煤层冲击地压卸压钻孔成孔关键技术与装备分析

赵开里

摘要:冲击地压在煤矿开采作业中具有高发性，属于动力灾害，而且破坏性较强。一旦发生冲击地压，必然会对井下作业人员的生命安全造成较大的威胁，还会破坏井下各种构筑物及仪器设备，带来巨大的经济损失。因此针对冲击地压灾害应做好预防工作。针对冲击地压产生的原因进行分析，并采取具体的措施做好防范工作，降低或避免冲击地压发生的机率，为煤矿安全生产作业提供重要的保障。

关键词：冲击地压；卸压钻孔；高效排渣

中图分类号：F406文献标识码：A

引言

矿井因开采初期受地质构造、地应力及工作面布置等因素的影响，开采后期工作面不可避免地呈现不规则形状，呈现出复杂地质特征，尤其我国山东地区，此类工作面邻近煤柱应力集中，且覆岩空间结构复杂，高应力集中和复杂的覆岩结构导致这些复杂地质工作面冲击地压危险性较高，易诱发冲击地压，给冲击地压防治带来一系列问题。针对复杂地质工作面开采过程中的问题，许多学者与专家已进行了大量的研究。

1 煤矿冲击地压灾害的特征及破坏机理

在当前煤矿生产过程中，由于存在较多的不安全因素，冲击地压是其中较为常见的灾害。冲击地压发生时，煤岩内部会积聚大量的能量，当其达到最大临界承载强度时，巷道和采煤工作面周边岩体会释放出变形能，岩体被破坏，导致煤矿地下支架塌坍，出现冒顶现象。冲击地压发生后会造成较大的损害，比较严重的情况会导致煤或是岩石从巷道两侧爆裂开来，出现煤岩弹射的情况，导致巷道直接被摧毁或是产生巨大的能量，威胁井下作业人员的安全，破坏地下的设备和设施。而且冲击地压发生时，还易引发一些基础潜藏的矿井灾害，在巨大震动下巷道顶板出现冒落，影响通风和运输，特大冲击地压发生时，还易激起井下煤层或瓦斯爆炸、出现地表河流湖软质泥岩等二次威胁，造成地面构筑物的破坏和倒塌。冲击地压对矿井的威胁性大，发生的机理复杂和多变，这也导致无法找到一套治理冲击地压的既定理论，需要针对不同问题不同对待，从而针对不同问题以基础理论为依据，制定具有针对性的措施，及时解决问题。作为一种特殊的矿压显现形式，存在较多的影响因素，显现形式也更具多样性，会带来十分严重的后果，因此在煤矿开采作业过程中，需要对冲击地压给予充分的重视。

2 冲击地压煤层卸压钻孔成孔关键点

根据对现有岩爆泄压钻井技术的分析，岩爆泄压力钻井成孔率低的原因是：一是钻井时间和辅助钻井时间长，导致在施加岩爆压力前无法完成钻井施工；第二，施加冲击土压力后，孔内突然增加的大量煤屑无法及时排出孔外。因此，如何缩短钻孔施工时间，提高钻孔排渣能力，是岩爆泄压钻孔施工的难点和重点。高效排渣是岩爆卸压钻井的关键技术。当岩爆压力突然来临时，井壁将不稳定，并立即产生大量煤屑，煤屑将迅速填满井眼的环形空间，造成井眼堵塞，甚至容易造成掩埋事故。如何在短时间内将大量的煤屑和钻渣排出孔外，保持排渣通道畅通，是保证卸压钻孔的关键因素。高速大扭矩旋转钻进将大大提高螺旋钻柱的机械破碎、混合能力和外推力，促进孔内大量煤屑迅速排出孔外，大大降低埋卡事故的概率，提高卸压钻进成孔率。

3 冲击地压卸压钻孔工艺技术

3.1 煤矿压力预测技术

利用煤矿压力预测技术可以对煤炭倾向压力进行预测，并科学检测煤炭岩石硬度，在实际应用煤矿压力预测技术时，能够综合考虑到煤岩内部的各种因素，这也使该技术应用十分广泛。当前在煤矿开采作业过程中，一些煤矿冲击地压具有较强的倾向性，这种倾向性可以通过实验来进行检验。一般会在煤炭开采前做好实地测绘和分析，以此来保证后续井下作业的安全。也可以利用钻屑法，通过在煤体内进行钻孔作业，以此来获得煤粉量，并掌握具体的变化规律，科学地对煤层潜在冲击危险的等级进行划分，并借助于仪器设备对煤矿冲击地压开展有效的预测。一般会以 10 m 为一个间隔，合理进行测点设置和合理控制测量检测时间。详细记录煤矿破坏期间的各种数值，并合理运用相应的方法对煤矿冲击地压风险进行预测。具体可以采用静态临界值法和动态趋势值法。针对工作面实施检测过程中，具体可以使用便携式电磁辐射仪，根据获取的检测数据来预防冲击地压灾害。

3.2 支护保安

强化支护管理，以提高巷道抗冲击能力，这主要包括巷道支护、工作面支护以及工作面超前支护。矿井应根据采掘工作面的地质条件、开采方式、巷道布置形式和断面情况，结合围岩强度、围岩结构、地应力、煤层厚度等进行地质力学分析，设计支护参数，不断优化和强化采掘工作面的方式和质量， 确保支护效果， 减少压力传递对巷道的破坏和对人员的伤害。

3.3 大直径钻孔卸压

通常会针对应力集中或是巷道采煤较深的情况设置卸压孔，或是采用无煤柱、消除邻近层煤柱相互作用及优化开采顺序等方式来进行减压，降低冲击地压发生的概率。具体卸压时，对于冲击地压爆发位置，通过设置大直径钻孔进行卸压。大直径钻孔设置后，会破坏巷道内的围岩结构，这样可以将其转化为弱化带，促进一些部位的高应力不断向深度位置扩散，使巷道位置处的围岩应力下降。而且大直径钻孔在冲击地压发生时，还有利于吸收冲击煤粉，卸压区内的顶底板在冲击地压发生时能够构建起闭合楔形阻力带，对煤体冲击起到一定的阻挡作用，降低其带来的损失。在针对高应力环境进行开采作业时，利用钻孔卸压能够对钻孔周边的煤体和岩石起到有效的破坏作用，释放出煤层中的能量，以此来削弱冲击应力。具体作业过程中，以煤层压力和高压力的释放作为主要方式，更符合煤层开采作业的具体要求。通过应用钻孔方式将岩石高应力向其他岩体转移，达到卸压的目的。具体作业时应与实际情况相结合，合理选择钻机型号，钻杆长度和钻头直径也要与实际情况相符，打孔深度还要与标准距离相符，合理控制孔身与底板的距离。实际钻孔施工时，采取单排钻孔方式进行布局，并对钻孔参数实施有效控制，使其在起到卸压作用的同时，进一步保证钻孔作业的安全性。

3.4 冲击地压卸压钻孔装备配套

应提供高回转速度，以实现高效排渣；根据以往煤层卸压钻孔施工经验，回转速度应满足：≥200R/min；应提供较大的转动扭矩，以确保施加土压力时钻具在孔内安全快速通过，避免发生卡钻和埋钻事故，并确保泄压钻井的成孔率；应体现结构简单、操作方便、快速灵活的特点，以便在卸压钻井施工过程中缩短辅助钻井时间，实现快速成孔的目的。①将冲击钻机运至施工现场，连接供水管道；②依次连接PDC钻头、宽叶片螺旋钻杆和给水器，连接后打开供水孔；③钻杆施工完成后，控制钻机动力头，将钻杆螺纹卸下，在动力头与支架之间增加1m宽的翼螺旋钻杆，继续钻进。每个钻孔周期不需要拆卸，大大节省了钻孔辅助时间，直到设计孔深；④在钻进过程中，严格控制旋转扭矩和转速的变化和增加，根据孔内渣量和钻进压力及时控制水介质的流量和压力，确保煤渣及时排出。

结束语

煤矿井下开采作业具有高危性，冲击地压灾害是其中较为严重的安全隐患。一旦冲击地压灾害发生，必然会直接伤害到井下作业设施和作业人员的安全。因此在煤矿开采作业过程中，需要全面对冲击地压灾害发生的条件、影响因素进行了解，并制定切实可行的防治措施，避免冲击地压灾害的发生，确保煤矿井下作业的安全性。

参考文献

[1] 刘海平，孟国胜.忻州窑矿冲击地压综合防治技术研究与应用[J].煤炭工程，2016（6）：73-76.

[2] 王毅．中风压钻进在煤矿井下的应用［J］．煤田地质与勘探，2009，37(03):70－73．