穿層預(yù)抽鉆孔噴孔原因及防治技術(shù)研究與應(yīng)用

張錄平

(平煤股份勘探工程處，河南省平頂山市，467000)

★ 煤礦安全 ★

穿層預(yù)抽鉆孔噴孔原因及防治技術(shù)研究與應(yīng)用

張錄平

(平煤股份勘探工程處，河南省平頂山市，467000)

針對(duì)突出煤層穿層鉆孔施工過(guò)程中頻繁發(fā)生噴孔而發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，分析了發(fā)生噴孔的原因，針對(duì)噴孔的類型和強(qiáng)弱程度，采用全封閉式三防裝置、鉆尾抽采、防延時(shí)噴孔等綜合措施，杜絕穿層鉆孔噴孔造成的瓦斯超限，實(shí)現(xiàn)安全施工。

打鉆噴孔 瓦斯超限 噴孔原因 防治技術(shù)

隨著煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性日趨嚴(yán)重。平頂山礦區(qū)煤層瓦斯含量東部高、西部低，具有明顯的區(qū)域性和條帶性；瓦斯含量己組和戊組高、丁組和庚組低。平頂山東部礦區(qū)普遍采用底板巖巷掩護(hù)煤巷掘進(jìn)的區(qū)域瓦斯治理方式，通過(guò)在底板巷施工上行穿層鉆孔預(yù)抽上覆煤層條帶瓦斯。

我國(guó)煤炭的成煤期多為石炭二疊紀(jì)，成煤后經(jīng)過(guò)了多次強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，破壞了煤層原生結(jié)構(gòu)，造成煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、煤質(zhì)松軟、滲透性低。瓦斯封存好、瓦斯含量高、采深及地應(yīng)力大，使礦井瓦斯問(wèn)題日益嚴(yán)重，在穿層預(yù)抽鉆孔施工過(guò)程中，由于煤層瓦斯、應(yīng)力突然釋放，造成噴孔，嚴(yán)重的還會(huì)造成打鉆突出。

打鉆過(guò)程中造成的瓦斯超限，一直認(rèn)為是不可避免的問(wèn)題，平煤股份勘探工程處轉(zhuǎn)型以后，從理念上改變了這種觀點(diǎn)。從治理理念、打鉆施工技術(shù)、防瓦斯裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)提高，繼續(xù)探索區(qū)域瓦斯治理新途徑。從打鉆現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)象入手，結(jié)合瓦斯、地質(zhì)、施工等方面，分析打鉆噴孔的原因，采取防瓦斯超限的新技術(shù)和裝置，打鉆技術(shù)、防瓦斯裝置的使用為消除打鉆過(guò)程中瓦斯隱患提供了保障。

1 工作面概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦己15-24100工作面位于己四采區(qū)西翼第四區(qū)段，地面標(biāo)高150～300 m，工作面標(biāo)高-560～-685 m，埋深720～980 m。該工作面開(kāi)采己15煤層，己15煤層厚度1.5～2.6 m，平均厚度為2.1 m，煤層傾角為10°～27°，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與己16煤層夾矸0.3～7.5 m，東薄西厚，工作面頂板為厚層狀砂質(zhì)泥巖或砂巖。己15～16煤層瓦斯原始?jí)毫χ禐?.95 MPa，瓦斯原始含量值為20.0374 m3/t。

2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》、《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在機(jī)巷底板巷向上施工穿層鉆孔控制上覆機(jī)巷兩幫各15 m范圍，每組鉆孔間隔4 m，每組鉆孔10個(gè)，組內(nèi)每個(gè)鉆孔終孔點(diǎn)間隔4.5 m，鉆孔終孔點(diǎn)應(yīng)穿過(guò)己15煤層0.5 m，鉆孔孔徑94 mm，各鉆孔布置情況如圖1所示，各鉆孔參數(shù)情況見(jiàn)表1。

圖1 己15-24100機(jī)巷底板巷穿層鉆孔布置

孔號(hào)傾角/(°)偏角/(°)預(yù)計(jì)孔深/m1左480292左580253左680224左790215左880206右780207右670218右570239右4802510右40028

備注：鉆孔參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際為準(zhǔn)，終孔必須見(jiàn)己15煤層頂板0.5 m以上

3 打鉆異常情況及噴孔原因分析

3.1 打鉆異常情況

在己15-24100機(jī)巷底板巷打鉆施工過(guò)程中，共施工穿層鉆孔2710個(gè)，鉆孔工程量63188.40 m。其中有455個(gè)鉆孔發(fā)生不同級(jí)別瓦斯異常，占本巷道總施工孔數(shù)的16.87%，瓦斯異常主要表現(xiàn)為響煤炮、噴孔(瓦斯、渣)、孔口瓦斯?jié)舛仍龈叩?。瓦斯異常統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)機(jī)巷底板巷打鉆瓦斯異常情況集中度統(tǒng)計(jì)，瓦斯異常主要集中在4個(gè)區(qū)域，分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)。4個(gè)區(qū)域瓦斯異常總數(shù)378孔，占本巷道異常鉆孔總數(shù)的83.08%。機(jī)巷底板巷瓦斯異常區(qū)劃分詳見(jiàn)表3。

瓦斯異常還表現(xiàn)有機(jī)巷底板巷上幫鉆孔比下幫鉆孔瓦斯異常大、出現(xiàn)次數(shù)多的特點(diǎn)。比較大的瓦斯異常大都出現(xiàn)在上幫鉆孔。

表2 己15-24100機(jī)巷底板巷穿層鉆孔異常情況統(tǒng)計(jì)

3.2 噴孔原因分析

目前國(guó)內(nèi)外煤礦現(xiàn)場(chǎng)工作人員解決打鉆作業(yè)地點(diǎn)瓦斯?jié)舛瘸?、鉆進(jìn)效率低和危險(xiǎn)性大等問(wèn)題一般采取疏導(dǎo)噴孔的方法。鉆孔發(fā)生噴孔表明鉆孔施工過(guò)程中鉆孔內(nèi)部發(fā)生了煤與瓦斯突出，因而噴孔屬于煤與瓦斯突出的范疇，噴孔機(jī)理應(yīng)從煤與瓦斯突出的角度進(jìn)行解釋。

表3 己15-24100機(jī)巷底板巷瓦斯異常區(qū)劃分一覽表

3.2.1 打鉆噴孔特點(diǎn)

(1)打鉆噴孔與施工區(qū)域的煤層瓦斯壓力呈正相關(guān)。瓦斯成條帶分布，表現(xiàn)為分區(qū)分帶的特點(diǎn)，煤層瓦斯壓力越高，噴孔越強(qiáng)烈。

(2)打鉆噴孔與施工區(qū)域煤體的堅(jiān)固性呈反相關(guān)。在同等的瓦斯壓力區(qū)域，煤體的堅(jiān)固性越大，噴孔越弱；相反，如果施工區(qū)域的煤體受到破壞，堅(jiān)固性較小，則噴孔強(qiáng)度較大。堅(jiān)固性低的煤體，煤體較軟，滲透性低，鉆孔進(jìn)入軟煤后，煤體能夠迅速破壞，而滲透性低有利于煤壁內(nèi)外維持較高的瓦斯壓力梯度，因此堅(jiān)固性低的煤層更容易發(fā)生鉆孔噴孔。

(3)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)更易噴孔。打鉆噴孔與地質(zhì)構(gòu)造密不可分，在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，表現(xiàn)比較多的是斷層和構(gòu)造，特別是在一些壓扭性構(gòu)造區(qū)域，這些構(gòu)造封閉瓦斯的能力更強(qiáng)，同時(shí)構(gòu)造破壞了這些區(qū)域的煤巖體的強(qiáng)度，噴孔比較容易發(fā)生。

(4)噴孔的強(qiáng)弱與鉆進(jìn)速度呈正相關(guān)。在同等的瓦斯壓力和煤體的堅(jiān)固性的情況下，鉆進(jìn)速度越快，噴孔越強(qiáng)烈，孔口瓦斯?jié)舛仍礁撸瑖姵雒毫吭蕉唷?/p>

(5)噴孔與鉆孔的直徑呈正相關(guān)。鉆孔直徑越大，發(fā)生噴孔的幾率越高，噴孔的強(qiáng)度越大，鉆孔暴露的表面積越大，暴露的瓦斯量越多，鉆孔的穩(wěn)固性越差，承受壓力的能力越小。

(6)噴孔呈區(qū)域性分布。噴孔一般發(fā)生在瓦斯條帶區(qū)域，一般情況下，相鄰的幾個(gè)鉆孔都會(huì)噴孔，顯示本區(qū)域的煤體含瓦斯量較高，同時(shí)當(dāng)鄰近幾個(gè)鉆孔都發(fā)生噴孔，說(shuō)明本區(qū)域瓦斯異常，這也是異常信息比指標(biāo)更重要的原因，所以，漏掉一個(gè)異常不可怕，只要有一個(gè)異常信息反映上來(lái)，就應(yīng)該重視。

(7)噴孔可防、可控。打鉆噴孔一般發(fā)生在一定的深度，噴孔的強(qiáng)度和鉆進(jìn)速度有關(guān)，配合相應(yīng)的裝備、技術(shù)、手段可以對(duì)其進(jìn)行控制、誘導(dǎo)，防止打鉆過(guò)程發(fā)生瓦斯超限。

(8)延時(shí)噴孔的危害程度更大。延時(shí)噴孔不可預(yù)期，可能發(fā)生在鉆孔施工結(jié)束后幾秒、幾分鐘、十幾分鐘、幾十分鐘后；延時(shí)噴孔的強(qiáng)度和破壞力更大，很多延時(shí)噴孔都是在鉆桿已經(jīng)退出鉆孔的情況下發(fā)生的，這時(shí)候鉆孔內(nèi)沒(méi)有鉆桿的阻擋，煤和瓦斯能快速的涌出巷道，缺少阻力的噴孔，能徹底的卸壓，噴孔也更徹底。

3.2.2 打鉆噴孔分級(jí)

打鉆噴孔分為輕度噴孔、中度噴孔和嚴(yán)重噴孔三級(jí)。

(1)輕度噴孔。鉆進(jìn)過(guò)程中間歇性噴孔，停鉆即停，有少量顆粒噴出，里探增幅0.2%以內(nèi)。

(2)中度噴孔。鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)噴孔，停鉆后持續(xù)1～2 min，噴出顆粒直徑3 mm，鉆屑明顯增多，拋出距離1～2 m，里探增幅0.3%以內(nèi)。

(3)嚴(yán)重噴孔。停鉆后連續(xù)噴孔超過(guò)2 min，且?guī)С龃罅裤@屑；拋出距離大于2 m或伴有煤炮聲；里探增幅大于0.3%，外探增幅大于0.2%。符合上述任一條件，即判斷為嚴(yán)重噴孔。

3.2.3 打鉆產(chǎn)生噴孔的原因

(1)外在原因。鉆孔內(nèi)有鉆桿，一般情況下，鉆頭直徑為94 mm，鉆桿直徑為73 mm，圓環(huán)型空間的間隙為21 mm，孔壁與鉆桿的間隙為10.5 mm，狹小的空間阻礙了煤粉的運(yùn)移，這也是延時(shí)噴孔危害更大的原因；噴孔一般發(fā)生在一定深度，無(wú)論是打鉆還是煤巷掘進(jìn)都有一定的安全巖柱，煤粉、瓦斯運(yùn)移的距離較遠(yuǎn)，動(dòng)能有一定的損失。

(2)內(nèi)在原因。鉆頭直徑為94 mm，煤體暴露面積小，限制了瓦斯涌出的范圍和瓦斯涌出量，暴露的能量??；由于鉆孔截面積小，瓦斯涌出的動(dòng)能與鉆孔壁的支護(hù)阻力比煤巷掘進(jìn)或者石門揭煤的大。

(3)平煤股份十礦開(kāi)采的己組煤層從上到下含有己15煤層、己16煤層、己17煤層，3個(gè)煤層間距大小不斷變化。中間煤層己16煤層上下各有一層泥巖，泥巖厚度也不斷變化，變化范圍0.3～7.5 m。由于煤層產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境原因，導(dǎo)致中間己16煤層頂?shù)装宓哪鄮r非常致密，且硬度較小，致密的泥巖為保存瓦斯提供了良好的條件；己15煤層、己17煤層的透氣性也非常差，又為保存瓦斯增加了一層保護(hù)，所以，己16煤層瓦斯含量、涌出量比較大；己16煤層頂?shù)装迥鄮r硬度低，抵擋瓦斯壓力的能力較小。

4 防治技術(shù)與裝置

4.1 防瓦斯安全技術(shù)

(1)鉆孔施工過(guò)程中使用三防裝置。

(2)鉆孔施工過(guò)程中，全程使用檢測(cè)設(shè)施，懸掛便攜式傳感器。

(3)鉆進(jìn)壓力控制在5 MPa以內(nèi)，讓鉆機(jī)緩慢鉆進(jìn)，既能保證鉆孔成型，又能防止產(chǎn)生巖石破碎后成塊留在孔內(nèi)。

(4)鉆孔施工至終孔位置后，鉆機(jī)必須空轉(zhuǎn)10 min，確保孔內(nèi)鉆屑全部排出。

4.2 防瓦斯裝置

4.2.1 三防裝置

為了防止打鉆噴孔造成瓦斯超限，選擇安泰華SPZ-4型礦用孔口濕式排渣(三防)裝置。三防裝置主要由SPZ-4三防裝置主體、孔口罩、氣渣分離箱、軟管等組成。新型三防裝置示意圖如圖2所示。

4.2.2 鉆尾抽采

在煤層瓦斯壓力大于2.0 MPa、煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于0.3的區(qū)域，打鉆過(guò)程中，瓦斯涌出量較大、鉆孔出渣量較多，易發(fā)生堵孔，在接卸鉆桿期間，卸下送風(fēng)器后，瓦斯從鉆桿內(nèi)涌出，有哨聲，容易造成瓦斯超限。

為了防止這類瓦斯超限，設(shè)計(jì)了一種特殊的送風(fēng)器，將原來(lái)送風(fēng)器?16 mm的兩通換成?16 mm的三通，三通的3個(gè)接頭分別連接送風(fēng)器、鉆桿、抽放管，用于連接抽放管的一端設(shè)置閥門，不用時(shí)關(guān)閉閥門。復(fù)合型送風(fēng)器示意圖如圖3所示。施工過(guò)程中，遇到嚴(yán)重噴孔時(shí)，鉆頭退離孔底0.5～1.0 m，不去掉送風(fēng)器，關(guān)閉風(fēng)(水)源，打開(kāi)送風(fēng)器上的抽采閥門進(jìn)行抽采。鉆尾抽采施工示意圖如圖4所示。

圖2 新型三防裝置示意圖

圖3 復(fù)合型送風(fēng)器示意圖

圖4 鉆尾抽采施工示意圖

5 施工效果

通過(guò)在己15-24100機(jī)巷 底板巷使用新型三防裝置、防技術(shù)措施，能有效防治打鉆過(guò)程中的瓦斯超限，保證施工安全。在己15-24100機(jī)巷底板巷施工穿層鉆孔期間多次出現(xiàn)瓦斯超限，在3月，打鉆引起4次瓦斯超限；在4月，打鉆引起4次瓦斯超限；在5月，打鉆引起2次瓦斯超限；在6月以后，使用新型“三防”裝置、采用防技術(shù)措施后，沒(méi)有再因打鉆引起瓦斯超限。采用防瓦斯裝置前后瓦斯超限次數(shù)如圖5所示。

圖5 采用防瓦斯裝置前后瓦斯超限次數(shù)

打鉆噴孔是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，但是一個(gè)強(qiáng)烈的異常信息信號(hào)，應(yīng)該重視，打鉆是為了治理瓦斯，也應(yīng)該注重治理瓦斯過(guò)程中的施工安全，了解打鉆噴孔的性質(zhì)，有利于預(yù)防打鉆瓦斯超限，為安全生產(chǎn)增加一重保障。

[1] 黃炳香,程慶迎,陳樹亮等.突出煤層深孔水力致裂驅(qū)趕與淺孔抽采消突研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(5)

[2] 衛(wèi)修君,潘峰.平煤集團(tuán)公司瓦斯綜合治理技術(shù)[J].中國(guó)煤炭，2005(6)

[3] 楊起,韓德馨.中國(guó)煤地質(zhì)學(xué) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1979

[4] 辛新平,魏國(guó)營(yíng).嚴(yán)重突出煤層快速掘進(jìn)防突技術(shù)研究鑒定資料[R].焦作：焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所,2002

[5] 陳存強(qiáng)，宋慶堯，聶政.突出煤層打鉆防噴孔裝置[J].煤炭技術(shù)，2005(10)

[6] 劉國(guó)泉.鉆孔施工過(guò)程中的煤和瓦斯突出及防治對(duì)策[J].煤礦安全，1993(12)

Researchandapplicationofboreholesprayingcausesandpreventiontechnologyofpre-drainagedrillingthroughlayers

Zhang Luping

(Division of Exploration Engineering, Pingdingshan Tian'an Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

Aiming at the frequently occurred gas overrun phenomenon during the construction of pre-drainage drilling through layers in outburst coal seams, the causes of borehole spraying were analyzed, and according to the kind and intensity of borehole spraying comprehensive measures including totally enclosed three proofing device, drainage at the end of boreholes and anti-delay spraying borehole were conducted to eliminate gas overrun caused by drilling holes and realize safe construction.

drilling spraying borehole, gas overrun, spraying cause, prevention technology

張錄平.穿層預(yù)抽鉆孔噴孔原因及防治技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2017,43(12)：142-145，150.

Zhang Luping. Research and application of borehole spraying causes and prevention technology of pre-drainage drilling through layers[J]. China Coal, 2017，43(12):142-145，150.

TD713

A

張錄平(1973-)，男，1996年畢業(yè)于山東礦院，長(zhǎng)期從事煤礦安全生產(chǎn)工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)