煤矿地质探水钻孔孔口安全卸压装置应用

李 娜

（山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司，山西 临汾 041200）

引言

矿山井下巷道开拓前，需对巷道预掘段内的含水层、断层进行水害探测，探测常采用钻探的方式进行。在探测时一般先钻进一定深度，固定孔口管，然后再套孔钻进揭露含水层或断层。如果含水层或断层水压大、水量丰富，则钻孔将呈现大流量出水的状态。此时，含水层或断层水从钻孔急速流动的过程中将大力冲击钻孔的钻具，甚至造成孔内钻具像箭一般冲出钻孔的现象，同时顶翻钻机，具有极大安全隐患，也发生过事故[1-2]。目前常用钻孔防喷装置有阻挡、挤压两种形式，能够起到一定的防喷作用，但对于高承压水防喷效果一般，且无法对高承压大流量水起到防顶钻的作用。对于水压大、水量丰富的含水层及断层探水钻孔防顶钻一直是难题。所以设计一套孔口安全卸压装置，对安全探放水施工具有重要意义。

1 11101运输顺槽概况

山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司11102回风顺槽地面位置位于工业广场、盘地村以北，山西蒲县华盛煤业有限公司以西，阳坡以东，地面主要为山丘沟谷地带。11101运输顺槽设计长度为1 200 m，巷道掘进煤层为11号煤层，平均煤厚2.92 m，煤层倾角-12°～0°，整体呈-8°下山掘进。煤层顶板岩性为泥岩及砂质泥岩，致密、胶结较好，隔水性能好；煤层底板岩性为泥岩及砂质泥岩，致密、遇水易泥化，易发生底鼓现象，但隔水性能好。此外，根据井下已掘巷道实际情况分析，掘进中还可能遇到小型断层、陷落柱等构造，造成局部顶板冒落、底板底鼓等现象。

巷道地面标高+1 380～+1 500 m，井下标高为+1 265～+1 165 m，不受地表水威胁，底板奥灰水位标高750 m，不受底板承压水威胁。11102回风顺槽掘进过程中，不存在疑似赋水区，但可能受到X7推断陷落柱的影响，存在导通上覆含水层水导致掘进工作面涌水增加的可能，局部可能存在顶板淋水。

为了保证巷道安全掘进，避免水害事故发生，决定对巷道采取探放水施工，工作面迎头布置3个探水钻孔，孔深为100 m、直径为75 mm，钻孔孔口采用泥浆进行孔口管封固，但是通过现场观察发现，上覆含水层水压较大，在前期探放水施工过程中孔口安装的传统防喷装置在实际应用时防喷效果差，经常出现孔口管喷溅现象，威胁着探放施工安全。

2 孔口安全卸压装置结构及工作原理

2.1 孔口卸压装置结构组成

1）11101运输顺槽探水钻孔孔口安装的安全卸压装置主要由孔口止水套管、止水套管法兰盘、钻杆单体、孔口安全装置筒体、孔口安全装置法兰盘、排水控制组件、钻杆锥形短接、防喷防顶钻挡环单体、螺栓固定组件等部分组成，如图1所示。

图1 探水钻孔孔口卸压装置结构示意图

2）孔口止水套管一端安装止水套管法兰盘，孔口安全装置筒体上安装与止水套管法兰盘相匹配的孔口安全装置法兰盘，止水套管法兰盘与孔口安全装置法兰盘之间采用螺栓固定组件连接，螺栓固定组件主要由螺栓和螺母组成，止水套管法兰盘和孔口安全装置法兰盘上均开设有相对应的螺纹孔，通过螺栓固定组件可实现对止水套管法兰盘和孔口安全装置法兰盘的固定连接，且可确保较好的密封效果。

3）孔口安全装置筒体固定连接在孔口止水套管一端上，孔口安全装置筒体上开设有第一连接端和第二连接端，其中第二连接端位于孔口安全装置筒体远离孔口止水套管的一端，第一连接端位于孔口安全装置筒体的侧壁上。

4）钻杆组件位于孔口止水套管和孔口安全装置筒体内，钻杆组件的一端贯穿孔口安全装置筒体，其中钻杆组件包括多个依次连接的钻杆单体，钻杆锥形短接固定连接在钻杆组件上，钻杆锥形短接连接在相邻两个钻杆单体之间。

5）钻杆单体两端分别开设有第一外螺纹和第一内螺纹，钻杆锥形短接的两端分别开设有第二内螺纹和第二外螺纹，第一外螺纹与第二内螺纹相匹配，第一内螺纹与第二外螺纹相匹配。钻杆锥形短接可以作为两个钻杆单体之间的连接件，用于将钻杆单体依次固定连接，从而实现对钻杆组件的延长。

6）排水控制组件主要由排水管和阀门等部分组成，通过控制阀门的启闭可实现排水管的连通与否，从而可实现对孔口安全装置筒体内排水的控制。排水控制组件安装在第一连接端上，排水控制组件能够控制孔口安全装置筒体的内部是否与外界连通。

7）防喷防顶钻挡环安装在第二连接端上，防喷防顶钻挡环与第二连接端之间为螺纹连接，防喷防顶钻挡环与钻杆锥形短接相匹配，即防喷防顶钻挡环可以阻挡钻杆锥形短接因水的高压而弹射出，从而可阻止钻杆组件因水的高压弹射出来。

2.2 装置工作原理

1）使用时首先通过螺栓固定组件将止水套管法兰盘和孔口安全装置法兰盘固定连接，使得孔口安全装置筒体固定连接在孔口止水套管上。

2）将排水控制组件螺纹连接在第一连接端上，然后打开排水控制组件上的阀门；将一对防喷防顶钻挡环单体组合的防喷防顶钻挡环安装在孔口安全装置筒体上的第二连接端上。

3）探水钻孔施工时一旦钻孔出现高压、大流量涌水顶钻的现象，则钻杆组件在外出时，钻杆锥形短接外移会被防喷防顶钻挡环阻挡，从而起到防顶钻的目的，同时钻杆锥形短接会封堵住防喷防顶钻挡环与钻杆单体之间的环形空间，同时起到防喷的目的。

4）出现顶钻喷孔后，可通过排水控制组件上阀门的开闭有序、可控地释放钻孔水压，如果一节钻杆单体打完无顶钻现象，则卸下防喷防顶钻挡环，在新加钻杆单体中间添加钻杆锥形短接，再安装防喷防顶钻挡环，继续打钻，以此类推。

3 孔口安全卸压装置优缺点及实际应用效果

3.1 装置优缺点

1）成本费用低：11101运输顺槽探水钻孔安装的孔口管安全卸压装置结构相对简单，整体装置成本费用不足0.42万元，费用低便于检修维护，在实际应用中故障率低。

2）实用性强：该装置不仅可应用于井下探放水施工中，而且可应用于隧道、桥梁等领域中，实用性强、应用区域广。

3）防喷钻效果好：该装置利用锥形短接外移封堵防喷防顶钻挡环与钻杆单体之间的环形空间，防止水压顶钻现象，利用排水控制组件上阀门进行卸压放水，有效防止因钻孔大流量出水、急速流动的水将钻具冲出钻孔的情况，不易导致顶翻钻机的情况，可降低安全隐患，提高安全性。

4）但是在实际应用中发现，该装置还存在一些问题，需进一步优化改进，具体表现在以下几方面：该装置主要对接安装在止水套管上，钻孔在钻机过程中频繁更换锥形短接，很容易造成止水套管松动；由于在放水卸压时，水流中存在大量煤泥，阀门很容易被堵塞，须定期清理。

3.2 实际应用效果分析

11101运输顺槽共计布置了12个探水钻场，每个钻场内布置3个顶板仰斜探水钻孔，每隔钻孔内安装一套孔口安全卸压装置，截止2021年4月21日巷道已掘进到位，巷道共计放水1 422 m3，积水平均压力为0.67 MPa，巷道在后期掘进过程中未出现顶板淋水现象；同时通过对钻孔安装卸压装置后，在后期放水过程中共计发生8起顶钻现象，但是未发生因孔口安全装置不到位导致孔口喷水的现象，保证了探放水施工安全。