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碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工安全防护装置的研制

2025-04-03 12 上传者：管理员

摘要：压风空气钻进是碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工常用的钻进技术，其配套的安全措施主要集中在喷孔防护方面，缺乏对钻孔内部因热量集聚而引起自燃的监测与防护。研制了一种新型基于嵌入式技术的钻孔施工安全防护装置，在钻进过程中对孔口排出的气渣进行采集分离，自动监测、分析气体成分及变化规律，识别、记录钻孔喷孔及自燃。通过调节抽采流量及排渣介质，该装置有效抑制了钻进作业现场瓦斯超限事故的发生，并及时扑灭钻孔自燃。为碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工提供了一种新型可靠的安全防护设备，有利于提高钻孔施工效率。

关键词：
安全防护装置
瓦斯突出灾害
矿井安全生产
碎软煤层
钻孔施工
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煤矿井下瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出灾害､保障高瓦斯突出矿井安全生产的根本措施｡大量实践表明,在煤层中布置钻孔进行瓦斯抽采可有效降低煤层瓦斯含量｡然而,我国煤矿煤层赋存地质条件复杂,碎软煤层占比较高,钻孔施工时极易发生喷孔､卡钻等事故｡受限于此,在进行瓦斯抽采钻孔施工时,传统水力排渣钻进的成孔率和成孔深度较压风空气钻进差距较大,压风空气钻进更适合碎软煤层钻进[1-3]｡

压风空气钻进依赖风力排渣,钻孔施工时不仅粉尘污染大,遭遇喷孔时还容易造成人员伤害并引发瓦斯超限｡为此,研究人员设计了各类防护装置[4-6],可有效降低粉尘污染并抑制喷孔对施钻的不利影响｡但是,上述防护装置缺少对钻孔内部因热量集聚而引起的自燃事故的监控,存在一定的安全隐患｡本文研制了一种新型基于嵌入式技术的钻孔施工安全防护装置,在钻进过程中对孔口排出的气渣进行采集､分离,并自动监测､分析气体成分及变化规律,协助识别钻孔喷孔及自燃,而后调控抽采流量及排渣介质,消除安全隐患｡

1、安全防护装置总体方案

安全防护装置研制的目标是防治钻孔喷孔及内部自燃｡安全防护装置总体结构如图1所示,主要由防喷气渣分离箱､水封箱､监控主机及配套气动阀门等部件组成｡

图1安全防护装置总体结构示意图

钻进作业时,钻杆通过分离箱中部圆孔及箱体后面的孔口延长管进行钻进作业｡钻进时排出的气体经水封箱除尘后进入抽放管道,掉落的钻屑被分离箱收集｡监控主机负责监控､记录气渣分离箱中的压力､温度及底部掉落钻屑重量,同时监控水封箱中水封高度､瓦斯浓度及CO浓度｡工作时,安全防护装置将依据压力及瓦斯浓度变化情况,通过气动蝶阀自动调节抽采流量来抑制瓦斯及粉尘在钻进现场的传播扩散,降低粉尘污染并防止巷道瓦斯超限;依据温度､CO浓度变化情况,对排渣介质进行气水切换并配套控制钻机启停,快速扑灭孔内自燃,消除火灾隐患;依据液位传感器对水封箱中的水位进行监控,保证水封高度,降低粉尘对抽采主管的危害并防止引燃抽放主管中的瓦斯气体｡

2、结构设计

安全防护装置采用模块化设计,其结构按功能分为4大模块,如图2所示｡

图2功能结构

防喷气渣分离装置不仅能有效分离钻屑与瓦斯气体,记录箱内压力,必要时还能利用底部V形结构收集､计量钻屑重量,可为钻孔喷孔的识别判定提供数据支持;水封灭火除尘装置用以去除瓦斯气体中细微粉尘,同时在钻孔内部自燃时切断燃烧路径,保护抽放主管;井下监控主机是整个安全防护装置的核心,利用压力､温度､CH4浓度､CO浓度传感器监控整个钻进作业流程,对发生的喷孔及自燃事故进行防治;气水切换装置负责在发现钻孔内部自燃时,控制阀门将钻杆尾部流入的压缩空气切换成水进行降温灭火｡

3、监控主机设计

依据总体方案,安全防护装置要完全发挥设计功能,监控主机除了对压力､温度､CH4浓度､CO浓度等4个主要参数进行实时监测以外,还必须要对钻进作业时的抽采流量､钻杆尾部气水切换､钻机启停三大模块进行控制｡

(1)主机硬件设计

监控主机依据功能需求,将硬件系统划分成传感器数据采集和控制信号输出两大部分,其硬件结构如图3所示｡传感器数据采集部分利用STM32微处理器自动采集压力､温度､CH4浓度､CO浓度传感器数据｡基于采集到的传感器数据,软件分析处理后形成对应的处置措施,STM32微处理器自动输出对应的控制信号对1#~3#气动阀门进行控制以调整气渣分离箱内部压力及抽采流量,保障对钻孔排出气体的高效采集并实现对气水切换装置､钻机启停及报警装置的自动控制｡

图3硬件结构

(2)主机软件设计

主机软件采用了嵌入式C语言编写｡当主机启动后,软件自动进入传感器数据采集模块,对压力､温度､CH4浓度､CO浓度进行监控｡当监测到压力､CH4浓度异常时,主机将发出报警信号,同时控制气动阀门增加抽采流量并持续监测计算其变化情况｡如果压力､CH4浓度超出限定值后仍持续升高,将进一步控制阀门直至分离箱与抽采主管直连;如果压力､CH4浓度在限定值以内,则保持初始调控措施直至压力､CH4浓度数值恢复正常钻进水平,关闭报警信号输出及阀门,恢复常规抽采流量｡同理,当监测到温度､CO浓度异常时,主机也将发出报警信号,并根据用户设置的限制值进行钻机停机､钻杆尾部停气通水等措施进行防灭火处置｡程序流程如图4所示｡

图4程序流程

4、试验效果及现场应用

防护装置首先在实验室进行了模拟试验｡从监测到压力､CH4浓度异常到主机控制气动阀门开启以加大抽采流量,响应时间小于1s;从监测到温度､CO浓度异常到主机控制气动阀门对排渣介质进行气水切换,响应时间小于1s｡模拟试验显示,防护装置响应速度快,能对钻进时遇到的异常情况进行快速处理｡

防护装置在贵州金沙地区部分矿井进行了现场应用｡在防护装置安装到位的抽采钻孔施工时,钻孔处悬挂的瓦斯便携仪器和回风侧瓦斯浓度传感器监测数据平稳,施工前后瓦斯浓度增加值小于0.1%,瓦斯浓度最大值小于0.2%｡同时,钻孔施工时产生的粉尘也大量进入水封箱,有效降低了粉尘危害｡整个钻孔施工过程中,防护装置对孔口涌出的CO进行实时监测并绘制波形曲线,现场人员能有效掌控CO浓度及其变化情况,消除了传统防喷孔装置在空气钻进施工中的监控盲区,有助于现场人员判断孔内是否自燃并进行管控｡

5、结语

安全防护装置通过气渣分离箱对孔口进行封堵,实现了钻孔排渣排气的有效分离;利用分离箱中的压力及排出CH4浓度调节瓦斯抽采流量,有效抑制了喷孔时瓦斯及粉尘大量涌出带来的危害｡此外安全防护装置消除了传统防喷装置在空气钻进中的监控盲区,实现了对钻孔自燃的有效管控,为碎软煤层瓦斯抽采钻孔安全､高效施工提供了一种新型可靠的安全防护设备｡

参考文献:

[1]姚宁平,王毅,姚亚峰,等.我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展[J].煤田地质与勘探,2020,48(2):1-7.

[2]石智军,姚克,姚宁平,等.我国煤矿井下坑道钻探技术装备40年发展与展望[J].煤炭科学技术,2020,48(4):1-34.

[3]曹小军.复杂工况下顺煤层空气定向钻进应用研究[J].钻探工程,2023,50(2):150-154.

[4]程合玉,刘小华,丁华忠,等.孔口瓦斯自动防控系统的设计[J].煤炭技术,2021,40(9):84-86.

[5]范晓刚.瓦斯抽采钻孔防喷孔装置研究及应用[J].煤炭技术,2023,42(4):158-160.

[6]陈航.基于模块化的孔口防喷除尘装置设计[J].煤矿机械,2019,40(11):20-22.

基金资助:国家自然科学基金项目(52274150);

文章来源:常宇.碎软煤层瓦斯抽采钻孔施工安全防护装置的研制[J].煤矿机械,2025,46(04):33-35.