穿層鉆孔瓦斯防噴孔裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

單龍輝

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

煤與瓦斯突出礦井中最常用的區(qū)域瓦斯治理措施是施工穿層鉆孔和順層條帶鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。穿層鉆孔為實(shí)現(xiàn)煤層增透卸壓，由巖層進(jìn)入煤層后會(huì)配合使用高壓水力沖孔，或孔內(nèi)水力割逢等措施提高瓦斯抽采效率；順層條帶鉆孔一般布置在煤巷當(dāng)中，根據(jù)煤層厚度賦存情況沿待回采煤層方向施工抽采鉆孔，將煤層沿水平和垂直等多個(gè)方向進(jìn)行切塊劃分，以此提升瓦斯抽采量，達(dá)到理想治理效果[1-5]。但在鉆孔施工過程中，受到瓦斯壓力和煤厚分布不均、地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，施工至瓦斯積聚區(qū)域時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯噴孔現(xiàn)象，當(dāng)持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，易引發(fā)瓦斯探頭報(bào)警和斷電等事故，存在較大安全隱患[5-8]。因此，通過優(yōu)化孔口防噴孔裝置，實(shí)現(xiàn)氣-水-渣等打鉆產(chǎn)物的有效分離，起到防范瓦斯超限的治理效果。

1 工作面概況

義安礦業(yè)有限公司隸屬于河南能源化工集團(tuán)，礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)量1.2 Mt/a，屬煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)條件中等。井田范圍內(nèi)主要含煤地層有二1煤層和二2煤層，二2煤層厚度僅為0.2～0.5 m，不具有可采價(jià)值，因此，礦井主采二1煤層，煤層厚度為3.4～4.7 m，平均煤厚4.1 m。11040工作面位于礦井東翼11采區(qū)以北，工作面北部為井田邊界線，南部緊鄰11060工作面，東翼為11采區(qū)三條上山，西翼為未開采煤層，11040上巷底抽巷位于11040工作面上巷底板下8～10 m厚的泥巖中，便于施工穿層瓦斯治理鉆孔。11040工作面沿走向布置，煤層傾角為3°～12°，平均5°，二1煤層含有1～2層夾矸，多為炭質(zhì)泥巖，局部含有黃褐色硫鐵礦結(jié)核，質(zhì)地堅(jiān)硬。煤層原始瓦斯含量為6.75～14.52 m3/t，礦井瓦斯絕對(duì)瓦斯涌出量28.10 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量11.40 m3/t，二1煤層瓦斯放散初速度Δp為15.17 mL/s，堅(jiān)固性系數(shù)f為0.19，突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)K為79.84。工作面布置示意如圖1所示。

圖1 11040工作面上巷及底抽巷布置示意圖Fig. 1 Layout diagram of roadway and bottom pumping roadway on 11040 working face

2 穿層鉆孔施工設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔布置

按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》與《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定[9-12]，以11040工作面上巷底抽巷為例設(shè)計(jì)穿層鉆孔，鉆孔終孔控制上巷兩幫輪廓線外15 m范圍，經(jīng)過初期試驗(yàn)測定瓦斯抽采半徑為2.0～2.3 m，設(shè)計(jì)鉆孔施工間排距為4500 mm×4000 mm，終孔控制在穿過煤層頂板后法距0.5～1.0 m高度，以確保頂板留有足夠的瓦斯裂隙容納空間，每排設(shè)計(jì)鉆孔9個(gè)。鉆孔設(shè)計(jì)布置如圖2所示。

圖2 底抽巷穿層鉆孔施工斷面布置Fig. 2 Section layout of cross-seam drilling construction in bottom pumping roadway

2.2 鉆孔施工現(xiàn)狀與臺(tái)效問題分析

2.2.1 鉆孔施工現(xiàn)狀

根據(jù)巷道空間限制及鉆孔角度設(shè)計(jì)等施工條件，選擇使用ZDY3200S型全液壓坑道鉆機(jī)進(jìn)行施工，單根鉆桿規(guī)格為Φ73 mm×1000 mm，配合使用Φ94 mm三翼或四翼合金鉆頭，為便于成孔后連管抽放，在底抽巷左幫肩窩處，遠(yuǎn)離11040上巷一側(cè)吊掛安裝一趟Φ315 mm×4000 mm的抽采管路，利用分支管路與總管路相連接，實(shí)現(xiàn)鉆孔瓦斯抽采。經(jīng)過礦井工作面接替排序和年度瓦斯防治打鉆計(jì)劃的排定，現(xiàn)有條件下要求鉆機(jī)每月臺(tái)效需完成1600～1700 m工程量，而實(shí)際單臺(tái)鉆機(jī)每月進(jìn)尺僅能達(dá)到1430 m左右，實(shí)際差距較大，嚴(yán)重制約瓦斯治理進(jìn)度。

2.2.2 鉆機(jī)臺(tái)效分析

1）沖孔煤量制約因素。穿層鉆孔施工時(shí)采用水力打鉆，利用高壓水上行施工將孔內(nèi)煤巖粉沖出，避免堵塞鉆孔出現(xiàn)卡鉆，當(dāng)鉆桿穿煤、過煤期間，尤其過厚煤區(qū)，沖孔煤量較大，而單機(jī)配備人員僅有2～3人，需要完成打鉆、清煤、排水、接續(xù)鉆桿等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，最多時(shí)單孔沖出煤量多達(dá)7 t，嚴(yán)重影響打鉆速度。

2）瓦斯噴孔影響。在厚煤區(qū)、構(gòu)造帶和應(yīng)力集中區(qū)域施工鉆孔時(shí)，瓦斯壓力大，導(dǎo)致快見煤時(shí)出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，瓦斯擴(kuò)散速度快、影響范圍廣，導(dǎo)致探頭出現(xiàn)報(bào)警和超限事故風(fēng)險(xiǎn)增大，瓦斯電閉鎖致使設(shè)備斷電，影響鉆機(jī)施工[13-15]。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，因瓦斯噴孔致使斷電影響時(shí)間每月高達(dá)2.5～3.0 h/班。

3）鉆頭磨損消耗。由底抽巷向上方煤巷施工穿層鉆孔期間，需要穿過底板泥巖層，見煤期間可能遇見夾矸和硫鐵礦結(jié)核等干擾影響，對(duì)鉆頭、鉆桿磨損消耗較大，一旦出現(xiàn)卡鉆和斷鉆桿等現(xiàn)象，或是鉆頭磨損需要更換時(shí)，都需要重新退鉆更換材料后再套孔施工，嚴(yán)重制約打鉆進(jìn)度。

4）在用的防噴孔裝置無法有效分離水和渣，噴出的煤巖渣常堵塞排渣口，臨時(shí)集氣箱可提供的負(fù)壓有限，當(dāng)瓦斯噴出壓力超過抽采負(fù)壓時(shí)，仍會(huì)有大量瓦斯進(jìn)入巷道回風(fēng)流造成超限；在鉆機(jī)人員配置有限時(shí)，因防噴裝置不能實(shí)現(xiàn)功能有效集成，導(dǎo)致接續(xù)鉆桿、看護(hù)探頭、清理廢渣和排水等工序不能兼顧，降低人員工效。

3 孔口防噴裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 孔口防噴技術(shù)

為避免打鉆過程中瓦斯噴孔造成積聚超限事故發(fā)生，在施工地點(diǎn)孔口回風(fēng)流3 m處沿頂板吊掛CH4便攜儀、CO便攜儀和H2S便攜儀，隨時(shí)監(jiān)控孔內(nèi)異常氣體的濃度變化情況，同時(shí)在回風(fēng)流下風(fēng)側(cè)15 m范圍內(nèi)吊掛甲烷傳感器，通過兩種不同設(shè)備對(duì)瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行校正分析。在鉆進(jìn)期間確保鉆機(jī)勻速施工，在預(yù)計(jì)見煤時(shí)降低給進(jìn)壓力，調(diào)減轉(zhuǎn)速，避免瓦斯通過裂隙向外釋放壓力造成噴孔；當(dāng)出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、響煤炮時(shí)應(yīng)停鉆，或者緩慢鉆進(jìn)，此時(shí)孔內(nèi)的瓦斯負(fù)壓過大，鉆孔排屑不暢通，可能導(dǎo)致鉆桿無法拔出，此時(shí)，可加大供風(fēng)量向外退鉆倒轉(zhuǎn)將煤粉排出，打鉆期間注意觀察排粉量及鉆機(jī)系統(tǒng)壓力等參數(shù)情況。

3.2 水-氣-渣分離裝置

根據(jù)打鉆期間產(chǎn)生的廢水、廢渣和瓦斯氣體等伴生物，經(jīng)過瓦斯壓力特點(diǎn)分析等，結(jié)合施工現(xiàn)場的場地要求，優(yōu)化孔口防噴裝置，實(shí)現(xiàn)打鉆過程中的氣-水-渣有效分離，通過密閉空間的固定通道將產(chǎn)生的瓦斯氣體經(jīng)過抽放支管連接入抽放管路中，廢水則通過過濾裝置單獨(dú)排入泵坑，而煤巖粉等廢渣通過氣渣分離箱的隔離過濾，產(chǎn)生可回收的渣粉。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 孔口防噴裝置結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of blowout preventer

3.3 孔口防噴集氣裝置

穿層鉆孔施工時(shí)依靠正向壓力的風(fēng)與水進(jìn)行排氣、排渣，當(dāng)進(jìn)入煤層鉆進(jìn)時(shí)，煤體內(nèi)釋放的瓦斯不溶于水，會(huì)沿著孔壁向外噴涌而出，混合進(jìn)入巷道回風(fēng)流中，當(dāng)濃度瞬時(shí)增高時(shí)將會(huì)導(dǎo)致瓦斯探頭報(bào)警斷電，影響正常鉆進(jìn)。因此，通過加工封閉套筒送風(fēng)裝置，當(dāng)供風(fēng)壓力大于孔內(nèi)瓦斯壓力時(shí)，形成正壓供風(fēng)，抑制瓦斯向外涌出，確?？卓谕咚固幱谳^低濃度的安全狀態(tài)；在掐接鉆桿時(shí)，需要采取停風(fēng)、停水的操作，此時(shí)孔內(nèi)瓦斯壓力大于供風(fēng)壓力向外涌出，但受到送風(fēng)器的密閉空間限制，瓦斯儲(chǔ)存在送風(fēng)器內(nèi)不會(huì)外泄進(jìn)入巷道回風(fēng)流系統(tǒng)中，此時(shí)供風(fēng)壓力接近為零，但送風(fēng)口的三通裝置一是連接供風(fēng)管路，另一頭連接抽采管路支管，此時(shí)，抽采管路利用抽采負(fù)壓將送風(fēng)器內(nèi)積存的瓦斯進(jìn)行抽離，實(shí)現(xiàn)完整抽采回路，以此降低巷道回風(fēng)流瓦斯逸散濃度。送風(fēng)器裝置連接示意如圖4所示。

圖4 送風(fēng)器裝置連接示意圖Fig. 4 Schematic diagram of air supply device connection

3.4 防止延時(shí)噴孔技術(shù)措施

當(dāng)施鉆期間孔內(nèi)煤巖粉排粉不及時(shí)造成局部氣體通道堵塞，會(huì)形成由此段向孔底段的瓦斯積聚氣室，或是見煤段發(fā)生塌孔堵塞孔壁，在接換鉆桿和退鉆時(shí)，原堵塞段孔洞被疏通，形成正常的排氣、排渣通道，氣室內(nèi)積聚的大量瓦斯氣體被瞬間卸壓釋放產(chǎn)生延時(shí)噴孔現(xiàn)象，根據(jù)積聚氣量的多少可能出現(xiàn)連續(xù)和間斷性的噴孔，產(chǎn)生一定的滯后性。防止延時(shí)噴孔的技術(shù)措施主要包括以下幾個(gè)方面。

1）在確定好鉆孔施工傾角、方位，開孔1 m后，必須安裝使用送風(fēng)器和密閉式孔口防噴裝置全套系統(tǒng)，連接好抽放管路，確認(rèn)抽采負(fù)壓合格后才可重新開鉆施工，直到成孔完成，連管注漿封孔抽采后，才可將系統(tǒng)裝置拆除。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)傾角預(yù)計(jì)到達(dá)煤巖結(jié)合面時(shí)，需要調(diào)減系統(tǒng)壓力和轉(zhuǎn)速，配合低壓慢轉(zhuǎn)進(jìn)入煤層，避免由質(zhì)地堅(jiān)硬的泥巖層進(jìn)入松軟煤層時(shí)，壓力過大導(dǎo)致鉆桿方位路徑偏移，影響成孔質(zhì)量和封孔抽采效果。

3）鉆進(jìn)期間認(rèn)真觀察孔內(nèi)反風(fēng)、排渣效果，出現(xiàn)風(fēng)量不足和排渣不暢時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，繼續(xù)供水供風(fēng)，保持鉆桿空轉(zhuǎn)，同時(shí)通過抽采支管上的孔板流量裝置和除塵效果觀察孔，利用瓦斯便攜儀進(jìn)行測量，觀察瓦斯?jié)舛茸兓闆r，進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

4）打鉆期間隨時(shí)觀察頂板下方懸掛的瓦斯便攜儀和甲烷傳感器，若顯示數(shù)值有升高趨勢時(shí)，或者比停鉆狀態(tài)下靜置濃度異常升高0.2%，立即停止鉆進(jìn)，正常供風(fēng)、供水，保持鉆桿空轉(zhuǎn)5～10 min，利用壓風(fēng)稀釋孔內(nèi)瓦斯，直到降低至正常值，若濃度仍然處于高位，則延長供風(fēng)空轉(zhuǎn)時(shí)間，連管繼續(xù)抽采。

5）鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度成孔后，及時(shí)退鉆，將孔內(nèi)粉渣排凈，鉆桿退完暫時(shí)不拆除孔口裝置，保持送風(fēng)器三通口正常抽采，待30 min后關(guān)閉三通口處抽采管路支管閥門，利用便攜儀測量孔口瓦斯?jié)舛?，若濃度較低則可拆除孔口防噴裝置，立即注漿封孔，連管抽采；若濃度仍然較高，則延長抽采時(shí)間，隨后注漿封孔。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 影響時(shí)間與臺(tái)效

采取防噴裝置和措施前，鉆機(jī)單臺(tái)效率僅為每月1430 m，受制瓦斯超限斷電影響，每班平均影響時(shí)長2.5～3.0 h，經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化和裝置改進(jìn)后，采取密閉式操作空間，打鉆全程依靠抽采管路負(fù)壓和供風(fēng)壓力抑制瓦斯動(dòng)力涌出，創(chuàng)造安全施工環(huán)境，每月單臺(tái)進(jìn)尺可完成2000～2100 m，最高單臺(tái)效率記錄可達(dá)到每月2273 m，瓦斯斷電故障影響時(shí)間控制在0.5～1.0 h之間，確保了采掘接替瓦斯治理工程的有序開展。

4.2 回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/h3>

經(jīng)過防噴裝置改進(jìn)，距離鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)回風(fēng)流的甲烷傳感器瓦斯?jié)舛扔勺畲笾?.21%下降至0.34%～0.37%，回風(fēng)巷?；乜谔幫咚?jié)舛染S持在0.22%～0.25%，在發(fā)生噴孔的情況下，未出現(xiàn)巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬邔?dǎo)致的報(bào)警超限事故。

4.3 瓦斯抽采濃度

以11040上巷底抽巷3#鉆機(jī)使用孔口防噴裝置效果進(jìn)行說明，打鉆區(qū)域內(nèi)的瓦斯抽采濃度變化和流量變化如圖5所示。由圖5可知，以相鄰施工區(qū)段不同抽采管路支管上的12-1孔和14-3孔為例，12-1孔見煤長度2.9 m，14-3孔見煤長度3.8 m，兩孔施工約4 h后支管孔板裝置檢測到瓦斯?jié)舛群土髁浚S著見煤繼續(xù)施工，流量和濃度指標(biāo)不斷升高，最終12-1孔抽采流量達(dá)到103 m3/min，濃度達(dá)0.81%；14-3孔抽采流量達(dá)到234 m3/min，濃度達(dá)1.46%。經(jīng)過孔口防噴裝置使用，抽采管路瓦斯流量和濃度得到大幅提升，減少向巷道回風(fēng)流中的涌入量。

圖5 抽采濃度與流量對(duì)比變化Fig. 5 Comparison of extraction concentration and flow rate

5 結(jié)論

1）通過穿層鉆孔防噴孔技術(shù)研究，對(duì)孔口防噴裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將送風(fēng)器和孔口鉆桿連接處改為密封設(shè)計(jì)，有效避免噴出瓦斯逸散進(jìn)入巷道回風(fēng)流導(dǎo)致甲烷傳感器發(fā)生的報(bào)警事故。

2）將防噴孔裝置與巷幫抽采管路相連接，利用抽放負(fù)壓將打鉆過程中產(chǎn)生的瓦斯氣體直抽進(jìn)入密封管路內(nèi)，通過主動(dòng)抽采防止瓦斯噴孔造成的超限事故，將鉆機(jī)附近回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.34%～0.37%的安全區(qū)間，減少因瓦斯斷電造成的時(shí)間影響，控制影響時(shí)間在0.5～1.0 h。

3）采取防噴孔裝置措施后，營造良好的施鉆環(huán)境，提高施工安全性，將鉆機(jī)臺(tái)效由每月1430 m提升到每月2100 m，有效確保了采掘接替瓦斯治理工程的快速高效施工。