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穿层钻孔施工用三防装置的改进与应用

2024-11-04 8 上传者：管理员

摘要：针对穿层钻孔施工使用的三防装置密封效果不佳、安装困难、防喷能力不足的问题，通过调研施工现场的钻机、煤层地质、钻孔工艺、现用装备等因素，采用锥形套管和两半式密封圈+开口密封圈相结合的综合密封结构，提高了钻孔孔壁与孔口套管外壁、三棱钻杆与密封圈等关键部位的密封效果；研制了联接支架，用来安装孔口密封装置，降低了劳动强度；在现用水渣分离箱上增加了可伸缩囊袋，实现了在不增加体积的前提下满足防喷能力要求。经现场试验，改进的三防装置总尘除尘效率达到93.5%～90.4%，呼吸性粉尘除尘效率达到76.4%～81.3%，钻机下风侧最高瓦斯浓度由0.8%下降到0.24%，取得了明显的效果。

关键词：
喷孔现象
煤尘超标
煤层地质
穿层钻孔
钻孔工艺
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施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯是有效的区域瓦斯治理措施。随着矿井采掘向深部延伸，煤层瓦斯含量、压力随之增大。在穿层钻孔施工过程中，经常出现喷孔现象，轻则造成短时间内巷道煤尘超标、钻机卡钻，重则引起区域瓦斯超限甚至突出，对钻孔施工人员生命安全造成严重威胁，施工过程中的防粉尘、防瓦斯超限、防喷孔（简称三防）问题不容忽视。在煤层施工钻孔，需要采取措施将钻孔涌出的瓦斯引入到抽放系统中，降低流入钻场内的瓦斯量。众多学者为解决打钻期间的三防问题提供了成套的三防装置和防治技术。本文针对现有三防装置存在的问题进行了改进，并进行了现场应用试验。

1、现用三防装置存在的问题

勘探工程处承担着平顶山天安煤业股份有限公司（以下简称平煤）区域瓦斯治理中的钻孔施工任务，为解决三防问题，进行了长期的探索和实践，目前采用由孔口套管、孔口密封装置和水渣分离箱为主要部件的三防装置，如图1所示，为改善工作环境和消除打钻过程中瓦斯超限隐患提供了技术保障。但在施工过程中还存在孔口套管与孔壁的密封不够严密、钻杆与密封圈之间的密封效果不理想、孔口密封装置安装不方便、水渣分离箱体积小、防喷能力不够等问题亟待解决，这对提高钻孔施工效率和安全生产都产生了一定的影响。在相关文献资料中对孔口套管与孔壁密封的论述很多，例如采用钢制套管外部加水囊或气囊密封、采用旋转结构推动胶囊变形密封，都存在结构复杂、质量大、举高插入钻孔困难的问题；钻杆与密封圈之间的密封结构有毛刷密封和盘根密封，由于使用的钻杆不同，效果各异。本文通过对平煤八矿钻孔施工现场的钻机、煤层地质、打钻工艺、现用装备进行调研，改进了现用三防装置，解决了其密封效果不理想、孔口密封装置固定不方便等问题，保证了安全、高效的钻孔施工。

图1 现用三防装置结构简图

2、关键结构的改进

(1）孔口套管的密封

孔口套管起到收集钻头钻进过程中的钻屑、气体、液体，并引导其进入孔口密封装置的作用。现场使用圆柱形PE管作为孔口套管，具有加工方便、成本低的特点，但管子外径与孔壁之间需要留有间隙，否则插拔不容易，在使用时间隙处会有水、气体泄漏。改进后的孔口套管结构如图2所示。将PE管外壁加工成为锥形，锥面长度不少于500 mm。由于锥形套管小端直径比孔径小3 mm，所以容易插入钻孔中，大端外径比孔径大2 mm，孔口套管插入钻孔后，只要保证给套管一定的轴向压力，套管外部锥面就与孔壁紧密接触，实现可靠的自密封和固定。孔口套管的大径端还设有圆柱段，用于插入孔口密封装置并与其联接。

图2 改进后的孔口套管结构

(2）三棱钻杆的密封

为提高排渣效率，在钻孔施工过程中多采用三棱钻杆。三棱钻杆的两端为圆柱形，中间为三棱柱形。钻进过程中，钻杆在旋转的同时还沿轴向移动，钻杆部位密封的关键是相配合的密封圈内孔截面能够改变以适应钻杆截面形状的变化。目前采用的密封环只能密封钻杆两端的圆截面，在钻杆中间的三棱部分则存在3个月牙形空隙，水、气、渣均能从此间隙渗漏出来，如图3所示。

图3 钻杆与密封圈之间的间隙

改进后的钻杆密封结构由两部分组成，分别密封钻杆的圆形截面和三棱形截面，如图4所示。在孔口密封装置上设有可转动的两半式活动后端盖，两半式活动后端盖外部固定有内径与钻杆直径相同的两半式密封圈。打开两半式活动后端盖，钻头和钻杆可穿过孔口密封装置；合拢两半式活动后端盖，两半式密封圈与钻杆两端圆形部位接触，起到密封作用。两半式活动后端盖与孔口密封装置内部的挡板之间形成密封腔，密封腔内部有互成120°、并排放置的2个开口式密封圈。该密封圈外部为圆形，内孔为与钻杆中间截面相同的三棱形，内部嵌有开口的复位弹簧圈，如图5所示。开口式密封圈内三棱形孔与三棱钻杆的中间部位接触，同钻杆一同旋转；开口密封圈侧面与孔口密封装置内部的挡板接触，共同起到密封作用。当钻杆沿轴向进给、圆形截面通过开口密封圈时，开口密封圈内孔被胀大，方便钻杆移动；通过后，在复位弹簧圈的作用下，张开口的密封圈快速恢复原状，与钻杆中间的三棱部位紧密接触。

图4 钻杆密封结构

图5 带复位弹簧的开口密封圈

(3）孔口密封装置的固定

现用孔口密封装置的固定方式是首先把孔口套管插入钻孔，再把孔口密封装置插到孔口套管的外露端来确定位置，然后用钢丝把孔口密封装置固定在巷道壁上的铁网或锚杆上，需要操作人员站在高处作业，危险性高、效率低。根据现场使用的钻机结构，在孔口密封装置的外部增加固定销套，配做固定在钻机推进油缸上的联接支架，将孔口密封装置与钻机连成一体，保证孔口密封装置的轴心线与钻机夹持器轴心线重合，利用钻机推进油缸的运动将孔口密封装置和孔口套管紧紧地顶在孔口，达到了自动安装和固定孔口密封装置的目的。孔口密封装置的固定方式如图6所示。

图6 孔口密封装置在钻机上的固定

(4）水渣分离箱的改进

矿用固液分离机具有分离能力强、自动化程度高的特点，但成本高、体积大，对适用场合要求较高。目前使用的自制水渣分离箱体积小、成本低、搬运方便，适合在井下狭小空间使用，但体积较小不能满足喷孔时对容积的要求。在现有水渣分离箱的后壁开口，联接利用风筒制作的可伸缩囊袋，如图7所示。正常工作时可伸缩囊袋折叠在一起，不占用空间；发生喷孔时，瓦斯气体将囊袋冲开，收集并存储涌出的瓦斯，再由负压抽采系统逐步抽走，不使其扩散到巷道中，既不增加现有设备的体积，又能满足喷孔时对水渣分离箱容积的要求。

图7 带可伸缩囊袋的水渣分离箱

3、现场应用试验

(1）试验区域概况

改进的三防装置在平煤八矿己15-15070工作面机巷低位巷进行应用试验。该工作面位于八矿己五采区东翼下部，采高3.3 m，平均采长203 m，可采走向长1 938 m。己16.17平均煤厚2 m，己15与己16.17煤层平均层间距5 m。己15煤层原始瓦斯压力为1.5 MPa，原始瓦斯含量12 m3/t，己16.17煤层原始瓦斯压力1.4 MPa，原始瓦斯含量6.83 m3/t，均属突出煤层。按照《防治煤与瓦斯突出细则》与《煤矿安全规程》的相关规定，机巷低位巷条带预抽钻孔布置如图8所示，钻孔孔径φ113 mm，每6 m一组，每组9个，分2列施工，钻孔分别控制到己15-15070机巷两帮轮廓线外不低于15 m范围。

图8 机巷低位巷条带预抽钻孔布置示意图

(2）试验方法

为验证改进三防装置的密封性能，与现用三防装置进行对比试验。在现场合适位置选择2个钻孔进行试验，分别测量钻孔时钻场的粉尘和瓦斯数据并进行对比。调试好现场使用的ZDY7300LX型钻机后，先使用φ133 mm钻头开孔至800 mm，退出钻杆，更换φ113 mm钻头；在钻机上安装好孔口密封装置和孔口套管，并利用钻机将孔口套管插入到φ133 mm钻孔内，推进钻杆和钻头通过孔口密封装置和孔口套管进入钻孔；用矿用钢丝复合PVC软管连接孔口密封装置和水渣分离箱、负压抽采管路。为提高密封效果，在连接软管时，均在其接头部位包裹柔性材料，并用固定卡紧固。

(3）试验效果

(1)防尘试验在钻机下风侧5 m处悬挂CCHZ-1000型全自动粉尘测定仪，测定并记录总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度；在岩石段采用干式打钻、压风排粉，钻进至10 m后，每5 min采集数据一次，测定5根钻杆钻进期间的数据并取平均值。测试结果显示：使用改进的三防装置后，呼吸性粉尘浓度为0.85～2.55 mg/m3、总尘粉尘浓度为7.2～9.8 mg/m3，使用原三防装置呼吸性粉尘浓度为13.2～26.5 mg/m3、总尘粉尘浓度为30.5～52.6 mg/m3；使用改进三防装置呼吸性粉尘除尘效率达到76.4%～81.3%，总尘除尘效率达到93.5%～90.4%，取得了预期的防尘效果。

(2)防瓦斯和防喷试验在钻机下风侧处放置跟机探头，测量瓦斯含量，对比改进前、后三防装置的钻场正常钻孔和喷孔时瓦斯浓度。在煤段采用干式打钻、压风排粉，每3 min采集数据一次，记录钻进期间的数据。测试结果显示：对于钻机下风侧回风流的瓦斯浓度最大值，使用原三防装置为0.8%，改进三防装置为0.24%；瓦斯浓度波动最大值出现在钻孔发生瓦斯喷孔时，使用原三防装置的跟机探头检测到的瓦斯浓度波动最大达到0.46%，使用改进三防装置时可伸缩囊袋被冲开，起到了缓冲、储存瓦斯的作用，跟机探头检测到的瓦斯浓度波动未超过0.2%，未出现巷道回风流瓦斯浓度升高导致的报警超限事故，说明改进三防装置密封可靠，起到了防止瓦斯泄漏、瓦斯浓度和波动幅度超限的作用。

4、结语

通过对原三防装置结构进行改进，保证了孔口套管与钻孔、三棱钻杆与孔口密封装置之间的密封效果；加设了联接支架，解决了难以安装的问题，减轻了施工人员劳动强度；在现有水渣分离箱上增加可伸缩囊袋，实现了在不增加现有三防装置体积的前提下提高了水渣分离箱的防喷能力。对比试验结果表明，与原三防装置相比，呼吸性粉尘除尘效率达到76.4%～81.3%，总尘除尘效率达到93.5%～90.4%，下风侧瓦斯浓度由0.8%下降到0.24%，杜绝了瓦斯高值事故，保证了安全生产。

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基金资助:国家自然科学基金项目(52274186);