煤礦地質探水鉆孔孔口安全卸壓裝置應用

李 娜

（山西潞安集團蒲縣新良友煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

礦山井下巷道開拓前，需對巷道預掘段內的含水層、斷層進行水害探測，探測常采用鉆探的方式進行。在探測時一般先鉆進一定深度，固定孔口管，然后再套孔鉆進揭露含水層或斷層。如果含水層或斷層水壓大、水量豐富，則鉆孔將呈現大流量出水的狀態。此時，含水層或斷層水從鉆孔急速流動的過程中將大力沖擊鉆孔的鉆具，甚至造成孔內鉆具像箭一般沖出鉆孔的現象，同時頂翻鉆機，具有極大安全隱患，也發生過事故[1-2]。目前常用鉆孔防噴裝置有阻擋、擠壓兩種形式，能夠起到一定的防噴作用，但對于高承壓水防噴效果一般，且無法對高承壓大流量水起到防頂鉆的作用。對于水壓大、水量豐富的含水層及斷層探水鉆孔防頂鉆一直是難題。所以設計一套孔口安全卸壓裝置，對安全探放水施工具有重要意義。

1 11101運輸順槽概況

山西潞安集團蒲縣新良友煤業有限公司11102回風順槽地面位置位于工業廣場、盤地村以北，山西蒲縣華盛煤業有限公司以西，陽坡以東，地面主要為山丘溝谷地帶。11101運輸順槽設計長度為1 200 m，巷道掘進煤層為11號煤層，平均煤厚2.92 m，煤層傾角-12°～0°，整體呈-8°下山掘進。煤層頂板巖性為泥巖及砂質泥巖，致密、膠結較好，隔水性能好；煤層底板巖性為泥巖及砂質泥巖，致密、遇水易泥化，易發生底鼓現象，但隔水性能好。此外，根據井下已掘巷道實際情況分析，掘進中還可能遇到小型斷層、陷落柱等構造，造成局部頂板冒落、底板底鼓等現象。

巷道地面標高+1 380～+1 500 m，井下標高為+1 265～+1 165 m，不受地表水威脅，底板奧灰水位標高750 m，不受底板承壓水威脅。11102回風順槽掘進過程中，不存在疑似賦水區，但可能受到X7推斷陷落柱的影響，存在導通上覆含水層水導致掘進工作面涌水增加的可能，局部可能存在頂板淋水。

為了保證巷道安全掘進，避免水害事故發生，決定對巷道采取探放水施工，工作面迎頭布置3個探水鉆孔，孔深為100 m、直徑為75 mm，鉆孔孔口采用泥漿進行孔口管封固，但是通過現場觀察發現，上覆含水層水壓較大，在前期探放水施工過程中孔口安裝的傳統防噴裝置在實際應用時防噴效果差，經常出現孔口管噴濺現象，威脅著探放施工安全。

2 孔口安全卸壓裝置結構及工作原理

2.1 孔口卸壓裝置結構組成

1）11101運輸順槽探水鉆孔孔口安裝的安全卸壓裝置主要由孔口止水套管、止水套管法蘭盤、鉆桿單體、孔口安全裝置筒體、孔口安全裝置法蘭盤、排水控制組件、鉆桿錐形短接、防噴防頂鉆擋環單體、螺栓固定組件等部分組成，如圖1所示。

圖1 探水鉆孔孔口卸壓裝置結構示意圖

2）孔口止水套管一端安裝止水套管法蘭盤，孔口安全裝置筒體上安裝與止水套管法蘭盤相匹配的孔口安全裝置法蘭盤，止水套管法蘭盤與孔口安全裝置法蘭盤之間采用螺栓固定組件連接，螺栓固定組件主要由螺栓和螺母組成，止水套管法蘭盤和孔口安全裝置法蘭盤上均開設有相對應的螺紋孔，通過螺栓固定組件可實現對止水套管法蘭盤和孔口安全裝置法蘭盤的固定連接，且可確保較好的密封效果。

3）孔口安全裝置筒體固定連接在孔口止水套管一端上，孔口安全裝置筒體上開設有第一連接端和第二連接端，其中第二連接端位于孔口安全裝置筒體遠離孔口止水套管的一端，第一連接端位于孔口安全裝置筒體的側壁上。

4）鉆桿組件位于孔口止水套管和孔口安全裝置筒體內，鉆桿組件的一端貫穿孔口安全裝置筒體，其中鉆桿組件包括多個依次連接的鉆桿單體，鉆桿錐形短接固定連接在鉆桿組件上，鉆桿錐形短接連接在相鄰兩個鉆桿單體之間。

5）鉆桿單體兩端分別開設有第一外螺紋和第一內螺紋，鉆桿錐形短接的兩端分別開設有第二內螺紋和第二外螺紋，第一外螺紋與第二內螺紋相匹配，第一內螺紋與第二外螺紋相匹配。鉆桿錐形短接可以作為兩個鉆桿單體之間的連接件，用于將鉆桿單體依次固定連接，從而實現對鉆桿組件的延長。

6）排水控制組件主要由排水管和閥門等部分組成，通過控制閥門的啟閉可實現排水管的連通與否，從而可實現對孔口安全裝置筒體內排水的控制。排水控制組件安裝在第一連接端上，排水控制組件能夠控制孔口安全裝置筒體的內部是否與外界連通。

7）防噴防頂鉆擋環安裝在第二連接端上，防噴防頂鉆擋環與第二連接端之間為螺紋連接，防噴防頂鉆擋環與鉆桿錐形短接相匹配，即防噴防頂鉆擋環可以阻擋鉆桿錐形短接因水的高壓而彈射出，從而可阻止鉆桿組件因水的高壓彈射出來。

2.2 裝置工作原理

1）使用時首先通過螺栓固定組件將止水套管法蘭盤和孔口安全裝置法蘭盤固定連接，使得孔口安全裝置筒體固定連接在孔口止水套管上。

2）將排水控制組件螺紋連接在第一連接端上，然后打開排水控制組件上的閥門；將一對防噴防頂鉆擋環單體組合的防噴防頂鉆擋環安裝在孔口安全裝置筒體上的第二連接端上。

3）探水鉆孔施工時一旦鉆孔出現高壓、大流量涌水頂鉆的現象，則鉆桿組件在外出時，鉆桿錐形短接外移會被防噴防頂鉆擋環阻擋，從而起到防頂鉆的目的，同時鉆桿錐形短接會封堵住防噴防頂鉆擋環與鉆桿單體之間的環形空間，同時起到防噴的目的。

4）出現頂鉆噴孔后，可通過排水控制組件上閥門的開閉有序、可控地釋放鉆孔水壓，如果一節鉆桿單體打完無頂鉆現象，則卸下防噴防頂鉆擋環，在新加鉆桿單體中間添加鉆桿錐形短接，再安裝防噴防頂鉆擋環，繼續打鉆，以此類推。

3 孔口安全卸壓裝置優缺點及實際應用效果

3.1 裝置優缺點

1）成本費用低：11101運輸順槽探水鉆孔安裝的孔口管安全卸壓裝置結構相對簡單，整體裝置成本費用不足0.42萬元，費用低便于檢修維護，在實際應用中故障率低。

2）實用性強：該裝置不僅可應用于井下探放水施工中，而且可應用于隧道、橋梁等領域中，實用性強、應用區域廣。

3）防噴鉆效果好：該裝置利用錐形短接外移封堵防噴防頂鉆擋環與鉆桿單體之間的環形空間，防止水壓頂鉆現象，利用排水控制組件上閥門進行卸壓放水，有效防止因鉆孔大流量出水、急速流動的水將鉆具沖出鉆孔的情況，不易導致頂翻鉆機的情況，可降低安全隱患，提高安全性。

4）但是在實際應用中發現，該裝置還存在一些問題，需進一步優化改進，具體表現在以下幾方面：該裝置主要對接安裝在止水套管上，鉆孔在鉆機過程中頻繁更換錐形短接，很容易造成止水套管松動；由于在放水卸壓時，水流中存在大量煤泥，閥門很容易被堵塞，須定期清理。

3.2 實際應用效果分析

11101運輸順槽共計布置了12個探水鉆場，每個鉆場內布置3個頂板仰斜探水鉆孔，每隔鉆孔內安裝一套孔口安全卸壓裝置，截止2021年4月21日巷道已掘進到位，巷道共計放水1 422 m3，積水平均壓力為0.67 MPa，巷道在后期掘進過程中未出現頂板淋水現象；同時通過對鉆孔安裝卸壓裝置后，在后期放水過程中共計發生8起頂鉆現象，但是未發生因孔口安全裝置不到位導致孔口噴水的現象，保證了探放水施工安全。