

②鉆孔施工防噴裝置可以提高工作人員的安全系數(shù)，在鉆孔穿過煤層時，可以將鉆孔內(nèi)涌出的高濃瓦斯，經(jīng)過氣水分離進(jìn)入抽采系統(tǒng)，而不直接涌出鉆孔施工鉆場內(nèi)。鉆場內(nèi)瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%以下，回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺３衷?.3%以下，有效解決了鉆孔施工過程中瓦斯超限問題。

③使用鉆孔施工防噴裝置以后，大大提高了鉆孔施工速度，進(jìn)尺最大可達(dá)到每班60m以上，是以前的2～2.5倍，效果十分顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文樹，龍建明，陳久福，李宗福，周聲才.瓦斯抽采鉆孔噴孔防護(hù)裝置的研制與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（12）.

[2]梁運培.煤層鉆孔噴孔的發(fā)生機理探討[J].煤礦安全，2007， 38（10）：61-65.

[3]蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機理及防治技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4]于不凡.煤與瓦斯突出機理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1985.

[5]河南理工大學(xué).《邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶二煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究報告》.2013.03.

作者簡介：

任喜明（1963-），男，河北大名人，河北工程大學(xué)采礦工程專業(yè)畢業(yè)，大學(xué)學(xué)歷，采煤工程師，現(xiàn)任陶二煤礦副礦長，一直從事煤礦采掘生產(chǎn)管理工作。