高水压探查钻具卡紧、防喷装置研制及技术应用

蔡东红 童世杰 张 雷 章修玉 蔡 君

(恒源煤电股份有限公司任楼煤矿,安徽 宿州 235123)

1 引言

任楼矿Ⅱ51轨道大巷位于-720水平，2010年6月9日施工至G33→31.5 m出水，水量达16m3/h，经初步注浆封堵后，水量稳定在9m3/h。根据恒源煤电安〔2011〕1号文及2011年5月20号专家组《任楼煤矿Ⅱ51轨道大巷疑似陷落柱探查成果分析及Ⅱ51轨道大巷施工方案论证意见》，通过水质、水温分析Ⅱ51轨道大巷出水源有来自深部灰岩水的参与。为确保Ⅱ51轨道大巷安全贯通及进一步探明了Ⅱ51轨道大巷出水通导位置，根据煤矿安全规程的有关规定，需要利用钻探手段，对Ⅱ51轨道大巷施工地段的地质构造进行更详细的探查，以便取得更可靠的地质资料，来指导Ⅱ51轨道大巷施工，保证矿井的安全生产。在探查施工中，有效预防钻孔在高水压时孔口防喷、反压及钻具卡紧问题，以提高探放水技术、保证探放水设施的安全可靠，则是井下钻探施工的一个关键技术。

2 探放水施工工艺：

针对以前集团公司各对矿井井下施工探放水钻孔时，采用先开钻孔、下套管护壁，再在套管外安装高压闸阀的方法钻进，孔口防喷装置简单、防喷效果差；高水压钻孔钻透后，从孔壁往外喷水、顶钻，极易造成钻具伤人，且孔口无钻具卡紧装置，无法将钻具退出或退钻具过程中无法控制水量，从而对钻场施工人员生命造成严重威胁；高水压钻孔钻透后，单孔涌水量瞬间增大，从而导致对出水钻孔不能及时封堵，涌水量无法控制，易造成巷道水封，施工中对矿井安全生产存在重大安全隐患；在探查施工中，有效预防钻孔在高水压时的孔口防喷、反压及钻具卡紧问题，则是井下钻探施工的一个关键技术。为确保Ⅱ51轨道大巷顺利贯通，研制一套高水压探查钻具卡紧装置迫在眉睫。显然也为现场施工人员提供一个安全的作业环境，提高探放水技术、保证探放水设施的安全可靠，则是此次钻探施工的关键问题。

3 具体应用

3.1 结构组成

该装置由三部分组成，下部分为卸压三通，中间部是卡紧装置，上部为出物料、防喷三通。三部分可组合在一起配合高压闸阀使用，也可以下、中两部分组合配合高压闸阀使用。（如图所示）

3.2 该装置的工作原理

当钻孔涌水量低于10m3/h时，可高压闸阀利用下部卸压三通对孔内水量进行分流，以减少孔口压力；当钻孔涌水量大于20m3/h时，通过4颗顶丝顶动卡瓦座带动卡紧装置内设置的4片卡瓦移动，从而对孔内钻杆进行抱紧，将孔内钻具与钻机钻具分开，以便及时对孔内注浆封堵。

3.3 卡紧、防喷装置的应用

当钻孔内水压大时，钻孔钻透后，出水量过大，从孔内往外喷水，无法将钻杆退出或退钻杆过程中无法控制水量，从而不能及时对钻孔进行封堵，造成巷道水封。针对这一问题，本着“安全、经济、适用”的设计理念，利用现有设备和材料，自行研制加工井下高水压钻具卡紧装置，通过在Ⅱ51轨道大巷使用取得成功。

⑴采用三级结构，二路套管。开孔一级孔径φ159mm岩心钻头按设计方位、角度开孔，钻进至破碎带后（15mm左右），注浆固管并封孔。

⑵二级孔径φ127mm钻进5煤组后下入下套管护住5煤组（50mm左右），注浆固管并封孔。

⑶扫孔后在套管外安装孔口盘，将卸压三通接在孔口盘上，再在孔口盘外接卡紧装置，然后卡紧装置外接高压闸阀，最后在高压闸阀接防喷装置，钻进时，钻孔内岩粉与水从出物料、防喷装置排出。

⑷将带有φ75mm钻头的钻杆在安装此套装置前提前穿入并用卡紧装置卡住，在与机上钻杆相连。

4 效果应用

图1.钻杆卡紧、防喷装置示意图

⑴安全性能大大提高。通过使用该套装置对钻具卡紧，能对孔内钻具进行夹紧，并能及时对孔口卸压、防喷及对钻孔及时进行封堵注浆，增大了现场施工人员的安全系数，同时解决了出水时带给矿井安全生产的威胁，为建设高效、高产矿井提供条件，而且能够创造巨大的经济效益；⑵提高了探放水技术，保证探放水设施的安全可靠。当高水压时，打开下部卸压闸阀，使钻孔内涌出的高水压压力释放，同时对钻具卡紧装置紧固，解决面对孔内高水压问题。Ⅱ51轨道大巷钻探终孔地点处灰岩水的水头压力为7.9MPa，根据地质防治水规定，耐压试验必须达到静水压力的1.5倍：即12MPa。通过注浆泵对卡紧装置进行耐压试验，压力可达15 MPa。⑶在实际施工中，补4-3＃孔在施工至34米出水3m3/h，水头压力2.8Mpa。施工至44米时出水约4m3/h,施工至45米时约5m3/h，当施工至46m时，孔内涌水量达到30m3/h。此时，利用孔口钻具卡紧装置，及时用四颗顶丝将孔内钻具卡紧，顺利将机上钻具与孔内钻具分开，及时关闭高压闸阀，从而第一时间对钻孔注浆封孔，有效的防范因孔底压力增加导致孔内钻杆穿钻伤人事故，解决了人员操作难问题；同时也最大限度地减少孔内地涌水量。根据钻探注浆操作规程单孔出水量估算公式可知补4-3＃孔出水量约3370m3/h,利用钻具留置孔内时单孔出水量约333m3/h,而补4-3＃孔在钻具留置钻孔内的实际涌水量30m3/h,由此可知，当钻孔内没有钻杆时，孔内涌水量可达303 m3/h,最大限度地减少孔内涌水孔量，确保下面裂隙不至于扩大，杜绝了裂隙导通陷落柱。因此中间部及时卡紧，可使孔内出水量降低90%。利用此套装置施工达到很好地探查效果。

5 结论

⑴体积小，经济实用，易于井下安装，具有投资少使用率高、利用价值高的特点，对于井下钻孔施工极具推广应用价值。

⑵有效避免了高水压时带来的不安全因素，保证了现场施工人员的施工安全，提高探放水安全技术，减少了矿井财产损失，为矿井探放水作出了贡献。

⑶最大限度地减少孔内涌水孔量，可使孔内出水量降低90%。

[1]Li Dezhong. Mao Chuangsen, Zhu Yuezhang,Causesofwater inrush six and Integrated Contyo[J].Energy Technology and Management,2007,(6):P72-73

[2]李德忠.毛传森，朱乐章，六煤底板突水成因及综合防治技术 【J】, 能源技术与管理，2007，（6），P72-73