采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置应用

丁德才，刘国庆

(河南龙宇能源股份有限公司 陈四楼煤矿，河南 永城 476600)

目前，煤矿多采用复合指标法预测煤巷掘工作面和采煤工作面突出危险性[1-3]，该方法使用CWY30型钻孔瓦斯涌出初速度测定器[4，5]直接测定采掘工作面煤层钻孔瓦斯涌出初速度指标。施工验证钻孔时，其钻孔应当多布置于煤层软分层之中，而软分层具有煤质松软、层理紊乱、原生结构遭严重破坏、呈层状或透镜状分布特征[6-8]。然而，布置于软分层中的钻孔成形差、易落煤粉致其堵塞、易塌孔，从而引起测量钻孔瓦斯涌出初速度测定器的测量杆(气室、封孔器、中间杆等)被煤粉掩埋，致使测量仪器被损坏，甚至整套测量仪器报废，进而增加测量仪器损耗，加大了煤矿瓦斯治理成本投入[9-13]。此外，在工作面回采与掘进割煤期间，被掩埋而废弃的测量杆长期置于煤体内，也实为潜在的安全隐患 。

1 区域验证钻孔及测量仪器布置情况

陈四楼煤矿2515综采工作面位于南翼五采区，煤层厚为1.8～3.5m，煤层倾角为3°～15°，煤层结构简单，工作面走向长1115～1208m，倾斜长119～195m，煤质硬度适中。在矿井生产中采用复合指标法对采掘工作面进行突出危险性预测，应沿着采煤工作面每隔10～15m布置一个预测钻孔，孔深为5～10m。测量仪器置于区域验证钻孔内，通过气筒向封孔器内注入空气以实现测量室的封闭[7，14]。测量仪器与验证钻孔间相对位置关系如图1所示。在地质构造带影响范围，区域验证钻孔成形差，易塌孔，致使测量仪器频繁地被掩埋在煤体中。

图1 测量仪器与验证钻孔间相对位置关系

2 区域验证钻孔坍塌状态及影响因素

2.1 区域验证钻孔坍塌状态

采掘工作面在区域验证施工钻孔过程中，受多种内外力作用，导致验证钻孔坍塌。据现场施工钻孔效果分析，可知验证钻孔坍塌可分全孔坍塌、单一位置坍塌、组合式坍塌三种形式。验证钻孔坍塌状态如图2所示。其中，单一位置坍塌包括孔口坍塌、孔中坍塌、孔端坍塌；组合式坍塌包括孔口与孔中坍塌、孔口与孔端坍塌、孔中与孔端坍塌。验证钻孔坍塌位置不同，处理的难度系数则不一，对测量仪器的损坏也不同。

图2 验证钻孔坍塌状态

2.2 区域验证钻孔坍塌影响因素

1)矿用麻花钻杆连接处松动或钻杆弯曲，造成钻杆颤动，摆幅扩展，致使验证钻孔内径增大造成塌孔。

2)防突工对钻机把持不牢靠，使钻杆呈波状旋转，引起塌孔。

3)施工钻孔过程中，麻花钻杆往返推拉次数过多，致使煤体结构性破坏程度不一，而造成塌孔。

4)煤体受构造影响，煤体自身松软破碎，成孔效果差，而致使塌孔。

3 验证钻孔坍塌处理装置应用

根据验证钻孔各类坍塌状态，研制出采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置，通过该装置将被掩埋的测量仪器从煤体中完整取出，降低损坏率。

3.1 坍塌验证孔处理装置结构组成

1)采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置结构包括直角杆、缓冲式挡煤器(包括缓冲弹簧、凹槽式挡煤板等)、控制阀(其规格为∅19mm)、高压风管(其规格分别为∅19mm×3000mm与∅19mm×5000mm各2根，其中1根备用)。采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置结构如图3所示。

图3 采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置结构

2)辅助构件：安全链、防护手套、护目镜等。

3.2 验证钻孔坍塌处理装置操作流程

1)采掘工作面施工区域验证钻孔期间，出现测量杆(气室、封孔器)被煤粉掩埋情况时，现场防突工及辅助施工人员，立即停止验证钻孔的施工，戴好防护手套与护目镜，保持着装整齐，并准备好验证钻孔坍塌处理装置，确保其完好及可靠。

2)先取下CWY30型钻孔瓦斯涌出初速度测定器、测量杆尾杆及钻孔孔口外部暴露的中间杆，并卸掉连接封孔器的压力表，释放封孔器中空气，保持钻孔内外气压平衡。

3)采用人工方法处理：现场其他人员与防突工处理验证钻孔位置保持一定的安全距离，由现场防突工徒手反复推拉测量仪器杆体，致其在煤粉内松动，直至将其从钻孔中取出。

4)若人工方法处理未奏效，即刻采用验证钻孔坍塌处理装置进行处理。处理操作如下：①先疏散验证钻孔周围闲散人员，保持一定的安全距离；②防突工将该装置的直角杆与钻孔孔口中间杆连接，并把缓冲式挡煤器对准孔口，然后，通过安全链将该装置固定于附近的液压支架或其他牢固的位置，确保固定牢靠；③连接高压风管与控制阀，由防突工手持直角杆，并缓缓地打开控制阀，向验证钻孔内注入空气，以增强钻孔内被掩埋处里段气压，再缓慢地往返推拉测量杆；④反复地操作步骤③，通过钻孔内气压作用将堵塞的煤粉部分吹出，致钻孔内测量仪器杆体松动；⑤关闭控制阀，停止注入高压风，由防突工往返推拉测量仪器杆体，拖出钻孔内煤粉，直至将测量杆从钻孔中取出。

5)由防突工检查被掩埋的测量仪器杆体、气室及封孔器的完好情况。若测量仪器部件被损坏，需及时更换，而后继续进行钻孔瓦斯涌出初速度指标值的测定工作。采掘工作面验证钻孔坍塌处理效果如图4所示。

图4 采掘工作面验证钻孔坍塌处理效果

3.3 应用效果分析

1)提高了处理验证钻孔坍塌处理的安全性。采掘工作面验证钻孔坍塌处理装置在区域验证工作中使用，弥补了区域验证工作的不足，保证了工序实施的安全性。对采掘工作面割煤而言，被掩埋而废弃的测量仪器杆体长期置于煤体内实为潜在的安全隐患[15-18]，该装置则有效地消除了诸类潜在的安全隐患，也保障了现场施工人员的人身安全。

2)减少了测量仪器损耗，降低了瓦斯治理成本投入。相较传统的处理工序而言，该装置的投入使用有效地减少了因验证钻孔坍塌而掩埋测量仪器的损耗数量，也降低了矿井瓦斯治理投入成本[19，20]。

4 结 论

1)采掘工作面验证钻孔坍塌处理技术与理论的缺陷，致使在区域验证期间频繁地损耗测量仪器，而以缓冲式挡煤器、高压风为主的处理装置应用有效地优化了该项处理工序，也为相关技术与理论的完善奠定了基础。

2)采煤工作面验证钻孔坍塌处理装置的研制基于2515综采工作面区域验证工序实施中存在的实际操作难题，旨在解决现场实际问题，展现出显著的实用效果，也为现场施工人员的人身安全提供了有效的保障，具有一定的推广使用价值。