煤礦地質(zhì)探水鉆孔孔口安全卸壓裝置應(yīng)用

李 娜

（山西潞安集團(tuán)蒲縣新良友煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

礦山井下巷道開(kāi)拓前，需對(duì)巷道預(yù)掘段內(nèi)的含水層、斷層進(jìn)行水害探測(cè)，探測(cè)常采用鉆探的方式進(jìn)行。在探測(cè)時(shí)一般先鉆進(jìn)一定深度，固定孔口管，然后再套孔鉆進(jìn)揭露含水層或斷層。如果含水層或斷層水壓大、水量豐富，則鉆孔將呈現(xiàn)大流量出水的狀態(tài)。此時(shí)，含水層或斷層水從鉆孔急速流動(dòng)的過(guò)程中將大力沖擊鉆孔的鉆具，甚至造成孔內(nèi)鉆具像箭一般沖出鉆孔的現(xiàn)象，同時(shí)頂翻鉆機(jī)，具有極大安全隱患，也發(fā)生過(guò)事故[1-2]。目前常用鉆孔防噴裝置有阻擋、擠壓兩種形式，能夠起到一定的防噴作用，但對(duì)于高承壓水防噴效果一般，且無(wú)法對(duì)高承壓大流量水起到防頂鉆的作用。對(duì)于水壓大、水量豐富的含水層及斷層探水鉆孔防頂鉆一直是難題。所以設(shè)計(jì)一套孔口安全卸壓裝置，對(duì)安全探放水施工具有重要意義。

1 11101運(yùn)輸順槽概況

山西潞安集團(tuán)蒲縣新良友煤業(yè)有限公司11102回風(fēng)順槽地面位置位于工業(yè)廣場(chǎng)、盤(pán)地村以北，山西蒲縣華盛煤業(yè)有限公司以西，陽(yáng)坡以東，地面主要為山丘溝谷地帶。11101運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 200 m，巷道掘進(jìn)煤層為11號(hào)煤層，平均煤厚2.92 m，煤層傾角-12°～0°，整體呈-8°下山掘進(jìn)。煤層頂板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，致密、膠結(jié)較好，隔水性能好；煤層底板巖性為泥巖及砂質(zhì)泥巖，致密、遇水易泥化，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，但隔水性能好。此外，根據(jù)井下已掘巷道實(shí)際情況分析，掘進(jìn)中還可能遇到小型斷層、陷落柱等構(gòu)造，造成局部頂板冒落、底板底鼓等現(xiàn)象。

巷道地面標(biāo)高+1 380～+1 500 m，井下標(biāo)高為+1 265～+1 165 m，不受地表水威脅，底板奧灰水位標(biāo)高750 m，不受底板承壓水威脅。11102回風(fēng)順槽掘進(jìn)過(guò)程中，不存在疑似賦水區(qū)，但可能受到X7推斷陷落柱的影響，存在導(dǎo)通上覆含水層水導(dǎo)致掘進(jìn)工作面涌水增加的可能，局部可能存在頂板淋水。

為了保證巷道安全掘進(jìn)，避免水害事故發(fā)生，決定對(duì)巷道采取探放水施工，工作面迎頭布置3個(gè)探水鉆孔，孔深為100 m、直徑為75 mm，鉆孔孔口采用泥漿進(jìn)行孔口管封固，但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，上覆含水層水壓較大，在前期探放水施工過(guò)程中孔口安裝的傳統(tǒng)防噴裝置在實(shí)際應(yīng)用時(shí)防噴效果差，經(jīng)常出現(xiàn)孔口管?chē)姙R現(xiàn)象，威脅著探放施工安全。

2 孔口安全卸壓裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 孔口卸壓裝置結(jié)構(gòu)組成

1）11101運(yùn)輸順槽探水鉆孔孔口安裝的安全卸壓裝置主要由孔口止水套管、止水套管法蘭盤(pán)、鉆桿單體、孔口安全裝置筒體、孔口安全裝置法蘭盤(pán)、排水控制組件、鉆桿錐形短接、防噴防頂鉆擋環(huán)單體、螺栓固定組件等部分組成，如圖1所示。

圖1 探水鉆孔孔口卸壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2）孔口止水套管一端安裝止水套管法蘭盤(pán)，孔口安全裝置筒體上安裝與止水套管法蘭盤(pán)相匹配的孔口安全裝置法蘭盤(pán)，止水套管法蘭盤(pán)與孔口安全裝置法蘭盤(pán)之間采用螺栓固定組件連接，螺栓固定組件主要由螺栓和螺母組成，止水套管法蘭盤(pán)和孔口安全裝置法蘭盤(pán)上均開(kāi)設(shè)有相對(duì)應(yīng)的螺紋孔，通過(guò)螺栓固定組件可實(shí)現(xiàn)對(duì)止水套管法蘭盤(pán)和孔口安全裝置法蘭盤(pán)的固定連接，且可確保較好的密封效果。

3）孔口安全裝置筒體固定連接在孔口止水套管一端上，孔口安全裝置筒體上開(kāi)設(shè)有第一連接端和第二連接端，其中第二連接端位于孔口安全裝置筒體遠(yuǎn)離孔口止水套管的一端，第一連接端位于孔口安全裝置筒體的側(cè)壁上。

4）鉆桿組件位于孔口止水套管和孔口安全裝置筒體內(nèi)，鉆桿組件的一端貫穿孔口安全裝置筒體，其中鉆桿組件包括多個(gè)依次連接的鉆桿單體，鉆桿錐形短接固定連接在鉆桿組件上，鉆桿錐形短接連接在相鄰兩個(gè)鉆桿單體之間。

5）鉆桿單體兩端分別開(kāi)設(shè)有第一外螺紋和第一內(nèi)螺紋，鉆桿錐形短接的兩端分別開(kāi)設(shè)有第二內(nèi)螺紋和第二外螺紋，第一外螺紋與第二內(nèi)螺紋相匹配，第一內(nèi)螺紋與第二外螺紋相匹配。鉆桿錐形短接可以作為兩個(gè)鉆桿單體之間的連接件，用于將鉆桿單體依次固定連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿組件的延長(zhǎng)。

6）排水控制組件主要由排水管和閥門(mén)等部分組成，通過(guò)控制閥門(mén)的啟閉可實(shí)現(xiàn)排水管的連通與否，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)孔口安全裝置筒體內(nèi)排水的控制。排水控制組件安裝在第一連接端上，排水控制組件能夠控制孔口安全裝置筒體的內(nèi)部是否與外界連通。

7）防噴防頂鉆擋環(huán)安裝在第二連接端上，防噴防頂鉆擋環(huán)與第二連接端之間為螺紋連接，防噴防頂鉆擋環(huán)與鉆桿錐形短接相匹配，即防噴防頂鉆擋環(huán)可以阻擋鉆桿錐形短接因水的高壓而彈射出，從而可阻止鉆桿組件因水的高壓彈射出來(lái)。

2.2 裝置工作原理

1）使用時(shí)首先通過(guò)螺栓固定組件將止水套管法蘭盤(pán)和孔口安全裝置法蘭盤(pán)固定連接，使得孔口安全裝置筒體固定連接在孔口止水套管上。

2）將排水控制組件螺紋連接在第一連接端上，然后打開(kāi)排水控制組件上的閥門(mén)；將一對(duì)防噴防頂鉆擋環(huán)單體組合的防噴防頂鉆擋環(huán)安裝在孔口安全裝置筒體上的第二連接端上。

3）探水鉆孔施工時(shí)一旦鉆孔出現(xiàn)高壓、大流量涌水頂鉆的現(xiàn)象，則鉆桿組件在外出時(shí)，鉆桿錐形短接外移會(huì)被防噴防頂鉆擋環(huán)阻擋，從而起到防頂鉆的目的，同時(shí)鉆桿錐形短接會(huì)封堵住防噴防頂鉆擋環(huán)與鉆桿單體之間的環(huán)形空間，同時(shí)起到防噴的目的。

4）出現(xiàn)頂鉆噴孔后，可通過(guò)排水控制組件上閥門(mén)的開(kāi)閉有序、可控地釋放鉆孔水壓，如果一節(jié)鉆桿單體打完無(wú)頂鉆現(xiàn)象，則卸下防噴防頂鉆擋環(huán)，在新加鉆桿單體中間添加鉆桿錐形短接，再安裝防噴防頂鉆擋環(huán)，繼續(xù)打鉆，以此類(lèi)推。

3 孔口安全卸壓裝置優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用效果

3.1 裝置優(yōu)缺點(diǎn)

1）成本費(fèi)用低：11101運(yùn)輸順槽探水鉆孔安裝的孔口管安全卸壓裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，整體裝置成本費(fèi)用不足0.42萬(wàn)元，費(fèi)用低便于檢修維護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中故障率低。

2）實(shí)用性強(qiáng)：該裝置不僅可應(yīng)用于井下探放水施工中，而且可應(yīng)用于隧道、橋梁等領(lǐng)域中，實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用區(qū)域廣。

3）防噴鉆效果好：該裝置利用錐形短接外移封堵防噴防頂鉆擋環(huán)與鉆桿單體之間的環(huán)形空間，防止水壓頂鉆現(xiàn)象，利用排水控制組件上閥門(mén)進(jìn)行卸壓放水，有效防止因鉆孔大流量出水、急速流動(dòng)的水將鉆具沖出鉆孔的情況，不易導(dǎo)致頂翻鉆機(jī)的情況，可降低安全隱患，提高安全性。

4）但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該裝置還存在一些問(wèn)題，需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，具體表現(xiàn)在以下幾方面：該裝置主要對(duì)接安裝在止水套管上，鉆孔在鉆機(jī)過(guò)程中頻繁更換錐形短接，很容易造成止水套管松動(dòng)；由于在放水卸壓時(shí)，水流中存在大量煤泥，閥門(mén)很容易被堵塞，須定期清理。

3.2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

11101運(yùn)輸順槽共計(jì)布置了12個(gè)探水鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置3個(gè)頂板仰斜探水鉆孔，每隔鉆孔內(nèi)安裝一套孔口安全卸壓裝置，截止2021年4月21日巷道已掘進(jìn)到位，巷道共計(jì)放水1 422 m3，積水平均壓力為0.67 MPa，巷道在后期掘進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象；同時(shí)通過(guò)對(duì)鉆孔安裝卸壓裝置后，在后期放水過(guò)程中共計(jì)發(fā)生8起頂鉆現(xiàn)象，但是未發(fā)生因孔口安全裝置不到位導(dǎo)致孔口噴水的現(xiàn)象，保證了探放水施工安全。