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突出煤层钻孔施工防喷装置的研制与应用
作者：任喜明 等
来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2014年第05期
摘要：瓦斯喷孔是高瓦斯突出矿井普遍存在的一种瓦斯事故。为了解决突出煤层因瓦斯压力大、含量高在钻孔施工时容易发生喷孔造成瓦斯超限甚至发生喷孔伤人事故，设计了一种钻孔施工防喷装置。该装置包括固孔管、孔口多通装置、气水分离装置、储煤装置四部分组成。钻孔内出来的高浓度瓦斯、水和渣进入气水分离装置，经气水分离装置的分离，高浓度瓦斯进入抽采管路，水和渣经气水分离装置的排水除渣口排出进入储煤装置，在储煤装置内，残余瓦斯再次被抽走，水和煤被排出，实现气、水、渣的有效分离。在陶二煤矿2217下底板岩巷采用该装置后，钻孔施工过程中基本实现了瓦斯零超限，保证了安全生产。 关键词：防喷装置 瓦斯喷孔 突出煤层 钻孔施工
煤矿瓦斯事故是高瓦斯突出矿井普遍存在的一种灾害。目前，瓦斯治理的主要措施是施工钻孔抽采煤层瓦斯。但是，在瓦斯抽采钻孔施工过程中，由于地应力高、瓦斯压力大、煤质松软，极易发生钻孔突出事故。钻孔突出可分为2种类型，一是由于打钻而诱发了工作面煤与瓦斯突出，二是钻孔基本保持完好的钻孔喷孔[1]。资料显示，90%以上的钻孔突出属于钻孔喷孔[2-4]。钻孔喷孔现象一般持续时间较长，钻孔施工过程中，往往会发生多次喷孔，使作业地点瓦斯超限，影响施工进度，严重时可能会危及现场施工人员的人身安全。对于钻孔喷孔目前尚没有一种有效的预防方法，只能在孔口安装防喷装置进行控制钻孔喷孔造成的危害。 因此，研制突出煤层钻孔施工防喷装置对于矿井钻孔安全施工、提高钻孔施工速度、保证安全生产具有重要意义。
陶二煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，矿井设计生产能力125万t/a，矿井主采煤层2#煤层为突出煤层，平均厚度3.5m，属于可以抽出煤层，煤层最大瓦斯含量为13.1m3/t，最大瓦斯压力为1.51MPa。钻孔施工期间有喷孔、卡钻等动力现象，煤层瓦斯具有自喷能力。瓦斯喷孔事故经常造成瓦斯超限，影响安全生产。虽然未造成人员伤亡，但是作为一种安全隐患，严重影响巷道掘进速度。
为了解决打钻过程中钻孔喷孔问题，经过不断的摸索和现场试验，形成了一套适合矿井实际的钻孔施工防喷装置。 1 打钻喷孔及防喷原理
打钻喷孔是一种瓦斯动力现象，主要受到地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质的综合作用。一些煤矿地应力高、煤质松软，钻孔钻进到煤层后，就会破碎煤体，当煤体破碎后就会以较快的速度进行解吸，流入到钻孔中的瓦斯随之增加，使得前后出现较大的瓦斯梯度，并出
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现较为明显的瓦斯激流，进而对煤体产生粉化作用。由于钻杆与孔壁间空隙较小，粉化的煤屑和瓦斯不能顺利排出，从而进一步增加瓦斯压力梯度，再加上外部排钻屑水（风）压的作用，就会出现煤与瓦斯气体从孔内突然涌出的现象，即喷孔。因此，必须采取措施进行处理，否则，喷出的煤粉和瓦斯就回进入巷道空间，危及人身安全，造成瓦斯超限事故。
在安装孔口防喷装置后，在瓦斯压力和水（风）压的共同作用下，煤粉和瓦斯气体进入孔口多通装置，然后进入到气水分离装置，煤粉在重力作用下，通过气水分离装置的排水除渣口排出，在抽采负压作用下，瓦斯气体被抽入矿井抽采系统，避免了瓦斯气体逸散到工作空间，导致瓦斯超限，危及安全生产。 2 防喷装置结构
防喷装置主要包括固孔管、孔口多通装置、气水分离装置、储煤装置四部分，如图1所示。
1——钻孔；2——固孔管；3——钻杆；4——孔口多通装置；5——储煤装置；6——钻机；7——气水分离装置；8——抽采软管；9——抽采管路。 图1 防喷装置示意图
①固孔管：固孔管用于保持钻孔孔口2m段成型完好，防止孔口塌孔，同时固孔管上安装法兰盘，用于连接孔口多通装置。
②孔口多通装置：中心为一钻杆通道，前后各安装一个法兰盘，前端法兰盘用于连接固孔管，后端法兰盘用于安装带空心的胶垫，空心直径与钻杆直径一致。上部为抽采瓦斯出气口，出气口安装有过滤网，下部为落煤口，如图2所示。
1——瓦斯出气口；2——钻杆通道；3，4——法兰盘；5——落煤口；6——过滤网。 图2 孔口多通装置
③气水分离装置：包括上部的气水分离箱和下部的集水箱。气水分离箱由若干个进气口和一个带阀门的出气口，瓦斯和水进入气水分离装置后，经挡板阻挡和过滤网的过滤，瓦斯气体经出气口进入抽采系统，水在重力作用下进入集水箱。集水箱上下各有一个蝶阀，正常工作时上部蝶阀打开，下部蝶阀关闭，气水分离箱和集水箱相通。在放水时，关闭上部蝶阀，将气水分离箱和集水箱隔开，打开下部蝶阀放水。放水完成后，再次关闭下部蝶阀，打开上部蝶阀，如此反复进行气水分离工作，如图3所示。
1——带阀门51mm直通；2——51mm直通；3——盲板；4——过滤网；5——挡板；6——1号蝶阀；7——2号蝶阀；8——气水分离箱；9——集水箱。
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图3 气水分离装置
④储煤装置：从孔口落煤口落下的煤和水在该装置内储存，该装置内的瓦斯气体由出气口进入气水分离装置，水和煤经放煤口放出，在沉淀池内沉淀后清理出去。 3 防喷装置安装工艺流程 3.1 安设钻机
根据钻孔设计参数及开孔位置，安设好钻机，并采取相应措施，使钻机稳定，避免打钻过程中钻机移动。 3.2 开孔
钻机安设好以后，根据钻孔设计参数及开孔位置，用127mm的取芯钻头施工2m，退出钻杆，然后下入2m长直径108mm的固孔管，外露150mm，在固孔管与孔壁之间用麻绳堵住，并用聚氨酯浇注麻绳将固孔管密封牢固。 3.3 防喷装置的安装
①固孔管密封牢固以后，在固孔管上安装一空心法兰盘。将孔口多通装置前端的法兰盘与固孔管上的法兰盘用螺丝连接。
②将钻杆穿过空心胶垫，然后安装钻头，钻头安装后，将钻杆送入孔内，同时将胶垫用螺丝与孔口多通装置后端的法兰盘连接严密。
③将孔口多通装置的出气口与气水分离装置的进气口用51mm抽放软管相连接，将孔口多通装置的落煤口与储煤装置相连接。
④将气水分离装置和储煤装置的出气口分别用51mm抽采软管与抽采管路相连接，经气水分离后的瓦斯进入抽采管路内。
⑤打开气水分离装置和储煤装置出气口上的阀门，形成抽采系统，根据现场施工情况及瓦斯变化，通过阀门调节抽采负压。 4 现场应用效果
陶二煤矿属于突出矿井，根据文献[5]，-711水平首采区南翼位于突出危险区内，工作面瓦斯治理采用底板岩巷施工穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施。在2217下底板岩巷第一超前探钻场内施工穿层钻孔控制2#煤煤层层位时，由于煤层瓦斯压力大、瓦斯含量高
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