煤礦地質(zhì)探水鉆孔防噴卸壓裝置優(yōu)化改進(jìn)

李光耀

（山西焦煤山煤國際韓家洼煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

在煤礦掘進(jìn)巷道探水孔的施工中，為防止探出積水的壓力過大造成積水噴射而對施工人員和設(shè)備造成損傷的情況，通常會(huì)設(shè)置防噴水裝置，以保護(hù)施工人員的生命安全和施工場地的設(shè)備不受損失；但是現(xiàn)有的防噴水裝置在遇到較大壓力積水噴射時(shí)，通常會(huì)將壓力緩沖轉(zhuǎn)移至與鉆桿連接的鉆機(jī)上，很容易損壞鉆機(jī)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且現(xiàn)有的防噴水裝置大多數(shù)是針對小流量、低水壓的積水，在受到強(qiáng)力沖擊時(shí)容易損壞，缺少有效的支撐固定結(jié)構(gòu)，積水壓力過大時(shí)存在施工人員和施工設(shè)備的安全隱患，對此，韓家洼煤礦為了彌補(bǔ)現(xiàn)有的防噴裝置的不足，決定對防噴裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并在403 運(yùn)輸順槽探放水中進(jìn)行應(yīng)用。

1 韓家洼煤礦403 運(yùn)輸順槽概述

韓家洼煤礦403 運(yùn)輸順槽巷道東部為西盤區(qū)回風(fēng)巷，西部為未開采區(qū)域，北部、南部為2008 年12 月兼并重組前遺留的舊巷。403 運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度為790 m，巷道掘進(jìn)的22 號煤層平均厚度為9.5 m，平均傾角為3°，22 號煤層以老頂為主，直接頂及偽頂不發(fā)育，其頂板結(jié)構(gòu)如下：偽頂巖性為碳質(zhì)泥巖及粉砂巖，平均厚0.3 m；直接頂分布于井田東北部，HB4 號孔見直接頂，以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖為主，其次為泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，厚1.10 m，中厚層狀，膠結(jié)致密，穩(wěn)定性較好；老頂全井田均有分布，巖性為砂礫巖及粗細(xì)砂巖，厚 4.20～26.93 m，一般 4～6 m，穩(wěn)定性好。底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及少量的碳質(zhì)泥巖為主[1-2]。

403 運(yùn)輸順槽井田及鄰區(qū)無地表水體，大氣降水都以地表徑流排出，部分垂直滲透松散地層和側(cè)向補(bǔ)給煤系砂巖含水層。本井田奧灰水位標(biāo)高約為1 169.5 m，403 運(yùn)輸順槽措施巷22 號煤層底板標(biāo)高1 280～1 305 m，煤層位于奧灰水位之上。井田內(nèi)各煤層的開采不受奧灰水的影響。根據(jù)物探發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)區(qū)域共計(jì)由3 處積水異常區(qū)，分別位于240～310 m、470～530 m 以及 650～690 m 段，預(yù)計(jì)積水量為 2 455 m3，截止目前巷道已掘進(jìn)177 m，巷道掘進(jìn)前期頂板出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

2 探放水現(xiàn)狀及問題分析

2.1 探放水現(xiàn)狀

為了防止巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)透水事故，決定對巷道迎頭布置探水鉆孔，每排共計(jì)布置三個(gè)鉆孔，鉆孔深度為100 m，直徑為7 mm，采用ZDY4000L 型履帶式全液壓坑道鉆機(jī)配套直徑為63 mm 中空鉆桿以及直徑為75 mm 鉆頭進(jìn)行鉆孔施工[3-4]。

由于403 運(yùn)輸順槽上覆積水區(qū)水壓大于0.1 MPa，探水施工時(shí)需對孔口安裝卸壓防噴裝置，巷道掘進(jìn)前期探水鉆孔安裝一套防噴裝置，如圖1 所示。該裝置主要由擋環(huán)單體、錐形短接、安全裝置筒體、法蘭盤以及閥門等部分組成；在放水過程中當(dāng)水壓較大時(shí)通過控制閥門使部分水流沿閥門流出，從而達(dá)到卸壓目的。

圖1 鉆水鉆孔原防噴卸壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 問題分析

截至2021 年4 月403 運(yùn)輸順槽已掘進(jìn)240 m，巷道在前期探放水過程中由于水壓相對較大，原探水鉆孔防噴卸壓裝置安裝后在實(shí)際卸壓過程中出現(xiàn)很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：裝置在卸壓過程中高壓水流對閥門沖擊破壞力大，導(dǎo)致閥門松動(dòng)；裝置中擋環(huán)單體為橡膠材質(zhì)，在水壓沖擊作用下出現(xiàn)磨損嚴(yán)重，造成滲水現(xiàn)象等，起不到預(yù)期防噴卸壓作用。

3 探水鉆孔防噴卸壓裝置優(yōu)化改進(jìn)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)探水鉆孔防噴卸壓裝置的不足，韓家洼煤礦通過技術(shù)研究，決定對原卸壓裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用一套新型卸壓防噴裝置。

3.1 優(yōu)化后防噴卸壓裝置結(jié)構(gòu)組成

1）優(yōu)化后的探水鉆孔防噴卸壓裝置主要由孔套管、連接管、法蘭、儲(chǔ)水腔、緩沖腔、排水管、截止閥、鋼板、通孔、連接筋、軸承、凹型卡肩、密封圈、卡蓋、固定凸塊等部分組成，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后探水鉆孔防噴卸壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2）孔套管與連接管之間采用法蘭固定連接，法蘭內(nèi)安裝密封膠圈，從而保證裝置的密封防水性，同時(shí)連接管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)連接有鉆桿，同時(shí)鉆桿從連接管延伸至孔套管，另一端與鉆機(jī)連接。

3）連接管位于孔套管的一側(cè)布置儲(chǔ)水腔和緩沖腔，儲(chǔ)水腔主要用于暫時(shí)存儲(chǔ)積水，緩沖腔用于將積水的壓力緩沖給連接管，儲(chǔ)水腔底部安裝一根排水管，并在排水管上設(shè)有截止閥，用于控制排水的通斷。連接管靠近緩沖腔一側(cè)安裝一個(gè)密封防水裝置，保證積水到達(dá)緩沖腔之后不會(huì)繼續(xù)流到連接管內(nèi)，保護(hù)連接管后方鉆機(jī)和工作人員的安全[5]。

4）連接管的外側(cè)安裝多塊鋼板，鋼板采用螺栓連接在連接管外側(cè)上，鋼板為左寬右窄的梯形板，梯形結(jié)構(gòu)可以有效地將壓力緩沖分散，兩個(gè)鋼板之間安裝一個(gè)法蘭，鋼板采用錨桿（索）固定在巷道圍巖上，使裝置的穩(wěn)定性和安全性更高，保護(hù)鉆機(jī)和施工人員的安全。

5）鋼板上布置多個(gè)通孔，通孔圓形陣列在鋼板上，鋼板上的通孔之間設(shè)安裝連接筋進(jìn)行固定，再通過錨索將裝置固定在圍巖上，在有高壓積水噴射時(shí)，可以將壓力緩沖給連接管，進(jìn)而通過鋼板、連接筋、錨索傳遞給巷道圍巖上，提高了裝置耐高壓沖擊的能力，提高了裝置的安全性。

6）密封防水裝置主要由軸承、凹型卡肩、密封圈、卡蓋、固定凸塊等部分組成，凹型卡肩固定在連接管內(nèi)壁上，凹型卡肩凹陷處成弧形，軸承外側(cè)固定在凹型卡肩凹陷處。

7）鉆桿通過軸承與凹型卡肩轉(zhuǎn)動(dòng)連接，密封圈用于防止積水的流通和滲透安裝在凹型卡肩朝向緩沖腔的一側(cè)；卡蓋共計(jì)兩個(gè)，其中一個(gè)焊接在凹型卡肩的另外一側(cè)，另外一個(gè)固定在密封圈緩沖腔的一側(cè)，用于防止積水流通和固定凹型卡肩。

3.2 裝置工作原理

當(dāng)有高壓積水噴出時(shí)，通過孔套管進(jìn)入連接管的儲(chǔ)水腔和緩沖腔內(nèi)，被密封防水裝置所阻斷，防止其噴出鉆孔后損傷工作人員和施工設(shè)施，通過緩沖腔將高壓積水的沖擊力大部分轉(zhuǎn)移給鋼板，鋼板固定在巷道的基巖上，增強(qiáng)了裝置的緩沖能力和安全性，小部分沖擊力通過鉆桿傳遞給鉆機(jī)，減少了鉆機(jī)承受的沖擊力，防止鉆桿和鉆機(jī)因高壓沖擊損壞而影響施工人員的人身安全和施工進(jìn)度，相比于現(xiàn)有的防噴水裝置，有效地保護(hù)了鉆機(jī)的安全，避免了較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)增強(qiáng)了防噴水裝置本身的牢固性，裝置安裝和固定方便，適于多種巷道使用。

4 結(jié)語

403 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至240 m 處時(shí)開始對探水鉆孔防噴卸壓裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，截至2021 年7 月巷道已掘進(jìn)到位，巷道在后期掘進(jìn)期間共計(jì)布置15 個(gè)探水鉆孔，通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，優(yōu)化后鉆孔防噴卸壓裝置在應(yīng)用時(shí)穩(wěn)定性好、卸壓效果好，探放水施工過程中未出現(xiàn)因水壓大導(dǎo)致卸壓不到位，造成孔口涌水、孔口設(shè)備損壞現(xiàn)象，保證了巷道探放水施工安全，取得了顯著應(yīng)成效。