突出煤層鉆孔施工防瓦斯超限技術(shù)及裝備

郝 殿，李學(xué)臣，魏培瑾

（焦作煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作454002）

焦作礦區(qū)主采的二1 煤層構(gòu)造煤發(fā)育、瓦斯壓力大、含量高，在進(jìn)行抽采鉆孔施工或?qū)嵤┧_孔措施時，強(qiáng)烈的噴孔常常會引起瓦斯超限，給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大隱患，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)。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(guī)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(huán)境下，開展突出煤層鉆孔施工防超限技術(shù)及裝備研究對焦作礦區(qū)乃至全國突出礦井都具有重要的意義[1]。

1 鉆孔施工作業(yè)現(xiàn)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(nèi)瞬間、急劇涌出的瓦斯，雖然采取了措施加強(qiáng)孔口防噴、強(qiáng)抽，但由于常規(guī)的防噴裝置和系統(tǒng)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(xiàn)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(yán)，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(yán)，是瓦斯涌出的又一通道,常規(guī)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(kuò)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(lián)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(shè)計主要按照有效密封、可靠抽采、煤水分離的原則設(shè)計，并逐步實現(xiàn)輕便靈活、堅固耐磨的目標(biāo)。按照以上原則，主要應(yīng)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(guān)鍵部位的密封問題，并通過分源抽采實現(xiàn)抽采能力的合理匹配[4]。

根據(jù)鉆孔施工作業(yè)現(xiàn)場瓦斯超限因素及設(shè)計整體原則，防超限裝備整體設(shè)計方案如圖2。

鉆孔施工防超限裝備整體設(shè)計方案為：孔口擠壓膨脹密封裝置通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄擠壓高分子膨脹膠圈確?？變?nèi)密封，消除孔口瓦斯漏氣源；腔體后端采用可更換的環(huán)形毛刷密封件，實現(xiàn)與鉆桿間的緊密結(jié)合，鉆孔內(nèi)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(zhuǎn)排渣系統(tǒng)，在保證煤水氣分離密閉效果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)連續(xù)自動將煤屑、水等排到外部巷道內(nèi)[6]；防瓦斯涌出鉆桿短節(jié)利用靜壓或高壓水推動腔體內(nèi)的密封球，關(guān)閉靜壓水后，密封球自動沿裝置內(nèi)部導(dǎo)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(nèi)瓦斯涌出[7]；瓦斯緩沖裝置可以根據(jù)打鉆期間鉆孔內(nèi)涌出的瓦斯量伸縮，在打鉆期間一旦孔內(nèi)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(nèi)瓦斯壓力[8]。

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

1）孔口防噴裝置?？卓诜绹娧b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(zhuǎn)部位密封問題。設(shè)計采用擠壓膨脹式孔口密封和環(huán)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(yù)先開孔的鉆孔內(nèi)，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄向前推動推進(jìn)缸，使推進(jìn)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(xiàn)象。在防噴裝置的后端，設(shè)計采用環(huán)形毛刷密封件，在后端腔體內(nèi)放置2～3 道毛刷，在毛刷兩側(cè)加裝膠皮墊，可有效支撐毛刷，防止其向兩側(cè)空間變形，同時可進(jìn)一步起到密封的作用。在鉆桿旋轉(zhuǎn)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(jìn)一步起到了封堵密封效果。同時，對裝置尺寸、材質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，將材質(zhì)改由玻璃纖維材質(zhì)，在玻璃纖維中加入阻燃、防靜電材料，防噴裝置總質(zhì)量由原來的29 kg 降低至18 kg，達(dá)到了輕便耐用的目標(biāo)。

2）煤（水）氣分離裝置。該裝置內(nèi)部由刮板、柔性密封膠皮將旋轉(zhuǎn)腔體等分成3 個相對獨立的空間，煤（水）氣進(jìn)入箱體后，瓦斯被負(fù)壓管路抽走，煤水靠自重進(jìn)入下部旋轉(zhuǎn)排渣系統(tǒng)內(nèi)，推動葉片緩慢轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)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(tài)。旋轉(zhuǎn)排渣系統(tǒng)在保證煤煤（水）氣裝置密閉效果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)連續(xù)自動排渣，同時可配合振篩機(jī)、帶式輸送機(jī)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(jié)。利用回壓凡爾的原理研制了鉆孔施工鉆桿內(nèi)防噴短節(jié)。其主要由短節(jié)前端、短節(jié)后端、逆止閥芯3 部分組成，其中逆止閥芯內(nèi)安設(shè)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(dāng)鉆孔鉆進(jìn)或水力沖孔正常施工期間，靜/高壓水（壓風(fēng)）推動密封滾球密閉前端通道，水流（壓風(fēng)）通過過水（氣）孔到達(dá)鉆頭位置，保證水流（壓風(fēng)）正常供給；當(dāng)鉆孔內(nèi)發(fā)生瓦斯突然噴出等異?，F(xiàn)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(tài)，達(dá)到自動密封鉆桿內(nèi)部通道，防止瓦斯氣體由鉆桿內(nèi)部涌出的目的。

4）瓦斯緩沖裝置。利用風(fēng)琴布加工儲氣囊袋，在噴孔嚴(yán)重時，瓦斯進(jìn)入囊袋內(nèi)，并根據(jù)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(nèi)瓦斯壓力，抑制瓦斯向巷道空間涌出，降低了巷道瓦斯?jié)舛取?/p>

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(qiáng)度、噴孔時機(jī)、瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛?、瓦斯涌出量、持續(xù)時間等均不可控，僅能通過高負(fù)壓連續(xù)抽采才能保證對孔口噴出瓦斯的有效控制，一定程度上導(dǎo)致抽采系統(tǒng)長時間占用，造成抽采能力浪費。若同一巷道內(nèi)多臺鉆機(jī)同時作業(yè)時，抽采管路沿程負(fù)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(yīng)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(fēng)系統(tǒng)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(dāng)瓦斯?jié)舛却笥?5%時，傳感器釋放濃度信號給控制箱內(nèi)的本安型電磁閥，驅(qū)動三通氣動閥門轉(zhuǎn)換至主抽采管路，實現(xiàn)高濃度瓦斯高負(fù)壓、大流量抽采利用，有效控制瓦斯噴孔；當(dāng)瓦斯?jié)舛刃∮?5%時，三通氣動閥門則轉(zhuǎn)換至臨時抽采管路，利用低負(fù)壓、小流量抽采孔口涌出瓦斯，減少管路負(fù)壓損失。同時通過水位計可觀察箱體內(nèi)水位情況，若水位將滿時，按下控制箱側(cè)面的放水開關(guān)驅(qū)動排水渣口處的氣動閥門完全打開排水渣口進(jìn)行排水、排渣。

3 鉆孔防噴裝置現(xiàn)場應(yīng)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(jìn)行了工業(yè)性試驗，根據(jù)現(xiàn)場考察情況來看，防噴裝置前端實現(xiàn)了可靠密封，后端毛刷密封總體效果良好，發(fā)生較強(qiáng)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(jié)實現(xiàn)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(xiàn)了抽采管網(wǎng)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(fēng)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(jìn)行了統(tǒng)計（分別統(tǒng)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(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@減小，鉆孔施工作業(yè)基本杜絕了瓦斯超限。

為進(jìn)一步統(tǒng)計分析施工期間鉆孔瓦斯涌出規(guī)律，在防噴裝置抽氣口及排渣口側(cè)安裝了管道綜合參數(shù)在線監(jiān)測裝置，并收集監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在統(tǒng)計的時間段內(nèi)，至少發(fā)生了10 余次相對較大程度的噴孔，即抽氣口側(cè)及排渣管側(cè)出現(xiàn)瓦斯較高濃度的時間段。期間防噴裝置口側(cè)的瓦斯流量均達(dá)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(cè)將瓦斯抽走，消除了噴孔后巷道內(nèi)瓦斯超限的可能。

4 結(jié) 語

針對穿層鉆孔施工（沖孔）期間噴孔傷人、瓦斯超限導(dǎo)致鉆機(jī)不能連續(xù)運轉(zhuǎn)，打鉆效率低、沖孔間斷等難題，分析確定了水力沖孔作業(yè)期間容易引起作業(yè)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(jié)、瓦斯緩沖裝置、抽采流量自動控制等一系列裝置，經(jīng)現(xiàn)場使用，鉆孔施工巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@減小，鉆孔施工作業(yè)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。