煤矿探放水作业中卸压控水装置的设计分析

张宇鹏

（晋能控股煤业集团地煤精通兴旺煤业有限公司，山西 大同 037003）

引言

晋能控股煤业集团某矿1209 回风巷是在井田一采区，位于盘区大巷的西面、实煤区的北面、1207工作面的东面、井田边界的南面。1209 回风巷的长度、巷道断面规格等数据分别是1 100 m、宽×高=4.5 m×3.0 m、2 号煤层煤厚、均厚分别是2.10～2.40 m、2.30 m。1209 回风巷在下山掘进时的标高是920～750 m。依据专门的井田水文地质勘查结果可知，小煤窑采空区位置是位于1209 回风顺槽北面49 m 的地方，其预测积水量和水压分别是5 799 m3和1.1～1.4 MPa，预测9 m3/h 和21 m3/h 分别是正常和最大的涌水量[1]。

为了确保安全掘进巷道，1209 回风巷对老窑采空区采用超前钻孔的方式进行放水，探水钻孔的距离是每掘进20 m 放置2 个，60 m 是其钻孔的深度根据设计施工的，然后，把空口管和控水装置安置在施工后的孔口处，使水通过孔口处的装置排放出来，卸压是固有的控水装置所没有的的功能，因此，时常有喷管现象在积水水压的作用下发生。通过统计发现，前期的1209 回风巷探水钻孔共施工20 个，其中有13 个钻孔在放水期间有喷管事故发生，使积水量在巷道中增多，对巷道探放水的施工效率和掘进安全都受到了影响。所以，经过技术研究，对后期的1209 回风巷设计和使用了卸压控水装置。

1 卸压控水装置的组成部分

1）控水管、环形抱箍、控制闸阀、控水阀门、压力表接头、法兰盘、顶丝扳手、钻头套管等配件是卸压控水装置的组成部分，如图1 所示。

图1 煤矿防治水卸压控水装置结构

2）封孔的长短决定了钻头套管长短。1209 回风巷的钻头套管采用的材料是PVC 材质，其0.13 m 为直径，12 m 为总长度，把这12 m 平均分为3 节，每节长度为4 m，通过丝扣式把管和管之间连接起来，1 m为套管外露的长度。

3）因为钻孔扩孔的直径和深度分别为0.15 m、11 m，与套管的直径和长度都不一样，这就造成两者之间有间隙存在。把膨胀水泥砂浆通过ZBQ120 型注浆泵注入到间隙中，使其能够稳固钻头套管和孔壁的连接[2]。

4）压力表、控水管、控制阀闸、环形抱箍和控水阀门等被安装在套管外露端。环形抱箍的材质是环形橡胶塑料，把顶丝扳手安装在其上下两端，钻杆由于顶丝扳手的安装更加稳固。

5）积水水压主要是通过压力表检测，其积水是通过钻孔排放出来的；控水管下端有控水阀门，控水阀门在压力大时，若进行卸压可以使用人工开启；控制闸阀的临时堵水主要堵得是钻孔时放出的水。

2 卸压控水装置的工作原理

1）钻孔扩孔深度为11 m，在达到这一深度后，方可停止施工，把钻头套管安装在钻孔内，通过丝扣式把管和管之间连接起来。安装钻头套管到指定位置后，把膨胀水泥砂浆通过ZBQ120 型注浆泵注入到间隙中，使其能够稳固钻头套管和孔壁的连接，其稳固时间必须大于2 h[3-4]。

2）安装稳固钻头套管之后，要把控水装置的剩余的零部件按顺序安装在外露端。等到全部完成安装后，方可继续钻孔。在积水区水压低于0.5 MPa时，可以停止钻孔施工，将钻杆拔出来，放水的流量依靠闸阀控制，实施放水施工。

3）若水压高于0.5 MPa，则在高水压的影响下，会出现钻头套管喷管的现象，钻头在钻孔有流水现象出现时是不准被拔出来，为了使钻杆能够被橡胶环形抱箍抱住可以把顶丝扳手用人工拧紧，对射出钻杆的现象在水压的作用下得到控制。固定好钻杆以后，要尽快把控水阀门打开实施卸压放水。当卸压放水的时候，放水的流量依靠闸阀控制，从而有效地预防了控水阀在高水压时失灵。

4）在放水卸压时，当压力小于0.5 MPa 后，要尽快把控水阀门关闭，把顶丝扳手通过人工逆向拧开，让环形抱箍脱离钻杆，然后把钻杆拔出来进行钻孔放水。

3 卸压控水装置具有的优缺点

3.1 装置的优点

1）结构比较简单。这套装置的优点是简单、易操作、低事故率、成本低等。

2）较好的安全性能。相对于固有的控水装置，卸压功能在该装置中得以实现，积水可以依据水压的变化进行卸压放水，能够防止喷管、套管脱落、钻杆射出等的事故在放水时不会由于水压大而产生，具有好的安全性能，使巷道放水施工的安全性有了保障。

3）较强的实用性。该装置的实用性比较强，可用于各种繁杂的地质条件下探水钻孔内，地质条件、施工环境等不能影响其使用，在别的领域中也可以应用，具有较强、较广的实用性。

3.2 装置的缺点

1）定期更换压力表，这是因为有太多的粉尘在钻孔施工时产生，密封较差的压力表，致使较多的粉尘进入压力表内，使其精度受到了影响，因此，要定期更换压力表。

2）有弹性的环形抱箍橡胶材料，材料弹性在长久的张紧使用会有所下降，要定期更换。

4 应用效果分析

1209 回风巷在本矿掘进到300 m 的位置进行探放水时，会把卸压控水装置安装在探水钻孔上。直到2020 年2 月，已经完成了1209 回风巷的掘进工作，湿孔64 个、干孔16 个这80 个钻孔是在1209 回风巷掘进后期施工的，其80 个钻孔的放水量共有4 981 m3，积水区放水平均压力是1.2 MPa。在观察现场时发现，由于卸压控水装置的使用，在放水时套管窜动、透水、喷管等事故从未有因水压大而发生。水压在2.5 MPa 以下是该装置能够承受的，使巷道放水施工的安全性得到了保障，计划煤矿1 年的成本将会减少72.4 万元。

5 结语

经过实际应用证明，卸压控水装置具有结构简单和较好的放水效果等优点，使传统的控水装置不能卸压等技术难题得到了解决，使钻孔高效、安全的放水得到了保障，其取得的成果在安全和经济效益方面非常明显，值得被推广运用。