强突煤层“孔突”防治技术探讨

耿全利

摘 要：本文分析了强突煤层打钻过程中的“孔突”现象及其防治措施。“孔突”作为打钻喷孔的一种特殊形式，其喷孔动力现象巨烈，瞬间喷出大量煤与瓦斯，其危害性较一般喷孔严重，且防治难度大。只有从“孔突”发生理机入手，由被动防喷转变成主动控喷即通过全程煤壁护孔技术减少穿煤期间煤壁垮落而造成应力集中和瓦斯加速解吸，从而实现控喷。

关键词：强突煤层；孔突；煤壁全程护孔

0 引言

谢一矿-840mC13底板巷实测C13煤层瓦斯压力4.2MPa，瓦斯含量10m3/t，坚固性系数f=0.28～0.14、放散初速度Δp=8～13、突出危险性综合指标K=48.86～85.71，属强突煤层，煤尘具有爆炸性。此巷道作为513（3）保护层开采区瓦斯治理专用巷，采用（10m×10m）网格式布置方式施工穿层钻孔。经现场勘察，煤粉沿下风侧抛撒长度约40m，厚度10～200mm，喷出煤量约18t。根据-817m北翼总回风石门探头T变化情况，经测算，喷出瓦斯量4243m3，属“孔突”现象，即由于钻孔扰动破坏原煤应力平衡，在高压游离瓦斯共同作用下，使破碎的煤体及瓦斯瞬间喷出，是喷孔一个极端表现形式。如何从被动防喷到主动性控喷来解决“孔突”事故进行探讨。

1 “孔突”现象分析

1.1 “孔突”易发生在地质构造成带附近： 2008-2011年间，勘探工程处井下各工区打钻共发生喷孔105起，从54起可以查到钻孔相关地质资料来看，51起施工地点处于地质构造带内，占94%。因此可以通过实例说明，钻孔喷孔的决定性因素是由钻孔施工地点地质构造发育情况引起的，有了这样的结论，我们即可通过对地质构造的精细控制，采取针对性的“防喷、控喷”措施。

淮南矿区地质异常区主要以断层、煤层变薄带、陷落柱、褶皱带等影响为主，钻孔施工时因其处于构造的位置不同，对煤层内瓦斯的吸附、解吸、流动形成不同的影响。根据钻孔所处的构造位置可以分为穿透断层、断层附近、薄煤带、褶皱带。

①穿透断层。在断层面两侧瓦斯富集，钻孔钻进穿过断层面时，瓦斯气体通过钻孔形成的通道异常涌出形成钻孔喷孔。

②断层附近。在断层面附近，煤岩体较为破碎，形成瓦斯储藏空间，当钻孔钻进至该范围内，形成新的瓦斯通道，造成瓦斯喷孔。

③薄煤带。钻孔施工至煤层在<1/3平均煤厚段时，由于该范围内成岩期的高压作用，瓦斯吸附性相对较高，当钻孔施工至该区域，释放压力后瓦斯迅速解吸，形成瓦斯喷孔。

④褶皱带。钻孔施工煤层褶皱区域，尤其是背斜褶皱带附近，瓦斯在局部区域富集，不易排出，钻孔施工至该区域瓦斯被迅速释放，易形成喷孔。

1.2 “孔突”现象及其危害

“孔突发生时会瞬间喷出大量瓦斯与煤尘，动力现象巨烈。其危害体现在：

①“孔突”瞬间高压瓦斯易将钻杆或封孔管顶出，可能形成撞击火花产生。

②“孔突”若发生在人工向孔内下封孔套管期间易造成封孔管伤人事故发生。

③喷出的煤岩粉扩散范围较大，易造成煤岩粉冲击伤人。

④喷出的瓦斯量及煤量大，瓦斯瞬间积聚，造成瓦斯爆炸事故。

2 “孔突”防治技术

传统喷孔防治一般根据瓦斯压力选择不同的防喷装置即：下向钻孔及瓦斯压力P﹤2MPa地点，可自主采取防喷措施；瓦斯压力2MPa≤P﹤3MPa的施工地点，采用Ⅰ代防喷装置；瓦斯压力P≥3MPa的施工地点，采用Ⅱ代防喷装置。“孔突”特性决定了选择传统防治措施无法控制瓦斯超限等事故的发生。由被动防喷到主动控喷才有可能从根本上解决“孔突”带来的安全问题。跟管钻进，即采用相应装置将护孔花管跟随钻头一同钻进至煤层段，对穿煤段煤壁进行全程护孔，从而实现控喷。“偏心跟管钻进”法和“套管鉆进”法施工工艺介绍。

2.1 “偏心跟管钻进”即“双管单动”工作原理

借鉴在工程上应用较成熟的偏心跟管钻具结构，设计一种适用回转工艺复合片钻头，在穿层孔岩层段钻进采用普通光面钻杆配φ133mm钻头施工，当钻至距煤层2m时，提钻至孔口，更换偏心跟管钻头，并通过套管靴加接上套管，套管随钻跟进钻进，成孔后慢速反转，偏心钻头回到收敛位置，提钻，钻头钻杆从套管中间提出，将套管留在孔内护壁。

其施工步骤：

①使用Ф133mm普通钻头保直钻进至距待穿煤层2m时，提钻至孔口，卸下Ф133mm钻头，准备更换钻具。

②加接顺序：先放置套管再穿钻杆，先拧钻杆再接套管。先在动力头与后夹持器（大行程夹持器）之间放置1根套管并用手扶住，从动力头后方穿入1根Ф73mm钻杆，并穿过套管，用卡盘夹住钻杆；将后夹持器张开到最大，用人力将套管穿过后夹持器并用前夹持器（手动夹持器）夹住；用动力头将钻杆送至前端末位，并用后夹持器夹住钻杆，动力头退回，在前夹持器前钻杆上加接Ф85/120mm偏心钻头和套管靴。

③加接第二根套管和钻杆时，第二根钻杆后接一根Ф95mm对中器，同样也是先在动力头与后夹持器（大行程夹持器）之间放置1根套管，从动力头后方穿入钻杆并与前一根钻杆连接好；用卡盘夹住钻杆，将后夹持器张开到最大，用自由钳将两根套管连接好，将前夹持器松开，用动力头通过钻杆推送第二根套管，使其末端刚好处于前、后夹持器之间，接下来用后夹持器夹住钻杆，动力头退回准备加接下一根套管。

④加接好预定长度套管后，用钻机将整套钻具送至孔底开始钻进。

⑤当套管钻头穿过煤层后，利用套管管体上的弹片，在提钻时反转使其楔入煤壁将套管固定在孔底，然后提出钻杆和偏心钻头。

2.2 “套管钻进”即“双管双动”施工工艺

①使用Ф133mm普通钻头保直钻进至距待穿煤层2m时，提钻至孔口，卸下Ф133mm钻头，准备更换钻具。

②加接顺序：先放置套管再穿钻杆，先拧钻杆再接套管。先在动力头与后夹持器（大行程夹持器）之间放置1根套管用手扶住，从动力头后方穿入1根Ф73mm钻杆，钻杆前端加接Ф90mm对中器和Ф87mm钻头，穿过套管，用卡盘夹住钻杆；将后夹持器张开到最大，用人力将套管穿过后夹持器并用前夹持器（手动夹持器）夹住，在前夹持器前套管上加接Ф127mm套管钻头；用动力头将钻杆送至前端末位，并用后夹持器夹住钻杆，动力头退回。

③加接第二根套管和钻杆时，第二根钻杆后接一根Ф90mm对中器，同样也是先在动力头与后夹持器之间放置1根套管，从动力头后方穿入钻杆并与前一根钻杆连接好；用卡盘夹住钻杆，将后夹持器张开到最大，用自由钳将两根套管连接好，将前夹持器松开，用动力头端面将套管顶至前端末位并用前夹持器夹住，用后夹持器夹住钻杆，动力头退回准备加接下一根套管。

④在最后一根套管后端接接头Ⅱ，第三根钻杆前端接传扭接头Ⅰ。

⑤加接好预定长度套管后，用钻机将整套钻具送至孔底开始钻进。

⑥当套管钻头穿过煤层后，利用在套管管体上的弹片，在提钻时反转楔入煤壁将套管固定在孔底，然后提出钻杆和Ф87mm钻头。

“跟管钻进护孔”工艺，实现了全程煤壁护孔，解决了因煤壁垮落，形成应力重新集中，造成煤体破碎，瓦斯大量解吸而引起了

“孔突”现象的发生。为强突煤层钻孔施工提供了一个可行技术方案。

3 总结

“跟管钻进护孔”工艺较为复杂，选择此施工工艺应根据矿方提供的钻孔设计，结合打钻区域地质构造认真分析，预判受影响范围内钻孔，选择性采用“防喷”加“控喷”综合防喷措施，才能保障钻孔施工期间瓦斯安全。