瓦斯防噴綜合裝置在沙曲二號煤礦的研究應(yīng)用

常森彪

(華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲二號煤礦， 山西 呂梁 033000)

礦井施鉆過程中所產(chǎn)生的瓦斯噴孔現(xiàn)象是高壓瓦斯、集中應(yīng)力、煤質(zhì)較軟等因素共同作用的結(jié)果，噴孔時間由幾分鐘到幾十分鐘不等，并且在鉆進過程中會多次出現(xiàn)，甚至造成瓦斯超限事故，嚴重影響施鉆進度與人員安全[1]. 目前，許多礦井均采用具有瓦斯收集、防噴功能的孔口防噴裝置來確保安全施工，諸如河南孟津煤礦的水力沖孔防噴裝置、重慶研究院瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室研究的常閉式煤礦鉆孔防噴裝置、雙柳礦千米鉆孔打鉆防噴裝置、劉橋一礦多功能井下鉆孔防噴裝置[2-8]，這些裝置的現(xiàn)場應(yīng)用降低了噴孔產(chǎn)生的危險，增加了現(xiàn)場安全作業(yè)系數(shù)，但是這些裝置仍有不足，無法實現(xiàn)及時預(yù)警，連續(xù)負壓放水。

沙曲二號煤礦主采的4#、5#煤層均具有突出危險性。4#煤層平均厚度2.98 m，瓦斯含量10.89 m3/t·f，最大瓦斯壓力1.57 MPa，最小堅固性系數(shù)0.73，煤層透氣性系數(shù)3.524～3.785 m2/MPa2·d；5#煤層平均厚度2.73 m，瓦斯含量12.08 m3/t·f，最大瓦斯壓力1.49 MPa，最小堅固性系數(shù)0.36，煤層透氣性系數(shù)1.99～2.23 m2/MPa2·d. 2017年5月在三采區(qū)3#底抽巷施鉆過程中發(fā)生瓦斯噴孔現(xiàn)象，造成工作面T1瓦斯傳感器極值4.00%，回風(fēng)T2瓦斯傳感器極值3.70%. 瓦斯涌出量大約710 m3，噴出煤量約6.5 t. 為消除礦井施鉆過程中的安全隱患，提高施鉆效率，研制了新型瓦斯防噴綜合裝置，該裝置除具有以往防噴裝置所具有的瓦斯收集、防噴功能外，還具有多重卸壓、預(yù)警、不中斷負壓放水的功能，對減少瓦斯超限事故、保障施鉆人員安全和提高施鉆效率起到關(guān)鍵作用。

1 瓦斯防噴綜合裝置原理及結(jié)構(gòu)

瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)主要由護孔套管、孔口四通、密封管、瓦斯防噴柔性囊袋、正壓預(yù)警器、氣動雙層放水器及氣水渣分離器7部分組成，每個裝置是獨立的，各裝置之間通過4英寸埋線管連接，相互作用、相互影響形成一個瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)。瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)現(xiàn)場布置見圖1.

當施鉆過程中發(fā)生瓦斯噴孔現(xiàn)象時，孔內(nèi)高壓瓦斯、大量塊狀煤渣以及返水噴涌進入孔口四通，此時孔內(nèi)一部分高壓瓦斯經(jīng)位于孔口四通上部連接的瓦斯防噴柔性氣囊緩沖卸壓后進入一號氣水渣分離器。大部分煤渣、水和一部分高壓瓦斯經(jīng)孔口四通下端口進入一號氣水渣分離器，在負壓的作用下大量瓦斯進入瓦斯抽采管道，大量返水進入雙層放水器中被排除，一部分煤渣從一號氣水渣分離器排渣口排除，少量煤渣、水、高壓瓦斯進入二號氣水渣分離器再一次進行排渣、排水、卸壓，最后進入三號氣水渣分離器，高壓瓦斯動力被完全釋放，有效解決了瓦斯動力沖擊、高壓瓦斯逸散、大量煤渣堵塞氣水渣分離器的問題，避免了瓦斯超限事故的發(fā)生。

1—煤壁 2—鉆桿 3—護孔套管 4—孔口四通 5—密封管 6—密封管與鉆桿之間充填的盤根 7—瓦斯防噴柔性囊袋 8—氣水渣分離器 9—正壓預(yù)警器 10—氣動雙層放水器 11—接入瓦斯抽采管道處 12—閥門圖1 瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖

1) 護孔套管。

護孔套管規(guī)格為d200 mm PVC管，采用“兩堵一注排水排氣”囊袋式封孔方法。護孔套管目的在于避免施鉆處煤體松動圈范圍內(nèi)的垮孔與漏氣現(xiàn)象，同時在護孔套擴口側(cè)加設(shè)法蘭盤與膠墊以便與孔口四通進行連接。定向鉆孔開孔采用d203 mm鉆頭開孔，鉆進12 m后，下入6英寸PVC管4根，每根PVC管長3 m，且PVC管加套法蘭盤的母頭朝外，孔口端采用聚氨酯封堵，并留置注漿管，封堵完畢后，從注漿管使用注漿泵注入瓦斯抽采鉆孔專用封孔材料。為保證護孔套管不被噴出，孔口段用細鋼絲繩或雙股8#鐵絲牢固連接到孔口預(yù)先錨固的錨桿上。

2) 孔口四通。

孔口四通內(nèi)部有一鉆桿通道，示意圖見圖2，孔口四通采用d320 mm鋼管制成，上端口與一號氣水渣分離器上部閘口、瓦斯防噴柔性囊袋連接，將收集瓦斯經(jīng)一號氣水渣分離器及其他部件進入瓦斯抽采管道；下端口與一號氣水渣分離器中部閘口連接，排除鉆渣、孔內(nèi)返水；前端口與護孔套管連接，將孔內(nèi)瓦斯進行收集；后端口與密封管一端的法蘭盤、膠墊連接，把孔內(nèi)返水、返渣與瓦斯進行初步分離，起到將孔內(nèi)瞬間涌出的高壓瓦斯進行收集、緩沖瓦斯壓力的作用。

圖2 孔口四通示意圖

3) 密封管。

密封管由d92 mm且兩端帶有法蘭盤鋼管與堵蓋組成，密封管一端與孔口四通后端連接，鉆桿穿過密封管、堵蓋后，密封管與鉆桿間的縫隙用盤根纏繞充填，然后再將密封管與堵蓋用螺絲緊固，起到防止孔內(nèi)瓦斯從四通口與鉆桿間的縫隙溢出作用。

4) 瓦斯防噴柔性囊袋。

瓦斯防噴柔性囊袋是具有抗承高壓且密封性較高的帆布囊袋，d1 m，長度3 m. 囊袋材質(zhì)為內(nèi)側(cè)具有密封涂層效果的帆布，囊袋體各條鎖壓邊和縫合處均進行了加固縫合，確保囊袋容積能夠有效抗承高壓氣體及高壓水渣的沖擊。進出口分別反壓直徑為4英寸鐵質(zhì)法蘭盤與d219 mm的鐵質(zhì)法蘭盤，囊袋頂?shù)撞坎贾糜?個吊環(huán)，便于吊掛，見圖3. 當孔內(nèi)高壓瓦斯進入孔口四通瞬間噴出時，瓦斯防噴柔性囊袋瞬間鼓起，起到緩沖高壓瓦斯的作用。

圖3 瓦斯防噴柔性囊袋示意圖

5) 正壓預(yù)警器。

正壓預(yù)警器采用普通的鐵質(zhì)口哨，加裝于一號氣水渣分離器與抽放管道連接的埋線管上，當埋線管內(nèi)有正壓瓦斯涌出時，正壓瓦斯將口哨吹響，及時發(fā)出預(yù)警信號，方便現(xiàn)場作業(yè)人員及時調(diào)整管道負壓控制閘閥或放水排渣疏通負壓管道,起到超前預(yù)警的作用。

6) 氣動雙層放水器。

氣動雙層放水器分為上層放水器與下層放水器，并安設(shè)有風(fēng)動控制閥門，如圖4所示，上層放水器共有6個4英寸端口，分別與抽放主管、孔口四通、氣水分離器、孔口后抽操作閥門連接，下部2個端口與下層放水器連接。下層放水器上部有2個進水口，1個配氣口，在其一側(cè)有1個排水口。當水與瓦斯全部進入雙層放水器上層內(nèi)，水通過放水器中間閥門流入到下層放水器內(nèi)，瓦斯經(jīng)過上層放水器抽走，當下層放水器內(nèi)的水積滿后，安裝在下層放水器一側(cè)的感應(yīng)器向氣控箱傳出信號，將放水器中間的隔斷閥門關(guān)閉，打開下層放水器的配氣閥門、排水閥門，將水從放水器內(nèi)排出。當放水器內(nèi)的水排完后，通過感應(yīng)器傳遞給氣控閥們，將下層放水器上的排水閥門、配氣閥門關(guān)閉，打開放水器中間的隔斷閥門，起到不中斷負壓或不卸壓放水的作用。

圖4 雙層放水器實物圖

7) 氣水渣分離器。

氣水渣分離器為由3 mm鋼板焊接而成的1 m3矩形結(jié)構(gòu)，上部有2～3個4英寸端口，用于與其他防噴設(shè)施以及瓦斯抽放管道連接，左右兩側(cè)均有1個4英寸端口用于與防噴系統(tǒng)連接，下部一側(cè)有1個4英寸端口安設(shè)閘閥用于及時排水放渣。該防噴裝置中將3個氣水渣分離器串連使用，均使用4英寸埋線管連接且每個氣水渣分離器上端均連接1趟4英寸埋線管帶入主負壓管道，分別與孔口四通、瓦斯防噴柔性囊袋、雙層放水器、瓦斯抽采管道連接，將孔口四通中排出的煤渣、瓦斯、水混合物進行收集與分離，同時對孔內(nèi)瞬間涌出的高壓瓦斯作用力形成二次緩釋作用。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

該瓦斯防噴綜合裝置在沙曲二礦四采區(qū)1#底抽巷施工上部4#煤、5#煤區(qū)域預(yù)抽鉆孔時進行了應(yīng)用，四采區(qū)1#底抽巷設(shè)計鉆孔30個，單孔孔深702 m，孔徑120 mm,終孔間距18 m. 布置1臺由陜西太合智能鉆探公司生產(chǎn)的ZYL-17000D型鉆機與1臺西安煤科院生產(chǎn)的ZDY-12000LD型鉆機共同施工完成，均配備了瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)。為驗證使用效果，專門選取了四采區(qū)1#底抽巷1#與12#孔施工時的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控數(shù)據(jù)、日施鉆進度進行了對比分析，見表1，其中1#與12#鉆孔施工過程中均發(fā)生頻繁噴孔現(xiàn)象且1#孔施工時未使用該型防噴裝置。

表1 瓦斯防噴綜合裝置系統(tǒng)使用前后對比表

通過表1可知，施鉆進度由原來的180 m/d增加到270 m/d，鉆孔鉆進效率比原來提高了50%；當發(fā)生噴孔時，未使用該防噴裝置前，下風(fēng)側(cè)15 m處的瓦斯傳感器顯示濃度平均為0.56%，使用該防噴裝置后，下風(fēng)側(cè)瓦斯傳感器顯示濃度平均為0.33%，單孔最大純量達到0.86 m3/min，有效控制了施鉆過程中瓦斯超限事故的發(fā)生。

3 瓦斯防噴綜合裝置特點

新研制的瓦斯防噴綜合裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；可重復(fù)使用，損壞率低；瓦斯壓力多級緩沖且容量大，在瓦斯噴孔瞬間，瓦斯防噴柔性囊袋瞬間鼓起及時緩沖孔口瓦斯噴沖壓力；風(fēng)動雙層放水器及時動作將孔內(nèi)涌水及時排除，實現(xiàn)不卸壓條件放水，避免了孔口涌水被高負壓吸入瓦斯抽采管道，造成瓦斯抽采管道內(nèi)積水堵塞，抗瓦斯噴孔能力增強。

此防噴裝置所占空間較大，使用埋線管較多且均為4英寸規(guī)格，需抽采管道預(yù)留多個三通，當其中一根埋線管受損需更換時，受巷道空間的限制，容易發(fā)生負壓中斷或減小而造成瓦斯超限事故的發(fā)生。同時由于連接部位基本采用螺栓連接，連接整套防噴裝置用工耗時較長。這些不足給現(xiàn)場安裝使用帶來不便。

4 結(jié) 語

沙曲二號煤礦采用該系統(tǒng)后，有效遏制了因瓦斯噴孔造成的瓦斯預(yù)警、瓦斯超限的事故。施鉆效率明顯提升，在同等孔深條件下單孔施工時間比原來減少2 d，且能夠有效應(yīng)對瓦斯噴出量較小或較大的突變，實現(xiàn)了2018年全年瓦斯零超限的安全目標。目前，正在所有打鉆地點推廣使用該瓦斯防噴綜合裝置。在使用時應(yīng)注意，當使用刻槽鉆桿施鉆時，密封管內(nèi)加裝的盤根磨損生粉末狀，失去密封效果，應(yīng)盡量減少刻槽鉆桿旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，及時更換密封管內(nèi)盤根。同時該裝置中瓦斯防噴口哨在孔內(nèi)負壓的作用下存在吸空現(xiàn)象，還需進一步優(yōu)化改進。