煤礦井下水文鉆孔水瓦斯混合噴涌綜合治理

高衛乾，蔣德文

(韓城礦務局天久注漿勘探有限公司，陜西韓城 715400）

煤礦井下水文鉆孔水瓦斯混合噴涌綜合治理

高衛乾，蔣德文

(韓城礦務局天久注漿勘探有限公司，陜西韓城 715400）

在煤礦井下水文地質鉆探施工過程中遇到水與瓦斯混合噴涌并嚴重威脅施工安全難題。先采用注漿法封堵失敗。針對這樣的難題，設計應用了3套裝置——鉆具防噴器、孔口柔性密封防噴器，水淹閉式水氣分離器進行綜合治理。效果明顯。

水文孔;水氣混合噴涌;鉆具防噴;孔口防噴;水淹閉式水氣分離;瓦斯均衡抽排

1 工程概況

韓城礦業公司象山煤礦計劃在北一采區開采11號煤層，但11號煤層下距奧灰地層僅20 m左右，受奧灰水威脅較大，需要對北一采區11號煤開采水文地質條件進行研究論證。為此在象山礦北一采區現有巷道系統設計布置了6個11號煤底板探查試驗鉆孔，對北一采區水文地質條件進行探查和研究。并根據鉆探成果對11號煤開采水文地質條件進行評價。

2 鉆孔中遇到的問題及采取的初步處理措施

B4奧灰水文地質探查鉆孔孔口高程196.361，在鉆進至18 m時孔內出水1.5 m3/h，測水壓0.3 MPa，繼續鉆進至37.97 m(接近11號煤層）時遇到水與瓦斯混合噴涌而出，測瓦斯氣壓0.52 MPa，鉆場瓦斯濃度超限，存在嚴重安全隱患，被迫停鉆。礦方決定將該孔連接瓦斯抽放系統進行抽排，并距該孔2 m處重新鉆孔。新孔鉆進到18 m時再次出水，鉆進到33.2 m時又發生水與瓦斯混合涌出，測氣壓0.56 MPa，濃度嚴重超限，被迫再次停鉆，經研究后決定采取注漿封堵措施。注漿候凝后準備透孔時發現水已堵住，但高濃度瓦斯繼續涌出。鉆機組被迫搬入5號鉆場施工B5鉆孔，但該孔鉆進到20 m時也因瓦斯涌出而被迫停鉆。

3 綜合治理措施

經過不懈努力和反復探索，確定針對瓦斯和水混合噴涌的實際分3步措施進行解決。

第一步解決鉆孔中瓦斯不致噴涌到鉆場的問題，為此采取了封堵的措施:在孔口管上加設防噴器和在巖心管處加設防噴接手，以確保高濃度瓦斯不會從鉆具外環通道及鉆具中孔噴涌逸散到鉆場內。

第二步解決瓦斯和沖洗液混合物引離鉆場及水氣分離問題:用三通管路把水氣混合物接引離開鉆場到特制的下開口水淹閉式水氣分離器中進行分離。

第三步抽排瓦斯:通過瓦斯抽放系統控制性地將在水氣分離器中分離出來的瓦斯抽排掉。

最后形成了對煤礦井下奧灰水文地質鉆孔中水與瓦斯混合噴涌難題采取堵、引、分離、抽排等綜合治理措施。通過采取此綜合措施使鉆場施工環境達到了安全要求。

3.1 防噴接手及絲扣密封

針對上下鉆過程中瓦斯從鉆具內噴出的問題，利用單向閥原理設計加工了防噴接手接在巖心管和鉆具之間，其結構如圖1所示。但在現場應用過程中發現鉆桿絲扣進氣，采取了在鉆桿絲扣上纏繞聚四氟乙烯無油密封帶的措施。現場應用證明，以上綜合措施起到了阻止高濃度瓦斯從鉆具中噴涌的目的。

圖1 鉆具防噴接手示意圖

3.2 孔口防噴器及連接管路

鉆具外環是鉆進沖洗液返出鉆孔的通道，含高濃度瓦斯的沖洗液不加控制地返出孔口后，高濃度瓦斯自然逸散到鉆場，存在嚴重的安全隱患。為了消除此隱患，我們在孔口閥門以上加設了三通管和設計制做了帶可通過不同口徑鉆具頻繁上下且耐磨的防噴壓蓋組(孔口防噴器），結構如圖2所示。

圖2 孔口防噴器結構及連接示意圖

鉆具從孔口密封墊中間穿過，防止了上下鉆及鉆進過程中瓦斯從鉆具外環溢出。同時用4 in ( 101.6 mm）閥門和 108 mm管將三通管的一個通孔與淹閉式水氣分離器相連接，孔內瓦斯和沖洗液從連接管路引入了水氣分離器中進行分離。

3.3 淹閉式水氣分離器

3.3.1 結構

淹閉式水氣分離器由底開水淹閉式水氣分離箱和連接管路、閥門及水池等組成，其結構如圖3所示。

3.3.2 工作原理

(1）孔口加接的防噴裝置將從鉆孔中涌出混合水氣的90%以上壓引入設在專用水池中的下開口水淹閉式水氣分離器中。

圖3 淹閉式水氣分離器結構及連接示意圖

(2）進入箱中的水氣在管口靠密度不同自然分離:自然上升到箱體頂部的瓦斯氣體經接在箱體以上的排氣管路及調壓閥門控制性的(確保箱體內外壓力平衡—0.1 MPa）引入瓦斯管中抽走;所分離的水、巖粉靠自重落入水池，池中液面始終保持淹沒箱體下沿(淹沒高度達5～20 cm），起到密閉作用即可。多余水從水槽引入其它水池中。

(3）本裝置靠水池中的水淹閉箱口隔絕箱內外氣體并傳遞壓力以及靠人工用閥門的開閉量控制抽排箱中氣體量等于涌出瓦斯量，以確保箱中氣壓同巷道中大氣壓動態平衡的原理進行工作。

3.3.3 工作狀態

(1）抽氣壓力控制要點是設法達到涌出并引到箱中的瓦斯氣體全部抽走即可。

若Q涌＞Q抽，即孔中涌出瓦斯量逐漸加大，不能完全抽排走時，則在水池中可見有氣體涌出，這時需要調大閥門加大抽瓦斯量。

(2）若Q涌＜Q抽，即孔中涌出瓦斯量減少，則抽風量大于涌出量，可見水池中液面下降(箱中液面上升），有可能出現抽水現象。此時有3種解決辦法:①用浮力球帶推桿和重力式閥門即可阻止吸水;②減少淹閉高度，在池中液面下降到箱體底沿時即可因進氣而自然阻止吸水;③在排氣管上加接進氣閥門人工在液面下降時打開閥門即可阻止吸水。

若Q涌=Q排，即抽風量等于涌出量，說明已建立了涌抽平衡，可以開始鉆孔。

(3）在現場調試此水氣分離器過程中發現，象山礦井在用的瓦斯抽放管閥門為板式閘閥，其調整機構為牙口式定位，很難精確調量，從而抽排量稍大于鉆孔涌出瓦斯量。為了不致將箱中的水抽入管路，用設在此箱上部的1 in閥門人工開啟小口補充少量大氣以建立平衡，最終達到了涌抽平衡，調試順利完成。

(4）為了進一步達到自動調整平衡，可以在箱體上部閥門前的抽氣管路旁加接一組自制的上下2個單向閥的自動吸排氣閥組進行自動進氣和排氣，可以達到動態自動平衡，可以消除抽吸水的隱患。

3.3.4 分離器的改進

根據系列裝置的使用情況，我們認為可以將原4號孔礦方設計制作并在用的水氣分離器改進為水淹閉式水氣分離管，以大幅度降低工人操作難度和杜絕抽水的風險。

4 應用效果

通過創新地采取以上綜合治理措施和調試改進，消除了象山礦井進風巷的一個安全隱患點。同時不僅使象山礦井11號煤底板奧灰水文地質探查試驗鉆孔工程得到了安全地恢復和進展，又為瓦斯發電廠提供了持續不斷的瓦斯氣體，增加了發電量，從而變廢為寶，其技術經濟效益明顯。

［1］國家安全生產監督管理局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［M］.北京:煤炭工業出版社，2011.

［2］胡辰光.鉆探工程技術及標準規范實務全書［M］.安徽合肥:安徽文化音像出版社，2003.

［3］石智軍.煤礦井下瓦斯抽采(放）鉆孔施工新技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2011.

［4］楊黎明.機械原理及機械零件［M］.北京:高等教育出版社，1983.

Comprehensive Control on Water and Gas Mixing Spewing in Hydrologic Drilling of Underground Coal Mine

GAO Wei-qian，JIANG De-wen(Hancheng Mimeral Grouting Exploration Corp.，Hancheng Shaanxi 715400，China）

Water and gas mixing spewing was encountered in the construction process of coal mine hydrogeology drilling，which is a serious threat to the construction safety.The grouting plugging was tried with failure.3 sets of device of drilling tool blowout preventer，orifice flexible sealing blowout preventer and flooding closed water-gas separator for integrated control were designed and applied with obvious effects.

hydrological hole;water-air mixing spewing;drilling tool blowout preventing;orifice blowout preventing; flooding closed water-gas separating;gas equilibrium drainage

P634.8

:A

:1672－7428(2012）10－0043－02

2012－04－06;

2012－06－28

高衛乾(1965－），男(漢族），陜西韓城人，韓城礦務局天久注漿勘探有限公司經理助理兼副總工程師、工程師，煤田地質鉆探專業，從事鉆探技術工作，陜西省韓城礦務局天久注漿勘探有限公司，hcgwq@163.com。