煤矿地质探水钻孔防喷卸压装置优化改进

李光耀

（山西焦煤山煤国际韩家洼煤业有限公司， 山西 大同 037100）

引言

在煤矿掘进巷道探水孔的施工中，为防止探出积水的压力过大造成积水喷射而对施工人员和设备造成损伤的情况，通常会设置防喷水装置，以保护施工人员的生命安全和施工场地的设备不受损失；但是现有的防喷水装置在遇到较大压力积水喷射时，通常会将压力缓冲转移至与钻杆连接的钻机上，很容易损坏钻机，造成较大的经济损失，而且现有的防喷水装置大多数是针对小流量、低水压的积水，在受到强力冲击时容易损坏，缺少有效的支撑固定结构，积水压力过大时存在施工人员和施工设备的安全隐患，对此，韩家洼煤矿为了弥补现有的防喷装置的不足，决定对防喷装置进行优化改进，并在403 运输顺槽探放水中进行应用。

1 韩家洼煤矿403 运输顺槽概述

韩家洼煤矿403 运输顺槽巷道东部为西盘区回风巷，西部为未开采区域，北部、南部为2008 年12 月兼并重组前遗留的旧巷。403 运输顺槽设计长度为790 m，巷道掘进的22 号煤层平均厚度为9.5 m，平均倾角为3°，22 号煤层以老顶为主，直接顶及伪顶不发育，其顶板结构如下：伪顶岩性为碳质泥岩及粉砂岩，平均厚0.3 m；直接顶分布于井田东北部，HB4 号孔见直接顶，以砂质泥岩、碳质泥岩为主，其次为泥岩、高岭质泥岩，厚1.10 m，中厚层状，胶结致密，稳定性较好；老顶全井田均有分布，岩性为砂砾岩及粗细砂岩，厚 4.20～26.93 m，一般 4～6 m，稳定性好。底板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及少量的碳质泥岩为主[1-2]。

403 运输顺槽井田及邻区无地表水体，大气降水都以地表径流排出，部分垂直渗透松散地层和侧向补给煤系砂岩含水层。本井田奥灰水位标高约为1 169.5 m，403 运输顺槽措施巷22 号煤层底板标高1 280～1 305 m，煤层位于奥灰水位之上。井田内各煤层的开采不受奥灰水的影响。根据物探发现，巷道掘进区域共计由3 处积水异常区，分别位于240～310 m、470～530 m 以及 650～690 m 段，预计积水量为 2 455 m3，截止目前巷道已掘进177 m，巷道掘进前期顶板出现淋水现象。

2 探放水现状及问题分析

2.1 探放水现状

为了防止巷道掘进过程中出现透水事故，决定对巷道迎头布置探水钻孔，每排共计布置三个钻孔，钻孔深度为100 m，直径为7 mm，采用ZDY4000L 型履带式全液压坑道钻机配套直径为63 mm 中空钻杆以及直径为75 mm 钻头进行钻孔施工[3-4]。

由于403 运输顺槽上覆积水区水压大于0.1 MPa，探水施工时需对孔口安装卸压防喷装置，巷道掘进前期探水钻孔安装一套防喷装置，如图1 所示。该装置主要由挡环单体、锥形短接、安全装置筒体、法兰盘以及阀门等部分组成；在放水过程中当水压较大时通过控制阀门使部分水流沿阀门流出，从而达到卸压目的。

图1 钻水钻孔原防喷卸压装置结构示意图

2.2 问题分析

截至2021 年4 月403 运输顺槽已掘进240 m，巷道在前期探放水过程中由于水压相对较大，原探水钻孔防喷卸压装置安装后在实际卸压过程中出现很多问题，主要表现在以下几方面：装置在卸压过程中高压水流对阀门冲击破坏力大，导致阀门松动；装置中挡环单体为橡胶材质，在水压冲击作用下出现磨损严重，造成渗水现象等，起不到预期防喷卸压作用。

3 探水钻孔防喷卸压装置优化改进

为了弥补传统探水钻孔防喷卸压装置的不足，韩家洼煤矿通过技术研究，决定对原卸压装置进行优化改进，采用一套新型卸压防喷装置。

3.1 优化后防喷卸压装置结构组成

1）优化后的探水钻孔防喷卸压装置主要由孔套管、连接管、法兰、储水腔、缓冲腔、排水管、截止阀、钢板、通孔、连接筋、轴承、凹型卡肩、密封圈、卡盖、固定凸块等部分组成，如图2 所示。

图2 优化后探水钻孔防喷卸压装置结构示意图

2）孔套管与连接管之间采用法兰固定连接，法兰内安装密封胶圈，从而保证装置的密封防水性，同时连接管内转动连接有钻杆，同时钻杆从连接管延伸至孔套管，另一端与钻机连接。

3）连接管位于孔套管的一侧布置储水腔和缓冲腔，储水腔主要用于暂时存储积水，缓冲腔用于将积水的压力缓冲给连接管，储水腔底部安装一根排水管，并在排水管上设有截止阀，用于控制排水的通断。连接管靠近缓冲腔一侧安装一个密封防水装置，保证积水到达缓冲腔之后不会继续流到连接管内，保护连接管后方钻机和工作人员的安全[5]。

4）连接管的外侧安装多块钢板，钢板采用螺栓连接在连接管外侧上，钢板为左宽右窄的梯形板，梯形结构可以有效地将压力缓冲分散，两个钢板之间安装一个法兰，钢板采用锚杆（索）固定在巷道围岩上，使装置的稳定性和安全性更高，保护钻机和施工人员的安全。

5）钢板上布置多个通孔，通孔圆形阵列在钢板上，钢板上的通孔之间设安装连接筋进行固定，再通过锚索将装置固定在围岩上，在有高压积水喷射时，可以将压力缓冲给连接管，进而通过钢板、连接筋、锚索传递给巷道围岩上，提高了装置耐高压冲击的能力，提高了装置的安全性。

6）密封防水装置主要由轴承、凹型卡肩、密封圈、卡盖、固定凸块等部分组成，凹型卡肩固定在连接管内壁上，凹型卡肩凹陷处成弧形，轴承外侧固定在凹型卡肩凹陷处。

7）钻杆通过轴承与凹型卡肩转动连接，密封圈用于防止积水的流通和渗透安装在凹型卡肩朝向缓冲腔的一侧；卡盖共计两个，其中一个焊接在凹型卡肩的另外一侧，另外一个固定在密封圈缓冲腔的一侧，用于防止积水流通和固定凹型卡肩。

3.2 装置工作原理

当有高压积水喷出时，通过孔套管进入连接管的储水腔和缓冲腔内，被密封防水装置所阻断，防止其喷出钻孔后损伤工作人员和施工设施，通过缓冲腔将高压积水的冲击力大部分转移给钢板，钢板固定在巷道的基岩上，增强了装置的缓冲能力和安全性，小部分冲击力通过钻杆传递给钻机，减少了钻机承受的冲击力，防止钻杆和钻机因高压冲击损坏而影响施工人员的人身安全和施工进度，相比于现有的防喷水装置，有效地保护了钻机的安全，避免了较大的经济损失，同时增强了防喷水装置本身的牢固性，装置安装和固定方便，适于多种巷道使用。

4 结语

403 运输顺槽掘进至240 m 处时开始对探水钻孔防喷卸压装置进行优化改进，并进行实际应用，截至2021 年7 月巷道已掘进到位，巷道在后期掘进期间共计布置15 个探水钻孔，通过实际应用效果来看，优化后钻孔防喷卸压装置在应用时稳定性好、卸压效果好，探放水施工过程中未出现因水压大导致卸压不到位，造成孔口涌水、孔口设备损坏现象，保证了巷道探放水施工安全，取得了显著应成效。