強(qiáng)突煤層“孔突”防治技術(shù)探討

耿全利

摘 要：本文分析了強(qiáng)突煤層打鉆過程中的“孔突”現(xiàn)象及其防治措施。“孔突”作為打鉆噴孔的一種特殊形式，其噴孔動力現(xiàn)象巨烈，瞬間噴出大量煤與瓦斯，其危害性較一般噴孔嚴(yán)重，且防治難度大。只有從“孔突”發(fā)生理機(jī)入手，由被動防噴轉(zhuǎn)變成主動控噴即通過全程煤壁護(hù)孔技術(shù)減少穿煤期間煤壁垮落而造成應(yīng)力集中和瓦斯加速解吸，從而實(shí)現(xiàn)控噴。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)突煤層；孔突；煤壁全程護(hù)孔

0 引言

謝一礦-840mC13底板巷實(shí)測C13煤層瓦斯壓力4.2MPa，瓦斯含量10m3/t，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.28～0.14、放散初速度Δp=8～13、突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)K=48.86～85.71，屬強(qiáng)突煤層，煤塵具有爆炸性。此巷道作為513（3）保護(hù)層開采區(qū)瓦斯治理專用巷，采用（10m×10m）網(wǎng)格式布置方式施工穿層鉆孔。經(jīng)現(xiàn)場勘察，煤粉沿下風(fēng)側(cè)拋撒長度約40m，厚度10～200mm，噴出煤量約18t。根據(jù)-817m北翼總回風(fēng)石門探頭T變化情況，經(jīng)測算，噴出瓦斯量4243m3，屬“孔突”現(xiàn)象，即由于鉆孔擾動破壞原煤應(yīng)力平衡，在高壓游離瓦斯共同作用下，使破碎的煤體及瓦斯瞬間噴出，是噴孔一個極端表現(xiàn)形式。如何從被動防噴到主動性控噴來解決“孔突”事故進(jìn)行探討。

1 “孔突”現(xiàn)象分析

1.1 “孔突”易發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造成帶附近： 2008-2011年間，勘探工程處井下各工區(qū)打鉆共發(fā)生噴孔105起，從54起可以查到鉆孔相關(guān)地質(zhì)資料來看，51起施工地點(diǎn)處于地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)，占94%。因此可以通過實(shí)例說明，鉆孔噴孔的決定性因素是由鉆孔施工地點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況引起的，有了這樣的結(jié)論，我們即可通過對地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)控制，采取針對性的“防噴、控噴”措施。

淮南礦區(qū)地質(zhì)異常區(qū)主要以斷層、煤層變薄帶、陷落柱、褶皺帶等影響為主，鉆孔施工時(shí)因其處于構(gòu)造的位置不同，對煤層內(nèi)瓦斯的吸附、解吸、流動形成不同的影響。根據(jù)鉆孔所處的構(gòu)造位置可以分為穿透斷層、斷層附近、薄煤帶、褶皺帶。

①穿透斷層。在斷層面兩側(cè)瓦斯富集，鉆孔鉆進(jìn)穿過斷層面時(shí)，瓦斯氣體通過鉆孔形成的通道異常涌出形成鉆孔噴孔。

②斷層附近。在斷層面附近，煤巖體較為破碎，形成瓦斯儲藏空間，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至該范圍內(nèi)，形成新的瓦斯通道，造成瓦斯噴孔。

③薄煤帶。鉆孔施工至煤層在<1/3平均煤厚段時(shí)，由于該范圍內(nèi)成巖期的高壓作用，瓦斯吸附性相對較高，當(dāng)鉆孔施工至該區(qū)域，釋放壓力后瓦斯迅速解吸，形成瓦斯噴孔。

④褶皺帶。鉆孔施工煤層褶皺區(qū)域，尤其是背斜褶皺帶附近，瓦斯在局部區(qū)域富集，不易排出，鉆孔施工至該區(qū)域瓦斯被迅速釋放，易形成噴孔。

1.2 “孔突”現(xiàn)象及其危害

“孔突發(fā)生時(shí)會瞬間噴出大量瓦斯與煤塵，動力現(xiàn)象巨烈。其危害體現(xiàn)在：

①“孔突”瞬間高壓瓦斯易將鉆桿或封孔管頂出，可能形成撞擊火花產(chǎn)生。

②“孔突”若發(fā)生在人工向孔內(nèi)下封孔套管期間易造成封孔管傷人事故發(fā)生。

③噴出的煤巖粉擴(kuò)散范圍較大，易造成煤巖粉沖擊傷人。

④噴出的瓦斯量及煤量大，瓦斯瞬間積聚，造成瓦斯爆炸事故。

2 “孔突”防治技術(shù)

傳統(tǒng)噴孔防治一般根據(jù)瓦斯壓力選擇不同的防噴裝置即：下向鉆孔及瓦斯壓力P﹤2MPa地點(diǎn)，可自主采取防噴措施；瓦斯壓力2MPa≤P﹤3MPa的施工地點(diǎn)，采用Ⅰ代防噴裝置；瓦斯壓力P≥3MPa的施工地點(diǎn)，采用Ⅱ代防噴裝置。“孔突”特性決定了選擇傳統(tǒng)防治措施無法控制瓦斯超限等事故的發(fā)生。由被動防噴到主動控噴才有可能從根本上解決“孔突”帶來的安全問題。跟管鉆進(jìn)，即采用相應(yīng)裝置將護(hù)孔花管跟隨鉆頭一同鉆進(jìn)至煤層段，對穿煤段煤壁進(jìn)行全程護(hù)孔，從而實(shí)現(xiàn)控噴?！捌母茔@進(jìn)”法和“套管鉆進(jìn)”法施工工藝介紹。

2.1 “偏心跟管鉆進(jìn)”即“雙管單動”工作原理

借鑒在工程上應(yīng)用較成熟的偏心跟管鉆具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種適用回轉(zhuǎn)工藝復(fù)合片鉆頭，在穿層孔巖層段鉆進(jìn)采用普通光面鉆桿配φ133mm鉆頭施工，當(dāng)鉆至距煤層2m時(shí)，提鉆至孔口，更換偏心跟管鉆頭，并通過套管靴加接上套管，套管隨鉆跟進(jìn)鉆進(jìn)，成孔后慢速反轉(zhuǎn)，偏心鉆頭回到收斂位置，提鉆，鉆頭鉆桿從套管中間提出，將套管留在孔內(nèi)護(hù)壁。

其施工步驟：

①使用Ф133mm普通鉆頭保直鉆進(jìn)至距待穿煤層2m時(shí)，提鉆至孔口，卸下Ф133mm鉆頭，準(zhǔn)備更換鉆具。

②加接順序：先放置套管再穿鉆桿，先擰鉆桿再接套管。先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管并用手扶住，從動力頭后方穿入1根Ф73mm鉆桿，并穿過套管，用卡盤夾住鉆桿；將后夾持器張開到最大，用人力將套管穿過后夾持器并用前夾持器（手動夾持器）夾住；用動力頭將鉆桿送至前端末位，并用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回，在前夾持器前鉆桿上加接Ф85/120mm偏心鉆頭和套管靴。

③加接第二根套管和鉆桿時(shí)，第二根鉆桿后接一根Ф95mm對中器，同樣也是先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管，從動力頭后方穿入鉆桿并與前一根鉆桿連接好；用卡盤夾住鉆桿，將后夾持器張開到最大，用自由鉗將兩根套管連接好，將前夾持器松開，用動力頭通過鉆桿推送第二根套管，使其末端剛好處于前、后夾持器之間，接下來用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回準(zhǔn)備加接下一根套管。

④加接好預(yù)定長度套管后，用鉆機(jī)將整套鉆具送至孔底開始鉆進(jìn)。

⑤當(dāng)套管鉆頭穿過煤層后，利用套管管體上的彈片，在提鉆時(shí)反轉(zhuǎn)使其楔入煤壁將套管固定在孔底，然后提出鉆桿和偏心鉆頭。

2.2 “套管鉆進(jìn)”即“雙管雙動”施工工藝

①使用Ф133mm普通鉆頭保直鉆進(jìn)至距待穿煤層2m時(shí)，提鉆至孔口，卸下Ф133mm鉆頭，準(zhǔn)備更換鉆具。

②加接順序：先放置套管再穿鉆桿，先擰鉆桿再接套管。先在動力頭與后夾持器（大行程夾持器）之間放置1根套管用手扶住，從動力頭后方穿入1根Ф73mm鉆桿，鉆桿前端加接Ф90mm對中器和Ф87mm鉆頭，穿過套管，用卡盤夾住鉆桿；將后夾持器張開到最大，用人力將套管穿過后夾持器并用前夾持器（手動夾持器）夾住，在前夾持器前套管上加接Ф127mm套管鉆頭；用動力頭將鉆桿送至前端末位，并用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回。

③加接第二根套管和鉆桿時(shí)，第二根鉆桿后接一根Ф90mm對中器，同樣也是先在動力頭與后夾持器之間放置1根套管，從動力頭后方穿入鉆桿并與前一根鉆桿連接好；用卡盤夾住鉆桿，將后夾持器張開到最大，用自由鉗將兩根套管連接好，將前夾持器松開，用動力頭端面將套管頂至前端末位并用前夾持器夾住，用后夾持器夾住鉆桿，動力頭退回準(zhǔn)備加接下一根套管。

④在最后一根套管后端接接頭Ⅱ，第三根鉆桿前端接傳扭接頭Ⅰ。

⑤加接好預(yù)定長度套管后，用鉆機(jī)將整套鉆具送至孔底開始鉆進(jìn)。

⑥當(dāng)套管鉆頭穿過煤層后，利用在套管管體上的彈片，在提鉆時(shí)反轉(zhuǎn)楔入煤壁將套管固定在孔底，然后提出鉆桿和Ф87mm鉆頭。

“跟管鉆進(jìn)護(hù)孔”工藝，實(shí)現(xiàn)了全程煤壁護(hù)孔，解決了因煤壁垮落，形成應(yīng)力重新集中，造成煤體破碎，瓦斯大量解吸而引起了

“孔突”現(xiàn)象的發(fā)生。為強(qiáng)突煤層鉆孔施工提供了一個可行技術(shù)方案。

3 總結(jié)

“跟管鉆進(jìn)護(hù)孔”工藝較為復(fù)雜，選擇此施工工藝應(yīng)根據(jù)礦方提供的鉆孔設(shè)計(jì)，結(jié)合打鉆區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)真分析，預(yù)判受影響范圍內(nèi)鉆孔，選擇性采用“防噴”加“控噴”綜合防噴措施，才能保障鉆孔施工期間瓦斯安全。