穿层钻孔喷孔发生的突变机理及防喷孔措施

第ｌ５卷第２期（总第９３期）　２０１０年４月　煤　矿　开　采　Ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．１５Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．９３）　Ａｐｒｉｌ　２０１０　穿层钻孔喷孔发生的突变机理及防喷孔措施　黄旭超，程丽，陈宴勤，王艳华　（煤炭科学研究总院蘑庆研究院，重庆４０００３７）　［摘要］　结合穿层钻孔发生喷孔的表现形式及力学条件，运用非线性理论中的突变理论对穿　层钻孔发生喷孔的原因进行了解释。基于矿井钻孔安全施工的需要，介绍了穿层钻孔安全施工的防喷　孔措施。通过现场应用认为：采用防喷孔措施能有效控制穿层钻孔施工过程喷出的煤与瓦斯，消除打　钻过程中由喷孔引起的安全事故的发生。　［关键词］　穿层钻孔，喷孔，突变，防喷孔　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００６—６２２５（２０１０）０２－００９７－０３　［中图分类号］ＴＤ７１３．３２　Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　Ｈｏｌｅ　Ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｉｎ　Ｄｒｉｌｌｉｇ　ｔｎｈｒｏｕｇｈ　Ｓｔｒａｔａ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｕ．ｃｈａｏ，ＣＨＥＮ　Ｌｉ。ＣＨＥＮ　Ｙａｎ．ｑｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ．ｈｕａ　（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｒｏｍ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ　ｈｏｌｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｃａｕｓｅ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｔｒａｔａ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｓｔｙｌｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｌｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｔｒａｔａ．Ｆｏｒ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｓａｆｅｔｙ，ｉｔ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｈｏｌｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ．Ａｃｔｕａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｓｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｃｏｕｌｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｔｒａｔａ　ａｎｄ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ｈｏｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌ　ｈｏｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｔｒａｔａ；ｈｏｌｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ；ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｌｅ　ｓｐｒａｙｉｎｇ　钻孔喷孔是钻孔施工过程中或钻孔施工完毕　体，最后球壳状煤体在瓦斯压力作用下发生失稳破　坏。钻孔发生喷孔，即必须先后满足以下３个力学　条件：　（１）含瓦斯煤体在地应力的作用下发生剪切　破坏　Ｇｏ≥后，由于钻孔施工时的震动作用，或是由于钻孔周　围煤体的失稳，在较短的时间内连续不断地从钻孔　巾喷出大量的煤粉和瓦斯。钻孔喷孔现象可以认为　是在钻孔施工过程中发生的小型煤与瓦斯突出。在　突出煤层尤其是松软高地应力突出煤层的穿层钻孔　施工过程中，往往容易发生从钻孑Ｌ喷孔现象。　｝　㈩　为应　钻孔喷孔的发生机理与普遍意义上的煤与瓦斯　突出机理在本质上是相同的¨　。但由于穿层钻孔　的作业环境和打钻给煤层所带来的应力变化等原　因，钻孔喷孔的发生机理有其自身的特点。研究穿　层钻孔的喷孔机理及防喷孔措施对突出煤层的安全　作业以及煤矿的安全生产具有重要的现实意义。　式中，ｏｒ。为应力峰处的切向应力，ＭＰａ；　力峰处的径向应力，ＭＰａ；　为含瓦斯煤体的内摩　擦角，（。）；Ｋ为含瓦斯煤体的内聚力，ＭＰａ。　（２）地应力作用后产生的裂纹在瓦斯压力的　作用下扩展　。　（２）　１喷孔发生的突变机理　钻孔发生喷孔首先是煤体在一定的力学条件下　发生失稳破坏。由于煤岩体受力破坏，其应力应变　全过程具有高度非线性和不可逆性。因此，我们采　用非线性理论中的突变理论来研究钻孔喷孔。　１．１　钻孔喷孔发生的力学条件　式中，ｐ　为第ｉ个裂纹中积聚的瓦斯压力，ＭＰａ；　Ｐ　为暴露面处的大气压力，ＭＰａ；Ｋ　。为煤体的断　裂韧性，ＭＮ／ｍ　；Ｒ为裂隙的半径，ｍ；叼为周　围裂纹的影响系数；ｈ为裂纹距暴露表面的距离，　ｉｎ；Ｍ　为受Ｒ／ｈ影响的系数。　钻孑Ｌ钻进过程中发生喷孔，首先都是在地应力　作用下发生剪切破坏，产生一系列的裂纹，然后裂　（３）扩展形成的球壳状煤体在瓦斯压力作用　下失稳破坏　纹在瓦斯压力的作用下继续扩展，并形成球壳状煤　［收稿日期］２００９—１０—１３　Ｐ０≥［１—０．００８７５（咖　一２０。）］（１—０．０００１７５　［基金项目］国家重点基础研究发展计划（９７３）项目（２００５ｃｂ２２１５０４）　［作者简介】黄旭超（１９８１一），男，四川德阳人，工程师，从事煤矿瓦斯灾害防治技术研究工作。　９７　总第９３期　煤矿　开　采　２０１０年第２期　．３Ｅ　Ｐ：　（３）　的破裂阵面推进速度　从平衡曲面的上叶跃过中　叶，喷孔便会启动。　２防喷子Ｌ措施　式中，　为第ｉ个球壳状煤体的边缘与其曲率中心　构成的中心角的一半，（。）；Ｅ为煤体的弹性模量，　ＭＰａ；ｔｉ为球壳状煤体厚度，ｍ；Ｒ　为球壳状的曲　基于对穿层钻孔喷孔发生的突变机理的认识，　率半径，ｍ；Ｐ０为球壳状煤体后部裂隙内的瓦斯压　力（实际瓦斯压力），ＭＰａ；Ｐ：为暴露面处的大气　压力，ＭＰａ。　在现场施工中如不采取有效措施，则喷出的瓦斯及　煤粉直接进入钻场，造成瓦斯事故并可能危及人员　安全。因此，在穿层钻孔施工过程中采用防喷孔措　施具有很重要的意义。　令式（３）中的右边部分为Ｐ　，则对于穿层钻　孔来说，发生煤与瓦斯喷出的力学条件为：　≥Ｐ　（４）　１．２钻孔喷孔的突变作用　￣６　由钻孔喷孔发生的力学条件可知，穿层钻孑Ｌ发　生喷孔与地应力、瓦斯压力以及煤的物理力学性质　有关，在球壳状煤体形成之前以及发生失稳之前，　随着钻进工作的进行，煤体内慢慢形成破坏裂纹，　但这一过程不具备突变的特性，可以看作是一个连　续的过程。随着钻进工作的继续进行，球壳状煤体　在发生失稳破坏并发生喷出的过程，具有明显的突　变性，即扩展形成的球壳状煤体在瓦斯压力作用下　发生失稳破坏具有突变性。　根据上述分析应用尖点突变理论，取喷孔参数　ｚ为状态变量，抵抗应力ｏｒ和应变　为控制参数，　建立含瓦斯煤岩喷孔的突变模型。喷孔启动过程的　突变机制可以通过图１进行定性描述。图１中平衡　曲面　的上叶代表煤体的破裂发展状态，下叶代　表喷孔的发展状态，喷孑Ｌ从启动到发展的过程就是　从上叶到下叶的跃迁过程，而从下叶到上叶是喷孔　的终止过程。在无扰动的情况下，图１中分叉集的　右支曲线为喷孔过程的临界起动条件，而分叉集的　左支曲线为喷孔的临界终止条件。　“　ｍ，ｍ　控制参数（　，曲的变化轨迹　图１　钻孔喷孔起动过程的尖点突变模型　实际打钻过程中，各类打钻活动总会不可避免　产生扰动。在有扰动的情况下，可能当控制参数　（　，占）仍处于尖点曲线内还未达到临界起动条件　时，喷孔就被启动而进入发展阶段，至于在何处启　动，与扰动的大小有关。只要扰动足以使失稳煤体　９８　２．１　防喷孔装置介绍　采用穿层钻孔防喷孔装置，并结合大功率、大　扭矩、高转速的井下用钻机、高强度钻杆及组合变　径钻具施工成孔。穿层钻孔施工安全装备——防喷　装置示意见图２。　１一封孔器；２－－一次进气抽采管；３－－抽采管路连接管；　４一汽水分离器；５－－排渣器；６一钻机；７一二次进气管；８～巷道　图２防喷装置　在钻孔孔口安装防喷装置进行边钻进边抽采，　以预防作业场所瓦斯超限。发生喷孔时产生的煤　尘、煤渣和瓦斯通过的气、煤、水粗分离器初步分　离，将钻孔内喷出的瓦斯通过专用装置大部分引入　专用管路进行有效控制，而喷出的煤、水、钻渣及　少部分残余瓦斯等则通过另一专用管路经排渣器进　人沉淀池，残余瓦斯则经分离器进入抽放系统中，　从而防止钻孔内喷出的煤与瓦斯涌人作业场所造成　瓦斯事故和人员伤害。　２．２　防喷装置使用技术事项　（１）钻机稳好后加钻杆按钻孔设计的方位及　角度先用大钻头（如＋１５０ｍｍ）在岩石段施工３ｍ　钻孔（二次钻进用可　９ｌｍｍ钻头钻进至见煤），　退出钻具。　（２）安设防喷装置，将封孔器的孔内固定盘　和孔内固定管联接下入孔内，并对其进行张拉试　验，确保固定盘和孔内固定管能稳固的固定在孔　内，再安装封孑Ｌ器分离装置；在适当位置安设移动　式抽排泵，用瓦斯抽放管将防喷装置瓦斯出口与移　动式抽排泵连接。　黄旭超等：穿层钻孔喷孔发生的突变机理及防喷孔措施　２０１０年第２期　（３）穿层钻孔施工过严重突出煤层煤孔段时，　可采用预抽变径钻进技术。即在煤孔段采用更小直　径（如ｑｂ７５ｍｍ）二级钻头施工；若采用防喷装置　仍然发生严重喷孔时，暂时停止钻进，通过连接到　煤。采用严重突出煤层穿层钻孔安全装备及技术　后，在施工后面的多个穿层钻孔中，都顺利的穿过　了９煤层，未发生一起因喷孔造成的瓦斯超限事　故，巷道内瓦斯浓度始终控制在０．３％以下。　４结束语　（１）根据穿层钻孔喷孔的表现形式及钻孔喷　临时抽采管路上的防喷装置抽采一段时间，待钻孔　周围煤层卸压后，继续钻进，穿过突出煤层。　（４）由于突出煤层打钻的复杂性，开钻前应　做到：钻机安装要周正、稳固，压车柱打牢有劲。　（５）钻进过程中要加强对异常情况的观察，　如出水、涌水、气体大量涌出，顶钻、卡钻、喷孔　孔发生的力学条件，运用非线性理论中的突变理论　很好地解释了钻孔喷孔。　（２）采用防喷孔安全装备及技术能有效控制　穿层钻孔施工过程喷出的煤与瓦斯，消除了打钻过　程中由喷孔引起的安全事故的发生。　［参考文献］　［１］于不凡．煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［Ｒ］．北京：煤　炭工业出版社，２００５．　等异常；煤孔段钻进过程若因故停钻，要将钻头退　离到安全地段，若时间过长，要及时将钻具全部取　出，确保孔内安全。　３应用实例　祁东煤矿９煤为高瓦斯松软突出煤层，在二采　区９煤底板巷施工穿层钻孔过煤层段过程中，采用　压风排屑工艺和水力排渣工艺都曾发生过多次喷　［２］尹光志，等．煤岩体失稳的突变理论模型［Ｊ］．重庆大学学　报，１９９４，１７（１）．　［３］何学秋．含瓦斯煤岩流变动力学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学　出版社，１９９５．　孔，造成施工巷道瓦斯超限，其中最强烈的一次喷　孔，喷出瓦斯１０７４ｍ　，喷出煤近２ｔ。喷孔给钻孑Ｌ　施工造成了极大的困难，也构成了极大的安全隐　［４］王凯．煤与瓦斯突出启动过程的突变理论研究［Ｊ］．中国　安全科学学报，１９９８，８（６）：】０—１５．　［５］凌复华．突变理论入门［Ｍ］．　１９８３．　海：科学技术出版社，　患。为了安全施工，采用防喷装置并结合过突出煤　［６］肖福坤，董建军，周立光．煤与瓦斯突出的突变学分析［Ｊ］．　层安全钻进技术，即打钻前安装好防喷装置，钻孔　施工至９煤时停止钻进，抽采一个圆班，再穿９　（上接４９页）　黑龙江科技学院学报，２００２（２）．　［责任编辑：毛德兵］　［３］林健．高强度高刚度强力锚固支护体系在深部高应力软岩　他２个模型，压应力区要小于其他２个模型，即围　岩的受力状态是最差的。因此，在深部高地应力条　件下，选择弹塑性模型或应变软化模型是偏于安全　的，计算得出的结果也是不利于工程安全实施的。　巷道的应用研究［Ｊ＿．煤矿开采，２００６，１１（６）：５９—６２．　［４］王明洋，周泽平，钱七虎．深部岩体的构造和变形与破坏情　况［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００６，２５（３）：４４８—４５５．　［５］康勇，李晓红，杨春和．深　隧道围岩损伤破坏模式的数　值试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（Ｓ１）．　［６］周家文，等．岩石应变软化模型侄深埋隧洞数值分析中的应　用［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００９，２８（６）：１１１６—１１２７．　［７］周宏伟，谢和平，左建平深部高地应力下岩石力学行为研　究进展［Ｊ］．力学进展，２００５，３５（１）：９１—９９．　（３）本文虽考虑了岩体的蠕变特性和塑性破　坏，但未考虑煤岩体在大偏应力的扩容膨胀和煤岩　体变形的冲击性以及节理、裂隙面的剪切流变等。　［参考文献］　［１］康红普，王金华．煤巷锚杆支护理论与成套技术［Ｍ］．北　京：煤炭工业出版社，２００７．　［８］孙钧．岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展［Ｊ］．　岩石力学与工程学报，２００７，２６（６）：１０８１—１１０６．　［９］王永岩，等．深部岩体非线性蠕变变形预测的研究［Ｊ］．煤　炭学报，２００５，３０（４）：４０９—４１３．　［２］康红普．深部巷道锚杆支护理论与技术［Ａ］．中国煤炭学会　第六次全国会员代表大会暨学术论坛论文汇编［Ｃ］．北京：　煤炭工业出版社，２００７．　［１０］陈炳瑞，冯夏庭．黏弹塑性普适模型及工程应用［Ｊ］．岩石　力学与工程学报，２００８，２７（５）：１０２８～１０３５．　［责任编辑：林健］　（上接５８页）　［３］Ｆａｒｍｅｒ　Ｉ　Ｗ，Ｈｏｌｍｂｅｒｇ　Ａ．Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　ａ　ｒｅｓｉｎ　ｇｒｏｕｔｅｄ　ｒｏｃｋ　ａｎｃｈｏｒ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｏｃｋ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ａｂｓｔａｃｔｓ，１９７５（１２）．　学报，２０００，１９（３）：３３９—３４１．　［５］何思明，李新坡．预应力锚杆作用机制研究［Ｊ］．岩石力学　与工程学报．２００６，２５（０９）：１８７６—１８８０．　［６］陆士良，汤雷，杨新安．锚杆锚固力与锚固技术［Ｍ］．北　［责任编辑：林健］　９９　［４］尤春安．全长粘结式锚杆的受力分析［Ｊ］．岩石力学与工程　京：煤炭工业出版社，２０００．