穿层预抽钻孔喷孔原因及防治技术研究与应用

张录平

(平煤股份勘探工程处，河南省平顶山市，467000)

★ 煤矿安全 ★

穿层预抽钻孔喷孔原因及防治技术研究与应用

张录平

(平煤股份勘探工程处，河南省平顶山市，467000)

针对突出煤层穿层钻孔施工过程中频繁发生喷孔而发生瓦斯超限现象，分析了发生喷孔的原因，针对喷孔的类型和强弱程度，采用全封闭式三防装置、钻尾抽采、防延时喷孔等综合措施，杜绝穿层钻孔喷孔造成的瓦斯超限，实现安全施工。

打钻喷孔 瓦斯超限 喷孔原因 防治技术

随着煤矿开采深度和强度的增加，煤与瓦斯突出危险性日趋严重。平顶山矿区煤层瓦斯含量东部高、西部低，具有明显的区域性和条带性；瓦斯含量己组和戊组高、丁组和庚组低。平顶山东部矿区普遍采用底板岩巷掩护煤巷掘进的区域瓦斯治理方式，通过在底板巷施工上行穿层钻孔预抽上覆煤层条带瓦斯。

我国煤炭的成煤期多为石炭二叠纪，成煤后经过了多次强烈构造运动，破坏了煤层原生结构，造成煤层结构复杂、煤质松软、渗透性低。瓦斯封存好、瓦斯含量高、采深及地应力大，使矿井瓦斯问题日益严重，在穿层预抽钻孔施工过程中，由于煤层瓦斯、应力突然释放，造成喷孔，严重的还会造成打钻突出。

打钻过程中造成的瓦斯超限，一直认为是不可避免的问题，平煤股份勘探工程处转型以后，从理念上改变了这种观点。从治理理念、打钻施工技术、防瓦斯装置等方面进行改进提高，继续探索区域瓦斯治理新途径。从打钻现场、现象入手，结合瓦斯、地质、施工等方面，分析打钻喷孔的原因，采取防瓦斯超限的新技术和装置，打钻技术、防瓦斯装置的使用为消除打钻过程中瓦斯隐患提供了保障。

1 工作面概况

平顶山天安煤业股份有限公司十矿己15-24100工作面位于己四采区西翼第四区段，地面标高150～300 m，工作面标高-560～-685 m，埋深720～980 m。该工作面开采己15煤层，己15煤层厚度1.5～2.6 m，平均厚度为2.1 m，煤层倾角为10°～27°，结构稳定，与己16煤层夹矸0.3～7.5 m，东薄西厚，工作面顶板为厚层状砂质泥岩或砂岩。己15～16煤层瓦斯原始压力值为2.95 MPa，瓦斯原始含量值为20.0374 m3/t。

2 钻孔设计

根据《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿安全规程》规定，在机巷底板巷向上施工穿层钻孔控制上覆机巷两帮各15 m范围，每组钻孔间隔4 m，每组钻孔10个，组内每个钻孔终孔点间隔4.5 m，钻孔终孔点应穿过己15煤层0.5 m，钻孔孔径94 mm，各钻孔布置情况如图1所示，各钻孔参数情况见表1。

图1 己15-24100机巷底板巷穿层钻孔布置

孔号倾角/(°)偏角/(°)预计孔深/m1左480292左580253左680224左790215左880206右780207右670218右570239右4802510右40028

备注：钻孔参数以现场实际为准，终孔必须见己15煤层顶板0.5 m以上

3 打钻异常情况及喷孔原因分析

3.1 打钻异常情况

在己15-24100机巷底板巷打钻施工过程中，共施工穿层钻孔2710个，钻孔工程量63188.40 m。其中有455个钻孔发生不同级别瓦斯异常，占本巷道总施工孔数的16.87%，瓦斯异常主要表现为响煤炮、喷孔(瓦斯、渣)、孔口瓦斯浓度增高等。瓦斯异常统计情况见表2。

通过对机巷底板巷打钻瓦斯异常情况集中度统计，瓦斯异常主要集中在4个区域，分为A区、B区、C区、D区。4个区域瓦斯异常总数378孔，占本巷道异常钻孔总数的83.08%。机巷底板巷瓦斯异常区划分详见表3。

瓦斯异常还表现有机巷底板巷上帮钻孔比下帮钻孔瓦斯异常大、出现次数多的特点。比较大的瓦斯异常大都出现在上帮钻孔。

表2 己15-24100机巷底板巷穿层钻孔异常情况统计

3.2 喷孔原因分析

目前国内外煤矿现场工作人员解决打钻作业地点瓦斯浓度超限、钻进效率低和危险性大等问题一般采取疏导喷孔的方法。钻孔发生喷孔表明钻孔施工过程中钻孔内部发生了煤与瓦斯突出，因而喷孔属于煤与瓦斯突出的范畴，喷孔机理应从煤与瓦斯突出的角度进行解释。

表3 己15-24100机巷底板巷瓦斯异常区划分一览表

3.2.1 打钻喷孔特点

(1)打钻喷孔与施工区域的煤层瓦斯压力呈正相关。瓦斯成条带分布，表现为分区分带的特点，煤层瓦斯压力越高，喷孔越强烈。

(2)打钻喷孔与施工区域煤体的坚固性呈反相关。在同等的瓦斯压力区域，煤体的坚固性越大，喷孔越弱；相反，如果施工区域的煤体受到破坏，坚固性较小，则喷孔强度较大。坚固性低的煤体，煤体较软，渗透性低，钻孔进入软煤后，煤体能够迅速破坏，而渗透性低有利于煤壁内外维持较高的瓦斯压力梯度，因此坚固性低的煤层更容易发生钻孔喷孔。

(3)地质构造区更易喷孔。打钻喷孔与地质构造密不可分，在实际生产活动中，表现比较多的是断层和构造，特别是在一些压扭性构造区域，这些构造封闭瓦斯的能力更强，同时构造破坏了这些区域的煤岩体的强度，喷孔比较容易发生。

(4)喷孔的强弱与钻进速度呈正相关。在同等的瓦斯压力和煤体的坚固性的情况下，钻进速度越快，喷孔越强烈，孔口瓦斯浓度越高，喷出煤量越多。

(5)喷孔与钻孔的直径呈正相关。钻孔直径越大，发生喷孔的几率越高，喷孔的强度越大，钻孔暴露的表面积越大，暴露的瓦斯量越多，钻孔的稳固性越差，承受压力的能力越小。

(6)喷孔呈区域性分布。喷孔一般发生在瓦斯条带区域，一般情况下，相邻的几个钻孔都会喷孔，显示本区域的煤体含瓦斯量较高，同时当邻近几个钻孔都发生喷孔，说明本区域瓦斯异常，这也是异常信息比指标更重要的原因，所以，漏掉一个异常不可怕，只要有一个异常信息反映上来，就应该重视。

(7)喷孔可防、可控。打钻喷孔一般发生在一定的深度，喷孔的强度和钻进速度有关，配合相应的装备、技术、手段可以对其进行控制、诱导，防止打钻过程发生瓦斯超限。

(8)延时喷孔的危害程度更大。延时喷孔不可预期，可能发生在钻孔施工结束后几秒、几分钟、十几分钟、几十分钟后；延时喷孔的强度和破坏力更大，很多延时喷孔都是在钻杆已经退出钻孔的情况下发生的，这时候钻孔内没有钻杆的阻挡，煤和瓦斯能快速的涌出巷道，缺少阻力的喷孔，能彻底的卸压，喷孔也更彻底。

3.2.2 打钻喷孔分级

打钻喷孔分为轻度喷孔、中度喷孔和严重喷孔三级。

(1)轻度喷孔。钻进过程中间歇性喷孔，停钻即停，有少量颗粒喷出，里探增幅0.2%以内。

(2)中度喷孔。钻进过程中连续喷孔，停钻后持续1～2 min，喷出颗粒直径3 mm，钻屑明显增多，抛出距离1～2 m，里探增幅0.3%以内。

(3)严重喷孔。停钻后连续喷孔超过2 min，且带出大量钻屑；抛出距离大于2 m或伴有煤炮声；里探增幅大于0.3%，外探增幅大于0.2%。符合上述任一条件，即判断为严重喷孔。

3.2.3 打钻产生喷孔的原因

(1)外在原因。钻孔内有钻杆，一般情况下，钻头直径为94 mm，钻杆直径为73 mm，圆环型空间的间隙为21 mm，孔壁与钻杆的间隙为10.5 mm，狭小的空间阻碍了煤粉的运移，这也是延时喷孔危害更大的原因；喷孔一般发生在一定深度，无论是打钻还是煤巷掘进都有一定的安全岩柱，煤粉、瓦斯运移的距离较远，动能有一定的损失。

(2)内在原因。钻头直径为94 mm，煤体暴露面积小，限制了瓦斯涌出的范围和瓦斯涌出量，暴露的能量小；由于钻孔截面积小，瓦斯涌出的动能与钻孔壁的支护阻力比煤巷掘进或者石门揭煤的大。

(3)平煤股份十矿开采的己组煤层从上到下含有己15煤层、己16煤层、己17煤层，3个煤层间距大小不断变化。中间煤层己16煤层上下各有一层泥岩，泥岩厚度也不断变化，变化范围0.3～7.5 m。由于煤层产生的地质环境原因，导致中间己16煤层顶底板的泥岩非常致密，且硬度较小，致密的泥岩为保存瓦斯提供了良好的条件；己15煤层、己17煤层的透气性也非常差，又为保存瓦斯增加了一层保护，所以，己16煤层瓦斯含量、涌出量比较大；己16煤层顶底板泥岩硬度低，抵挡瓦斯压力的能力较小。

4 防治技术与装置

4.1 防瓦斯安全技术

(1)钻孔施工过程中使用三防装置。

(2)钻孔施工过程中，全程使用检测设施，悬挂便携式传感器。

(3)钻进压力控制在5 MPa以内，让钻机缓慢钻进，既能保证钻孔成型，又能防止产生岩石破碎后成块留在孔内。

(4)钻孔施工至终孔位置后，钻机必须空转10 min，确保孔内钻屑全部排出。

4.2 防瓦斯装置

4.2.1 三防装置

为了防止打钻喷孔造成瓦斯超限，选择安泰华SPZ-4型矿用孔口湿式排渣(三防)装置。三防装置主要由SPZ-4三防装置主体、孔口罩、气渣分离箱、软管等组成。新型三防装置示意图如图2所示。

4.2.2 钻尾抽采

在煤层瓦斯压力大于2.0 MPa、煤层坚固性系数小于0.3的区域，打钻过程中，瓦斯涌出量较大、钻孔出渣量较多，易发生堵孔，在接卸钻杆期间，卸下送风器后，瓦斯从钻杆内涌出，有哨声，容易造成瓦斯超限。

为了防止这类瓦斯超限，设计了一种特殊的送风器，将原来送风器ø16 mm的两通换成ø16 mm的三通，三通的3个接头分别连接送风器、钻杆、抽放管，用于连接抽放管的一端设置阀门，不用时关闭阀门。复合型送风器示意图如图3所示。施工过程中，遇到严重喷孔时，钻头退离孔底0.5～1.0 m，不去掉送风器，关闭风(水)源，打开送风器上的抽采阀门进行抽采。钻尾抽采施工示意图如图4所示。

图2 新型三防装置示意图

图3 复合型送风器示意图

图4 钻尾抽采施工示意图

5 施工效果

通过在己15-24100机巷 底板巷使用新型三防装置、防技术措施，能有效防治打钻过程中的瓦斯超限，保证施工安全。在己15-24100机巷底板巷施工穿层钻孔期间多次出现瓦斯超限，在3月，打钻引起4次瓦斯超限；在4月，打钻引起4次瓦斯超限；在5月，打钻引起2次瓦斯超限；在6月以后，使用新型“三防”装置、采用防技术措施后，没有再因打钻引起瓦斯超限。采用防瓦斯装置前后瓦斯超限次数如图5所示。

图5 采用防瓦斯装置前后瓦斯超限次数

打钻喷孔是一个复杂的动力现象，但是一个强烈的异常信息信号，应该重视，打钻是为了治理瓦斯，也应该注重治理瓦斯过程中的施工安全，了解打钻喷孔的性质，有利于预防打钻瓦斯超限，为安全生产增加一重保障。

[1] 黄炳香,程庆迎,陈树亮等.突出煤层深孔水力致裂驱赶与浅孔抽采消突研究[J].中国矿业大学学报,2013(5)

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Researchandapplicationofboreholesprayingcausesandpreventiontechnologyofpre-drainagedrillingthroughlayers

Zhang Luping

(Division of Exploration Engineering, Pingdingshan Tian'an Coal Industry Co., Ltd., Pingdingshan, Henan 467000, China)

Aiming at the frequently occurred gas overrun phenomenon during the construction of pre-drainage drilling through layers in outburst coal seams, the causes of borehole spraying were analyzed, and according to the kind and intensity of borehole spraying comprehensive measures including totally enclosed three proofing device, drainage at the end of boreholes and anti-delay spraying borehole were conducted to eliminate gas overrun caused by drilling holes and realize safe construction.

drilling spraying borehole, gas overrun, spraying cause, prevention technology

张录平.穿层预抽钻孔喷孔原因及防治技术研究与应用[J].中国煤炭，2017,43(12)：142-145，150.

Zhang Luping. Research and application of borehole spraying causes and prevention technology of pre-drainage drilling through layers[J]. China Coal, 2017，43(12):142-145，150.

TD713

A

张录平(1973-)，男，1996年毕业于山东矿院，长期从事煤矿安全生产工作。

(责任编辑 张艳华)