探放水钻孔专用防喷装置优化改进研究

管志强， 张洪峰

（1.大同煤炭集团永定庄煤业有限责任公司， 山西 大同 037000； 2.同煤集团安全监管五人小组管理部，山西 大同 037000）

1 卡钻事故的过程及原因

1.1 卡钻事故的过程与影响

黄山煤业3 号煤层的32304 工作面位于3 号煤层的31402 和31303 工作面采空区的上部，在采空区内老塘水积水区标高为-210.0 m，通过测算预计其最大积水量大约为24 000 m3。必须在32304 工作面上部和下部的合适区域对采空区内老塘水积水实施排水钻孔作业，从而达到排除这部分采空区积水对32304 工作面回采工作所造成的水患威胁的目的，以维持矿井的稳定安全工作[1-2]。

在324 泄水巷当中钻取2 个直径为75 mm 的孔用于排水，以缓解3 号煤层中的水对其他各个回采工作面所形成的水灾安全隐患，排放出了45 000 m3体积大小的老塘积水。

然而在准备关闭1 号放水钻孔孔口闸阀时，在老塘水水压为0.71 MPa 以及流量为385 m3/h 的冲击下，卡钻事故已经发生了。此时由于现场工作人员受到高压水的冲打，出现了水花飞溅、眼睛模糊的情况，甚至施工工人的口、鼻、耳中都进了水，导致施工工人惊慌失措、操作困难，并且险些造成了重大的损失。

在将孔口闸阀紧急关闭时，此时该处施工地点的积水水位已经上升了0.746 m，与功率为37 kW 抽水泵电机的距离只有大约0.1 m。如果10 min 后仍旧无法闭合孔口闸的开关，那么3 号煤层采空区内大约为45 000 m3的老塘积水将会以385 m3/h 的流量速度沿着钻孔向下倾泻，在此后46 min 之内将会把324 泄水巷彻底填满，继而填满324 采区和314 采区，因此本次卡钻事故所造成的后果将不堪设想[3-5]。

1.2 卡钻事故的原因

对卡钻事故的发生过程进行分析，造成卡钻事故的原因主要包括以下四点：

在高压水持续冲打的情况下，夹持器和销轴将会变得不易打开；钻机同钻孔之间的距离过小；将钻杆拉动的过程中，用于卸掉钻杆的钳子出现了严重故障；对用于钻机的固定安装的柱子进行拆除变得十分有难度。

2 探放水钻孔专用防喷装置的优化改进

2.1 防喷装置的构成

图1 所示为防喷装置改造示意图。

图1 探放水钻孔专用防喷装置改造示意图

防喷装置的两个主要构成部分为固定泄水部和连接密封部。

2.2 防喷装置的固定泄水部

图2 所示为防喷装置的固定泄水部示意图。

在套管上端口的法兰盘端部连接一根同法兰盘尺寸相同的长度30 cm、直径8 mm 的钢管。防喷装置的固定泄水部主要是用来固定防喷装置以保证钻具在钻进的过程中发生摆动的幅度保持在一个比较稳定的范围之内，这样处理能够使得钻孔的运动轨迹保持稳定。

图2 探放水钻孔专用防喷装置的固定泄水部示意图

2.3 防喷装置的连接密封部

连接密封部主要是用来连接固定泄水部和加压密闭部。

防喷装置的连接密封部的技术要求可分为下面三个部分：

1）防喷装置的连接密封部是采用长度25 cm、直径为89 cm 的圆钢制作。将圆钢内部套上10 cm的内丝。

2）根据图3 所示，圆钢外部套上10 cm 的外丝。其外部安设厚度为1 cm 的加压盖，外圈套外丝。在加压盖的中心处开凿一个直径为49 mm 的开孔，用来使钻杆能够自由旋转并且稳定钻孔，使得钻孔的运动轨迹保持稳定。

3）根据图4 所示，在连接部中心布置一块厚度为5 cm 的挡板，在挡板的中心处开凿一个直径为49 mm 的开孔，用来使钻杆能够自由旋转并且稳定钻孔使得钻孔的运动轨迹保持稳定。

3 探放水钻孔专用防喷装置的应用

3.1 疏放水钻孔钻透积水体的安全措施

1）根据3 号煤层之间的层间距以及疏放水钻孔的角度，预计疏放水钻孔钻透积水体的长度大约为40 m±0.5 m，而31402 工作面在经过回采之后对煤层底板造成损毁的长度大约在5 m 左右，如果疏放水钻孔钻入煤层下端的缝隙区域之中，那么疏放水钻孔之内的水流将会发生大幅度的增大[6-7]。

2）在疏放水钻孔水流速度超过10 m3/h 之后，应该马上停止钻孔作业，同时采用钻机夹持装置将钻杆保持固定，此后再把钻杆拆卸，用于固定防喷装置。

3）在法兰盘和套管法兰盘上将钻孔专用的防喷部件安装完成之后，再把连接密闭处的盖子开启，此后再把钻机和钻杆连接到一起，并开启泄水管的开关，以达到避免钻探所产生的碎屑岩粉堵塞钻孔的目的。

4）离估计的钻井深度还差1 m 的时候，应当及时停止工作并且把盘根安装进密闭腔之后再把加压盖盖好。重复几次上述操作过程，使盘根充满密闭腔。

5）疏放水钻孔钻透积水体之后，由于煤泥、煤块和杂物等数量比较多，此时必须停止钻进而只是保持钻机自转，等到排除的老塘水变得清澈之后，把钻机的转速调到快档并工作2 min。

6）把钻机的转速调到快档并工作2 min 之后，把泄水管的开关闭合，保证其放置3 min 之后把泄水管的开关开启，此时钻机开始工作，等到排出的水都变得清澈之后，把泄水管的开关闭合。

7）在将加压盖旋好密封之后，开始撤掉钻杆。并且每撤掉十根钻杆就必须把泄水管的开关开启1 min。在现场工作的情况下，实际的动水流量小于2 m3/h，同时也没有卡钻、堵钻等异常发生，大幅度地提高了矿井现场作业环境，从而保证矿井生产安全。

8）预计1 号疏放水钻孔最大深度为40 m，必须准备52 根长度为0.77 m 的钻杆。从疏放水钻孔钻透积水体到将所有钻杆都拆除并且将钻孔孔口的开关闭合，这一整个过程的时间大约为90 min，排除水流速度仅有32 m3/h，能够满足矿井安全开采的要求。

3.2 探放水钻孔专用防喷装置效益

将防喷装置成功地应用到32304 工作面向31402 工作面老塘水的排放作业里，使25 600 m3的31402 工作面老塘水安全地疏放出来。通过排放水钻孔专用防喷设备能够保证疏放水钻孔钻透老塘之后的水流流量的速度在安全范围以内，从而将疏放水钻孔的流速从385 m3/h 降低到2 m3/h 以下，使水体冲击、巷道淹没这类安全问题不再发生，保证矿井的顺利开采，解决了32304 工作面当中20 万t 煤矿开采所面临的水害威胁，大幅度提高了矿井现场作业环境，从而达到了保证矿井生产安全的目的。