高突矿井底抽巷穿层瓦斯抽采钻孔施工瓦斯试验研究

杜敬彬

（焦作煤业（集团）有限责任公司瓦斯治理工程公司，河南 焦作 454000）

我国作为煤炭资源大国，但也是受到煤矿灾害最为严重的国家之一。在矿井作业过程中，煤与瓦斯突出事故对我国的煤炭产能造成巨大影响，所以，治理瓦斯是保障矿井安全生产的重点内容。在预防措施中，较为常用的就是穿层钻孔方式，将高密度矿井区域中的煤层瓦斯进行抽采，这种方式相比其他抽采手段具有明显的优势。穿层钻孔受到地质因素、钻进参数以及人为因素等方面的影响，导致喷孔与预期设计存在偏差，甚至可能出现钻孔空白带、串孔或者瓦斯抽采盲区，使得瓦斯和煤突出威胁无法消除。此外，因为钻孔轨迹不明确，通过钻孔的地质信息得以恢复的赋存形态以及煤层厚度等都会存有隐蔽或者误揭的风险隐患。喷孔的存在会对瓦斯抽采工作造成较大影响，其中喷射而出的瓦斯和煤粉都极具危险性，为此，人们研发出防喷装置来降低瓦斯和煤粉的危险性。本文针对防喷装置开展研究工作，深入分析其研发技术路线，并在现有的基础上提出新的技术创新点，从而提高防喷装置的安全性能。

1 工程概况

A公司是一家专门提供瓦斯治理服务的科技公司，公司所提供治理服务的三对矿井都属于煤与瓦斯突出矿井，在作业过程中具有较大的危险性。施工团队在进行穿层钻孔操作时，经常会出现喷孔现象，如果没有完善的保护措施，人们的安全难以保障，更不要谈及进行瓦斯管理工作了[1]。为了在提高安全性，A公司为施工团队配备了防喷装置，这是该公司所研制的第四代防喷装置，但是在性能方式仍然差强人意，整个装置密封效果非常差，并且不容易携带，根本无法满足安全生产的作业标准，严重影响到穿层钻孔工作的效率。为此，企业高层领导进行会议研究，作出研发第五代防喷装置的决定。借此来减少喷孔现象的发生，加强对瓦斯和煤突出的管理，进而避免安全事故发生，为矿井的安全生产提供保障。企业成立防喷装置研发小组，经过几个月的奋战，攻克了技术难题，最终研发出第五代防喷装置，如图1所示。并且经过实践证明，该装置能够有效地解决喷孔现象导致的瓦斯伤人和超限问题。

图1 第五代防喷装置

2 防喷喷装置研发技术路线

通过分析喷孔中大量瓦斯喷射的现象，结合实际情况，研发可以在短时间内对所喷出瓦斯进行控制和收集的防喷装置。借鉴以往的经验，企业所成立的防喷装置研发小组对第四代防喷装置进行分析研究，了解其存在的缺陷。考察小组到施工现场进行观测分析，结合相关的理论研究，在第四代防喷装置的基础上对防喷装置的孔口封存方式、装置后端和钻杆之间缝隙处的密封方式等进行完善优化。本次研究的重点内容放在使用轻便、安装简单和固定牢固三个方面，并且能够快速的对喷孔中涌出的瓦斯进行收集防范。最后，对研发完成的装置进行现场试验和理论研究，做好记录工作，为日后的进一步优化工作提供重要依据。

3 关键技术创新点

3.1 增加防喷装置尺寸，提升排渣性能和缓冲容积

防喷装置内部的存储空间直接影响到喷出瓦斯积聚后所形成的的外溢压力的大小。研发小组为降低喷孔后瓦斯的涌出量，将扩大缓冲容积作为出发点，并对防喷装置的整体尺寸进行相应调节[2]。首先将装置的腔体转为方形结构，尺寸规格为243mm×243mm×200mm，使得腔体内部容积增大。其次，增加装置上端连抽口的尺寸大小，将第四代的2寸变为3寸，增加一倍，从而提升连抽流量。最后，对装置下端的排渣口进行优化，扩大口径尺寸，从4寸变为6寸。相比4寸管，6寸管在排渣方面有着明显的优势，这样也会大大降低堵塞的几率。得到改进优化后的防喷装置相比原装置，不断是在缓冲瓦斯容积方面，还是瓦斯溢出压力和扩散量方面都有着明显的效果，使得瓦斯超限风险得到降低，矿井的生产安全得到保障。

3.2 优化孔内管密封方式，提高便携度和密封性

出现喷孔现象，孔内喷涌出大量的瓦斯和煤粉，喷孔的密封程度直接决定了出现瓦斯超限的可能性。科研小组经过大量的数据分析和试验模拟，科研人员采取胶圈膨胀变形的方式，将孔内管固定好，并且要保证孔口的密封性，这样也会完美解决防喷装置固定不牢固问题。防喷装置前端孔内管可以选用4寸管，在孔内管的前端安置挡环，在其后侧安置压紧转盘，之后启动装置，旋转上方把手，促使孔内管外的胶圈受力发生变形，迫使孔内管牢牢固定在孔中。防喷装置安装在孔内的孔内管和主腔体可以利用快速接头实现固定，并且操作简单，容易携带。

3.3 优化防喷装置后端密封方式，防止漏气

钻孔内瓦斯和煤粉喷射的主要通道就是防喷装置后端和钻杆之间的缝隙，有效解决二者之间缝隙的密封问题，就是避免喷孔喷射瓦斯超出极限的关键点。经过大量的数据分析和实践研究，应用多层密封垫所加工而成的防喷装置后端密封件，在减少穿层钻孔工作过程中喷孔瓦斯和煤粉外溢方面有着非常良好的效果。科研小组所研发的第五代防喷装置相比上一代有着明显的优势，其后端密封件的主要组成包括：一层高分子耐磨圈、两层硅胶圈和两层尼龙毛刷。通过对该装置的实践应用，能够看出第五代防喷装置不管是在减少漏气方面，还是预防煤分喷出方面都有着显著的效果，并且新型装置的耐磨性和可靠性显著提高。图2和图3，为第五代防喷装置的装配组件[3]。

图2 第五代防喷装置前端密封组件

图3 第五代防喷装置主腔体以及后端密封组件

图2中：1号为压紧转盘；2号为支撑套管；3号为胶圈；4号为挡环。图3中：1号为排渣口；2号为尼龙毛刷；3号为硅胶圈；4号为主腔体；5号为高分子耐磨圈；6号为连抽口；7号为密封垫圈；8号为压盘。

4 应用效果

第五代防喷装置研发成功后，需要对其功能效果进行测试，所以选择J矿东二中间底抽巷作为试验地点。该区域目前是J矿井全部钻孔地点中煤层压力和含量最大的区域，选择该地区作为试验地点，能够让测试效果更为明显，最大程度的体现出成果价值。第一点，应用效果。该装置自研发以来，通过多次应用能够发现目前瓦斯超限的发生频率越来越低，下降低达到91%，为矿井的安全生产提供有力保障。第二点，经济效益。相比第四代防喷装置，在生产成本上也取得较大优势。第五代生产成本为每套3000元，而第四代防喷装置生产成本为每套20000元，相比之下，每一套装置节约了1.7万元。A企业现有钻机数量50台，可以为企业节约生产成本85万元。

5 结语

为保障矿井生产安全，降低喷孔瓦斯超限的次数，在第四代的防喷装置基础上研发出第五代防喷装置。实践证明，该装置不但操作简单、容易携带，而且生产成本非常低，投入使用后，所取得的效果也是非常显著，为实现企业可持续发展提供有力保障。第五代防喷装置投入到高突矿井底抽巷穿层瓦斯抽采钻孔施工中，不但可以为钻孔环境提供安全保障，还可以提升作业效率，加速瓦斯的治理速度，为保障矿井安全生产奠定基础，而且该装置具有非常良好的经济效益和社会效益。