钻孔施工和冲孔期间防瓦斯超限综合技术措施研究

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摘要：通过对煤层底板抽采巷采用静压水、高压冲孔泵水力冲孔期间瓦斯收集器、防喷装置所收集的瓦斯量及规律进行研究，掌握施工钻孔和水力冲孔期间瓦斯涌出变化规律，并对瓦斯超限原因进行分析，积极采取有效防范措施，消除瓦斯超限现象，确保矿井安全生产。

关键词：水力冲孔 瓦斯 防超限 措施

1 概述

随着瓦斯治理工作的不断推进，国家政策逐渐严紧，提出了“抽采不达标，不进煤层”的先进理念，区域瓦斯治理措施由顺层钻孔本煤层治理转变到穿层钻孔底板岩巷抽采。由于穿层钻孔施工地点为非扰动实体煤地区，且瓦斯含量较高，在施工穿层钻孔期间常有喷孔、顶钻引起瓦斯超限现象，特别是水力冲孔期间，由于高压水对钻孔壁煤体的冲刷和切割，会造成短时的瓦斯涌出异常，瓦斯超限更为频繁，给矿井生产造成安全隐患。同时国家规定，因瓦斯防治措施不到位，1个月内发生2次瓦斯超限的矿井必须停产整顿，[1]且严禁在瓦斯超限的区域内作业[2]。为了有效降低施工钻孔和水力冲孔措施期间瓦斯超限频率和幅度，通过对底抽巷水力冲孔期间距孔口回风侧不同位置涌出的瓦斯进行测试、统计，绘制瓦斯浓度变化曲线图，分析水力冲孔期间瓦斯涌出变化规律，并对引起瓦斯超限原因进行综合分析，形成了整套的防止瓦斯超限综合技术措施。

2 研究地点及概况

15081底抽巷为全负压通风巷道，进风量720m3/min，测试地点通尺320m，煤层原始瓦斯含量18.8m3/t，水力冲孔期间采用静压水冲孔时，压力0.5～0.8MPa；采用高压冲孔泵冲孔时，压力8～12MPa。

3 测试方法

3.1 水力冲孔期间瓦斯收集器、防喷装置收集瓦斯情况测试方法。15081底抽巷穿层抽采钻孔施工见煤后，分别在瓦斯收集器、防喷装置与分源抽采管路连接处安装Ф50mm导流管，利用瓦斯综合参数测定仪每5分钟测定一次瓦斯浓度、流量、负压、温度，直至施工完毕。

3.2 施工地点回风侧瓦斯收集器距孔口不同位置的测试方法。在钻孔施工地点回风侧依次布置1～4号4个测点，每个测点悬挂甲烷便携仪，悬挂位置在巷道中线处，且距顶板不大于300mm，距施工地点分别为2.5m、5m、7.5m、10m，其中2#、3#测点上风侧悬挂有瓦斯收集器，用于监测水力冲孔期间瓦斯浓度变化情况及影响范围。

4 测试结果及分析

4.1 采用静压水水力冲孔期间，瓦斯收集器所收集的瓦斯量及规律。经过数据筛选，选取3个抽采钻孔实测数据进行分析。一号瓦斯收集器距离施工地点较近，收集的瓦斯量较多，是二号瓦斯收集器的2倍，但两个瓦斯收集器实测的瓦斯浓度没有太大变化。经计算，单个穿层钻孔从开始冲孔至结束，瓦斯收集器可收集瓦斯量约0.115m3。

经分析，当穿层钻孔见煤后，煤体快速卸压，同时释放大量瓦斯，瓦斯涌出量突然增加，施工至3～5m后，煤体内瓦斯压力趋于平衡，瓦斯释放速度放慢；施工至最后1-2m时，由于煤层顶板以下为软煤，瓦斯释放速度加快，此时易出现喷孔现象。

4.2 采用高压冲孔泵水力冲孔期间瓦斯收集器所收集的瓦斯量及规律。经过数据筛选，选取3个抽采钻孔实测数据进行分析。由于一号瓦斯收集器距离施工地点较近，收集的瓦斯量较多，是二号瓦斯收集器的7倍，但两个瓦斯收集器所实测的瓦斯浓度没有太大变化。经计算，单个穿层抽采钻孔从开始冲孔至结束，瓦斯收集器可收集瓦斯量约0.195m3。经分析，当穿层钻孔见煤后，瞬间破坏煤体内原有瓦斯应力平衡，使瓦斯压力快速卸压，同时释放大量瓦斯，但由于水压较大且持续供给，瓦斯浓度释放速度持续稳定，直至穿过煤层。

4.3 采用静压水水力冲孔期间防喷装置收集的瓦斯量及规律。经过数据筛选，选取3个抽采钻孔实测数据进行分析。冲孔期间，防喷装置可以吸收大量瓦斯，瓦斯浓度、混合流量、纯流量值普遍较大；经计算，单个穿层抽采钻孔从开始冲孔至结束，防喷装置可收集瓦斯量约13m3。防喷装置内瓦斯浓度随冲孔时间的延长而变大，一般冲孔时间在10～15min后，瓦斯浓度达到最大值，之后由于防喷装置封闭较为严密，冲出的煤渣与瓦斯不易释放，造成瓦斯涌出量忽大忽小。

4.4 采用高压冲孔泵水力冲孔期间防喷装置所收集的瓦斯量及规律。经过数据筛选，选取3个抽采钻孔实测数据进行分析。采用高压冲孔泵冲孔期间，防喷装置可以吸收大量瓦斯，相比较静压水混合流量、纯流量值普遍较大；经计算，单个穿层抽采钻孔从开始冲孔至结束，瓦斯收集器可收集瓦斯约15m3。防喷装置内瓦斯浓度随冲孔时间的延长而变大，一般冲孔时间在10～15min后，瓦斯浓度达到最大值，之后由于防喷装置封闭较为严密，冲出的煤渣与瓦斯不易释放，造成瓦斯涌出量忽大忽小。

4.5 合理布置瓦斯收集器距施工地点的距离。经过数据筛选，采用静压水、高压冲孔泵冲孔期间，瓦斯浓度涌出规律基本一致，回风侧瓦斯浓度随冲孔时间的延长而变大，尤其是在钻孔施工完毕停钻后，瓦斯浓度依然很大，并且有短暂性喷孔。由1#、2#测点数据分析确定，施工地点回风侧3-5m范围内瓦斯浓度最大，持续时间最长，施工中涌出的瓦斯在这个范围内未混合到巷道风流中，积聚性较强。

4.6 测试结果分析：①单个穿层钻孔从开始施工至结束，采用静压水水力冲孔和高压冲孔泵水力冲孔时，防喷装置和瓦斯收集器共计收集瓦斯量分别约13.115m3和15.195m3。②经过数据对比，15081底抽巷在抽钻孔1413个，10寸总孔板测定每七天瓦斯抽出量约10000m3，每孔抽出量为7.75m3。因此，采用静压水和高压冲孔泵冲孔，单个穿层钻孔所收集的瓦斯量分别是正常抽采量的1.7倍和2倍。③瓦斯收集器的作用就是将孔内涌出的瓦斯在未混入到风流中时就及时收集，建议瓦斯收集器的悬挂位置应在施工地点回风侧3～5m范围内。④对比冲孔效果，从测定数据可知，采用高压冲孔泵冲孔，瓦斯浓度和静压水冲孔大致相同，但混合流量有所增加，瓦斯涌出量较大。⑤抽采钻孔施工完毕后，由于孔内部分瓦斯压力未卸压，在起钻后仍会出现喷孔现象。⑥针对冲孔期间瓦斯涌出存在间歇性和不稳定性，且孔内时长伴有小型突出。

4.7 根据施工钻孔和水力冲孔措施期间瓦斯变化情况对超限原因综合分析。①穿层钻孔初见煤体或进入软煤发育区时，由于钻孔打破了原有瓦斯赋存平衡状态，致使煤层中大量的高压瓦斯瞬间解吸，喷出钻孔引起瓦斯超限。②软煤发育区瓦斯含量高，钻孔塌孔严重，积渣堵塞钻孔后排渣不利，当压力聚积到一定程度后，煤渣与瓦斯突然喷出，引起瓦斯超限。③钻机退钻过程中，由于退钻速度快，大量的瓦斯和煤体快速涌出，引起瓦斯超限。④穿层钻孔进行水力冲孔期间，由于高压水体快速剥离煤体，大量的瓦斯及煤渣在高压水流的作用下瞬间喷出钻孔，引起瓦斯超限。⑤抽采钻孔施工完毕后，未及时进行连抽，由于孔内部分瓦斯压力未卸压，在起钻后仍会出现喷孔现象，造成喷孔时瓦斯直接进入巷道风流中，引起瓦斯超限。⑥防喷装置抽采连接管管径细或防喷装置与钻杆接触区域封闭不严等原因，造成喷孔时部分瓦斯进入巷道风流中，引起瓦斯超限。⑦煤层底（顶）板抽采巷内施工穿层钻孔时多台钻机平行作业同时见煤，由于瓦斯涌出量叠加，引起瓦斯超限。⑧巷道配风量小，不能有效稀释打钻期间涌出的瓦斯，引起瓦斯超限。

5 防治瓦斯超限综合措施

①从源头着手，规范巷道设计，确保通风系统合理、可靠。②利用井下瓦斯抽采泵站实施高、低浓度分源抽采，确保易喷孔区域打钻、冲孔全程连抽。③有喷孔现象的地区，打钻和水力冲孔期间，必须使用防喷装置，防止瓦斯超限。④改进并完善防喷装置，加大抽放连接管路直径（不小于100mm），提高各连接部位密封性能。⑤推广使用孔口及巷道风流瓦斯收集装置“双保险”，降低巷道风流瓦斯浓度。⑥合理安排钻孔施工顺序，充分利用已连抽钻孔的卸压作用，降低喷孔强度。⑦在打钻地点回风侧3m范围、10-15m范围分别吊挂甲烷检测报警仪和甲烷传感器，对巷道内风流瓦斯实时监测。⑧抽采巷道内多台钻机平行作业时，严禁同时见煤，防止瓦斯集中涌出。⑨钻孔施工结束后应及时连抽，减少钻孔瓦斯涌出，降低风流瓦斯浓度。

6 结论

①通过测试对比、分析静压水和高压冲孔泵水力冲孔期间瓦斯收集器、防喷装置所收集的瓦斯量及规律，确立了高压水力冲孔效果。②通过密切观察施工钻孔和水力冲孔期间孔内及涌入巷道内的瓦斯变化情况，掌握瓦斯涌出变化规律，改进完善防喷和瓦斯收集装置。③通过不同测点瓦斯收集器收集瓦斯量的对比分析，合理布置瓦斯收集装置，确保效果最好。④对瓦斯超限原因进行综合分析，完善了各项防范措施，形成了整套的防治瓦斯超限综合技术措施体系。⑤根据数据统计，防治瓦斯超限综合技术措施推广应用以来，矿井瓦斯超限次数同比下降90%以上，杜绝了1.5%浓度以上瓦斯超限现象，促进了矿井安全生产。

参考文献：

[1]发展改革委，安全监管总局.关于进一步加强煤矿瓦斯防治工作的若干意见[S].北京，2011，5-23.

[2]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.《煤矿安全规程》[S].煤炭工业出版社，2011.

[3]中华人民共和国国家发展和改革委员会，国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.《煤矿瓦斯治理经验五十条》[S].北

京，2005，3-22.

作者简介：

孙海朋（1983-），男，河南滑县人，助理工程师，本科学历，现从事一通三防技术管理工作。