防喷孔预控系统在孟津煤矿的应用

张保法　刘中一

(河南能源化工集团孟津煤矿)



防喷孔预控系统在孟津煤矿的应用

张保法刘中一

(河南能源化工集团孟津煤矿)

摘要针对孟津煤矿松软突出煤层水力冲孔大型喷孔易导致瓦斯超限、严重制约消突进度等问题，结合原防喷装置的应用实践，对防喷腔体、煤水分离器进行了优化改进，加强管理和考核，形成了防喷孔预控系统。现场实践表明：防喷孔预控系统的应用杜绝了水力冲孔喷孔导致的回风流瓦斯超限问题，提高了工作效率，可供类似矿区参考。

关键词松软突出煤层瓦斯超限防喷装置防喷腔体煤水分离器防喷预控系统

喷孔是一种小型井喷，可看作是钻孔中的动力现象，是高压瓦斯、集中应力、煤质较软等因素共同作用的结果，喷孔的时间有数分钟至数十分钟不等[1-3]。近年来，大量学者对水力冲孔喷孔问题进行了深入研究，黄旭超等[4]分析了喷孔机理，提出了发生喷孔的3个力学条件；姚倩等[5]根据煤层打钻的实测数据对理论模型进行验证，运用数学方法推导出了钻孔喷孔过程中煤体喷出速度和喷出量的解析解，认为钻孔须安装防止瓦斯大量泄出的防喷装置，实现“边钻边抽”[6-7]。此外，车集煤矿自主研发了矿用新型多功能钻孔防喷-降尘装置[8]；梁北煤矿防喷装置结构采用“孔口三通+铝合金弹簧管+大容积防喷箱”，增大了现场的安全作业系数[9-10]。但目前使用的防喷装置在应对大型喷孔时存在诸多不足，对此，王康健等[11]认为需研究使用一种固定于钻机前夹持器上的装置代替现有的安装方式。随着矿井开采深度的不断增加，特别是采深较大的突出矿井在水力冲孔作业过程中喷孔严重。

在水力冲孔已成为松软低透煤层常规卸压增透措施的情况下，一方面需使用性能更加可靠的防喷装置，另一方面应加强管理工作。为应对大型喷孔现象、有效防控瓦斯超限，经反复试验，对孟津煤矿原防喷装置进行了优化，通过新增气水转换器、瓦斯收集装置，使各装置独立运行，自成一体，通过管路的连接使各装置形成了1个整体。此外，在合理调配各施工地点水力冲孔作业、优化抽采管网配置、提升防喷装置抽采能力、加强职工培训和考核等方面加强管理工作，构建了1套完善的打钻防喷孔预控系统。本研究对该系统进行详细分析，并对其应用成果进行探讨。

1对水力冲孔防控喷孔的认识

(1)水力冲孔喷孔常见于穿层钻孔初见煤体或进入软煤发育区时，钻孔塌孔积渣堵塞钻孔时，高压水体快速剥离煤体大量瓦斯瞬间解吸时。

(2)喷孔时瓦斯常见的溢出点为防喷装置套管与孔壁结合处、防喷装置耐磨套与钻杆结合处、防喷装置与煤水分离器连接处的薄弱环节、煤水分离器清煤口等。

(3)打钻水平与发生喷孔瓦斯超限有密切关系，但仅靠提高人员技术水平无法有效防控喷孔瓦斯超限，提高装备技术水平才是关键。

(4)遇小型喷孔时依靠防喷装置可避免瓦斯超限，但遇大型喷孔时仅依靠防喷装置难以有效防控瓦斯超限。

(5)防控喷孔所导致的瓦斯超限是个系统工程，除坚持使用防喷孔装置、预留缓冲空间、加大二次收集力度外，还需在抽采能力配备、通风、人员培训和考核等方面加强管理。

2防喷装置优化

2.1防喷腔体

防喷腔体由1个圆柱形空腔和4个外露的管口组成，4个管口分别为前部的6寸套管口(通过法兰与6寸套管连接，用于密封钻孔孔口瓦斯溢出点)、上部的抽放管口(通过4寸弹簧管与抽采管路相连接，可持续抽采防喷腔体内瓦斯)、下部的6寸出煤口(通过法兰、6寸弹簧软管与煤水分离器连接，将煤水及瓦斯引入煤水分离器中)、后部的内置式耐磨胶套管口(耐磨套送入厚皮铁管内，用于密封防喷腔体与钻杆结合处的瓦斯溢出点)，见图1。新式防喷腔体上焊接了带丝扣的法兰，通过2根丝杆(可使用矿用锚杆加杆制作)，使整个防喷腔体与钻机动力头连接成一体，大大提高了防喷腔体的安装牢固性。

图1　防喷腔体设计

2.2煤水分离器

新型煤水分离器是1个顶部带有3个突出的管口和侧面设有密封门的箱体结构，3个管口分别通过弹簧软管与6寸防喷腔体的出煤口、瓦斯收集装置、抽采管路相连接，可收集从防喷腔体内泄落的煤水混合物，对喷孔高压作用力的形成进行二次缓释。优化后的煤水分离器将双体箱改为单体箱，减小了体积、重量，更方便移动；密封门开启改为曲轴压杆式，使密封效果更好；增加了箱底夹角(由10°增大为20°)，便于清理淤煤；去除了煤水分离器上部管口中的滤网，提高了管路畅通性能；煤水分离器与防喷腔体连接由以往的铁丝捆扎改为法兰螺栓连接，提高了连接可靠性，见图2。

图2　新型煤水分离器模型

2.3气水转换器及瓦斯收集器

除优化防喷腔体、煤水分离器以外，新型防喷装置还增加了气水转换器、瓦斯收集器，通过抽放管路将该类装置结合为1个整体，对于防止大型喷孔造成的瓦斯超限效果较好。

(1)气水转换器。采用阀门、三通组合的方式在钻杆尾部实现气、水、抽放负压之间的互相切换。在正常施工中，负压阀门关闭，水阀门打开，当瓦斯浓度较大时，停钻将水阀门关闭，负压阀门打开，在发生堵孔、憋孔的情况下，达到通过钻杆抽采钻孔内瓦斯的目的。

(2)瓦斯收集器。为防止大型喷孔，装配了瓦斯收集器，该装置由帆布套筒与4寸抽放管组成，4寸抽放管管体断开使用钢筋套环进行支撑连接后置于帆布套筒内，帆布套筒在管路两端扎紧，4寸抽放管一端与煤水分离器连接，另一端与抽放管路连接。在施工时，该装置处于预备状态，当发生大型喷孔煤水分离器超负荷作业时，打开收集器阀门，收集器在冲击力的作用下张开，可缓冲喷孔造成的压力，同时阻止瓦斯逸散至巷道中。

3加强管理工作

(1)抽采管网和通风能力配置。发生大型喷孔在极短时间内会涌出大量瓦斯，孟津煤矿最大一次喷孔发生在西三车场施工揭煤防突钻孔时，喷出的瓦斯量约2 500 m3。将喷孔时涌出的大量瓦斯尽快抽入管网系统，对防控瓦斯超限至关重要。孟津煤矿每条底抽巷内铺设有2条φ300 mm抽放管路，实现了分源抽采：一条管路用地面泵抽永久钻孔，另一条管路利用井下泵专门抽防喷装置内瓦斯，有效保障了水力冲孔时防喷装置的抽采能力。另外，水力冲孔作业地点的风量配备是否合理对喷孔后回风流瓦斯超限也有重要影响。孟津煤矿各底抽巷均采用全负压通风方式，风量不少于800 m3/min。若出现风量不足时，立即停钻，查明原因进行处理，待供风正常后方可开钻。

(2)加强监测监控。在水力冲孔施工地点为每2部钻机安装1台瓦斯传感器，该类传感器具有超限声光报警功能，安装位置位于施工地点回风侧距孔口10～20 m处。另外，在各钻机作业地点回风侧3～5 m处与钻孔同高度悬挂便携式瓦斯报警仪或多功能综合报警仪，实时监测打钻地点风流中的瓦斯浓度。穿层及冲孔过程中，密切观察便携瓦斯浓度，便携浓度达到0.4%时，应重点关注，减缓钻进速度，同时降低冲孔水压；便携浓度达到0.6%时，停止钻进，抽采孔内瓦斯，待浓度降至0.4%以下时方可恢复施工。在水力冲孔作业地点附近20 m范围内安装1部直通调度室的电话，并确保通畅，发生紧急情况时，应立即向调度室汇报。

(3)提高职工业务素质并加强考核。选择业务水平高、责任心强并经过专门培训的职工进行水力冲孔作业。所有水力冲孔地点施工前均应编制安全技术措施，将防控喷孔列为应知应会的内容。另外，加强考核工作，将喷孔及瓦斯超限的发生情况与职工绩效考核挂钩。

4现场试验

新安煤田孟津煤矿软煤层普遍发育、瓦斯含量高、煤层透气性系数小，属严重煤与瓦斯突出矿井。主采二1煤层煤体破坏类型为Ⅲ～Ⅴ级，煤体坚固性系数0.12～0.46，瓦斯放散初速度10.5～24.0 mL/s，经实测，瓦斯含量7.97～16.37 m3/t，测得最大瓦斯压力3.1 MPa。打钻防喷孔预控系统试验选在12031工作面底抽巷进行，该工作面为倾斜长壁采煤工作面，工作面轨道、胶带顺槽沿二1煤层顶板掘进，走向长120 m，倾斜长1 010 m。12031工作面构造相对复杂，褶皱发育，受褶皱控制，煤层产状及厚度变化较大。12031工作面2条底抽巷设计长度均为980 m，位于二1煤层底板以下8～12 m的层位，底抽巷已经贯通并实现全负压通风，风量1 075 m3/min。

在未应用打钻防喷孔预控系统前，孟津煤矿12031工作面底抽巷完成14个钻孔的水力冲孔作业，传感器累计报警多达9次，其中有6个钻孔在作业时局部瓦斯浓度超过了0.5%[12]。2014年6—8月，12031工作面底抽巷水力冲孔作业期间发生了2次大型喷孔，导致作业地点回风流瓦斯浓度出现高值，给矿井的正常生产和防突工作进度带来了较大影响。从2014年9月开始应用打钻防喷孔预控系统，至2015年3月12日，孟津煤矿12031工作面底抽巷水力冲孔地点虽有所增多，但未发生1次传感器报警。在此期间发生了多次大型喷孔，新型防喷装置均能及时将瓦斯抽采至抽放管路内，杜绝了回风流瓦斯超限现象的出现。

5结语

孟津煤矿打钻防喷孔预控系统优化了防喷腔体和煤水分离器，并与气水转换器、瓦斯收集器配合使用，辅以严格的日常管理工作，杜绝了水力冲孔喷孔导致的回风流瓦斯超限现象，解决了局部瓦斯积聚问题，提升了工作效率，对于条件相似的煤与瓦斯突出矿井有一定的参考价值。

参考文献

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[12]徐付国，兀帅东，杨启军.穿层钻孔水力冲孔防喷孔装置在强突煤层中应用[J].能源技术与管理，2014(4)：43-44.

Application of Anti-spray Pre-control System in Mengjing Coal Mine

Zhang BaofaLiu Zhongyi

(Mengjin Coal Mine, Henan Energy and Chemical Group)

AbstractAt present,the problems of large-scale spray easily lead to gas gauge, seriously restricting the progress of eliminating outburst are existed in Mengjin coal mine while hydraulic punching in soft outburst coal seam.Based on the above problems,combined with the application results of the original anti-spray equipment,the anti-spray cavity and coal-water separator are optimized and improved,besides that, the management and assessment are strengthened,therefore,the anti-spray pre-control system is established.The practice results show that the problem of return air gas overrun caused by hydraulic punching spray is eliminated by the application of the anti-spray pre-control system,the working efficiency is improved,it can provide reference for the similar mining area.

KeywordsSoft outburst coal seam, Gas overrun, Anti-spray equipment,Anti-spray cavity, Coal-water separator, Anti-spray pre-control system

(收稿日期2015-09-30)

张保法(1964—)，男，副总工程师，高级工程师，471142 河南省洛阳市孟津县横水镇元庄村。