寺河煤矿井下近水平定向钻孔工艺研究

煤矿瓦斯是影响煤矿井下安全生产的重要因素,同时作为一种新能源正越来越受到重视。为了解决煤矿井下瓦斯安全问题和新能源的开发利用,近水平定向钻孔抽采瓦斯技术得到了广泛应用。近水平定向钻孔抽采瓦斯技术的核心是钻孔施工过程中对钻孔轨迹进行精确控制。本文通过分析影响定向钻孔施工的因素结合现场钻孔施工,总结出了煤矿井下近水平定向钻孔施工的经验及规律,达到了对钻孔轨迹精确控制的目的。     

煤炭科学研究总院西安研究院

煤矿井下定向钻进技术是高效治理煤矿瓦斯的一项重大关键技术,近年来也一直是国际上关注和积极发展的关键技术。我国煤矿井下定向钻进技术自“九五”攻关重点研发以来。虽取得较大进展,但钻进装备的核心技术一直受制于国外,影响了钻进效果和安全生产水平的提高。成为我国解决煤矿安全生产突出问题的一大瓶颈。     

煤矿区钻探技术装备新进展与展望

我国煤层气资源非常丰富。在煤矿区,煤层气(瓦斯)开发具有增加洁净能源供给、提高煤矿安全生产保障能力、减少温室气体排放等多重效益。地面钻井开发与井下钻孔抽采是煤矿区煤层气(瓦斯)开发的基本途径,同时也是煤矿区应急救援的主要手段。本文介绍了煤矿区地面煤层气开发新技术装备,大直径钻孔施工技术与装备及井下中硬、松软煤层和岩层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备。在此基础上分析了在新形势下煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻孔成孔技术和装备发展需求,为我国煤矿区煤层气（瓦斯）钻孔成孔提供借鉴。     

我国井下水平定向钻进技术研发取得重大进展

煤矿井下定向钻进技术是实现煤矿现代化生产和高效治理煤矿瓦斯的一项重大关键技术,近年来也一直是国际上关注和积极发展的关键技术。2008年4月初,由煤炭科学研究总院西安研究院承担的国家发改委煤矿瓦斯综合治理与利用关键技术研发和装备研制项目"井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发",在陕西彬长亭南煤矿一盘区113工作面进行了现场工业性试验,     

煤矿井下近水平定向钻进技术装备及应用

矿井地质是煤矿安全生产的前提条件和基础,作为地质情况呈现的直观手段,井下钻探技术与装备目前已经广泛应用于矿井边界勘探、井下治水、瓦斯治理等领域。根据井下钻探施工发展与技术现状,在分析了煤矿井下钻探技术面临的主要挑战的基础上,介绍了定向钻进技术与装备在煤矿井下的应用与前景。     

煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器研制

当前,煤矿井下钻孔作业时,瓦斯监测系统只能反映钻孔孔口处瓦斯抽采量,无法获得钻孔内某个区段的瓦斯抽采效果, 随着煤矿井下瓦斯抽采钻孔孔深增加,沿钻孔长度方向瓦斯抽采效果出现明显分区,不同孔深处有效抽采半径出现较大差异,导致煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置难度较大,不确定性增加。针对此问题,设计一种煤矿井下钻孔内瓦斯浓度监测传感器,该传感器基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)原理,可实现钻孔内多点同时在线监测,保证了孔内无源,实现了本质安全。首先,分析TDLAS瓦斯测量基本原理,从气体分子吸收光谱原理出发,介绍了激光光源的选择,并根据比尔?朗伯定律推算瓦斯气体浓度解算公式。然后,在此基础上进行瓦斯浓度监测传感器设计,包括光程设计、结构设计、保护工艺设计和孔中操作流程4方面。最后,从性能和可靠性2方面出发,进行相对误差测试、稳定性测试、响应时间测试、与非色散红外传感器性能对比和防水防尘测试。设计的瓦斯浓度监测传感器直径40 mm,长度80 mm,传感器本质安全,结构上能够很好地适用于煤矿井下钻孔内应用。性能测试中,传感器全量程最大相对误差2.8%,小于孔内瓦斯浓度±6%的监测标准;稳定性测试中,传感器数据的波动范围在0.015%,稳定性为0.28%,满足稳定性小于1%的要求;传感器的响应时间约为8 s,满足响应时间小于10 s的要求;与非色散红外传感器对比测试中,设计的TDLAS瓦斯浓度监测传感器的相对误差和响应时间都明显优于非色散红外传感器。可靠性测试中,传感器长时间处于高湿度环境中,其测量精度并未受到影响,保护工艺可有效防水。性能测试和可靠性测试结果表明,瓦斯浓度监测传感器能够很好地满足孔内瓦斯浓度监测需求,在煤矿井下孔中监测方面具有很好的应用前景。      

煤矿地质类型划分若干问题研究

针对分析了现行《煤矿地质工作规定》中地质类型划分问题,通过分析煤矿地质类型划分报告和煤矿地质报告的异同点、煤矿瓦斯类型划分指标、及其地质类型划分对煤矿地质、煤矿设计、安全生产的影响,结合《矿井地质规程》等相关现行技术规定及标准,指出《煤矿地质工作规定》中地质类型划分与煤矿(建井、生产)地质报告关系人为复杂化、煤矿地质类型评定在空间和时效性存在矛盾、煤层瓦斯含量作为划分瓦斯类型指标不合理以及煤矿地质条件分类与煤矿生产安全相联系的目的性缺失等突出问题。建议把煤矿地质类型划分报告并入煤矿建井及生产地质报告之中;明确"地质类型划分"以煤矿接续区为评价对象;提出以矿井瓦斯等级为主、瓦斯压力及瓦斯含量为补充作为煤矿瓦斯类型划分指标;并给出了"四类十型"煤矿地质类型划分方案。     

煤层气经济回采量的评价和计算

煤层气（瓦斯）是煤矿中的一种有害气体，也是一种优质能源，将抽出的瓦斯加以利用，就能变害为利，取得显著的经济效益，以前把瓦斯油放单纯看成是保证矿井安全生产的一种有效措施，注重的它的社会效益，而对经济效益却重视不够。本文通过放井下瓦斯抽放的系统研究，提出以矿井相对瓦斯涌出量作为反映煤层气抽入条件的综合性指标，确定了瓦斯抽效有生系数。并对瓦斯抽放成本和收益进行了分析计算，在此基础上，建立了经济评价的数学     

煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试技术及装置

针对煤矿井下大范围超前探测煤层瓦斯含量的实际需求,提出了煤矿井下煤层瓦斯含量测试密闭取心方法,设计并试制了适合于煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试的"三筒单动、球阀密闭"的密闭取心装置,装置外径89 mm,采取煤心直径可达38 mm;密闭能力达到11 MPa以上,满足于煤矿井下煤层瓦斯含量测定密闭取样要求。井下工程试验结果显示,该装置的煤层密闭取心取样深度达到360.5 m,5组密闭取心法测得的煤层瓦斯含量为常规取心法测值的1.26~3.07倍,平均2.25倍。该技术将为我国煤矿井下煤层瓦斯含量大范围精准探测、区域瓦斯治理及效果检测提供一种有效的技术手段。      

煤矿井下定向钻进工艺技术的应用

定向钻进技术以其精确控制钻孔轨迹逐渐被应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔及防治水钻孔施工中。从定向钻进技术的原理入手,以国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料,研究了定向钻进技术在煤矿井下进行瓦斯抽采、地质构造探测及防治水施工的适用条件、布孔方式和成孔原理。结果显示,定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域的应用效果显著。      

煤矿井下电磁波无线随钻轨迹测量系统设计与应用

井下钻探是煤矿日常生产中获取地质资料及消除安全隐患的技术手段。而现阶段煤矿生产中施工的钻孔多不进行钻孔轨迹测量,造成地质资料误判、安全措施客观上不到位的情况时有发生。为根本解决这一问题,根据钻孔轨迹测量原理研发出基于航姿参考系统的电磁波无线随钻轨迹测量系统。该系统具有成本低、方便应用的特点,且能满足无线随钻测量的要求。井下实验证明,该系统可以高效地完成随钻钻孔轨迹测量,提高钻进效率。      

巷道对煤层瓦斯含量的影响范围探讨

为了煤矿安全生产,许多矿建立了井下瓦斯抽放系统。为了设计瓦斯抽放最佳方案和准确预测抽放区煤层瓦斯含量的分布情况,需要进行井下瓦斯抽放数值模拟。但是,由于井下巷道的存在使模拟模型的边界条件发生了不均匀变化,要确定模拟边界就必须考虑井下巷道的影响范围问题。从数值模拟角度,利用COMET2模拟软件,针对两种不同渗透率的储层模型,通过巷道存在180 d、360 d和730 d后对煤层瓦斯含量影响情况的模拟分析,探讨了巷道对煤层瓦斯含量的影响范围,得到了一些初步认识。      

煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，根据煤矿井下坑道钻机特点，研制了一套钻机电控系统，实现了钻机远程控制、参数监测、工况判断和安全互锁等功能，并在钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究，大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性试验与现场工业性试验表明:设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上，可提高钻机自动化水平，更好地保障了施工人员和设备的安全，对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。      

灵新煤矿导水裂隙带发育高度数值模拟研究

煤矿的开采利用给国民经济发展带来巨大的收益,但也引发了许多环境地质问题,特别在煤层开采过程中,煤层上覆基岩变形破坏形成的裂隙通道极易发生矿井涌（突）水事故,时刻威胁着井下工人的生命安全。本文以灵新煤矿051505工作面为研究对象,利用Flac3D数值模拟软件,对14号主采煤层上覆基岩导水裂隙带高度进行了模拟研究。模拟结果表明：当煤层开采厚度为2.5 m时,导水裂隙带发育最大高度为59.5 m。同时选取经验公式法对导水裂隙带高度进行了计算。最终通过钻孔实测法得到的结果与前两种方法对比分析,数值模拟结果与钻孔实测结果基本吻合,认为数值模拟方法能够高效、简单、合理达到预测导水裂隙带高度的目的,也为同类矿井安全、绿色生产提供一定的借鉴。     

深部煤炭资源安全高效开发地质保障系统研究

在分析深部煤矿床就位机制和理清影响深部矿井安全高效开采各种地质因素的基础上,将深部煤矿床勘查类型划分为2类5型12亚类,讨论了不同勘查类型的地质保障任务、勘查方略与技术保障体系:新区和老矿区的深部煤炭资源勘查采取"快速扫面、筛选靶区、地面物探先行、深钻验证"方略;生产矿井深部资源勘查采取"物探先行、井下钻探验证";采区地质条件探测实施"物探先行、长钻验证";工作面地质条件探测实行"井下物探先行、长钻验证、短钻保证、巷探跟踪"。采取地面与井下结合的立体式勘查模式,优化配套勘查技术开展综合勘探,通过多手段相互补充与多成果互相验证,为深部矿井生产建设提供可靠的地质保障,是解决"有煤难采"问题的关键。      

复杂地质条件下无线电波透视技术的应用

开滦赵各庄矿地质条件极其复杂，小构造发育和煤层赋存条件差一直是困扰矿井发展的重要因素。近年来，在对无线电波透视技术不断研究的基础上，结合矿井构造和煤层赋存特点，通过对坑透仪工作参数的正确选择和采探对比，逐步形成了适合该矿实际的无线电探测、解释、采探对比系统，为矿井安全、生产提供了有效的地质保障。     

管棚帷幕注浆法在含高压气体巷道掘进中的应用研究

帷幕注浆在建井时应用于封堵地下水涌入技术已经比较成熟,但用于封堵地层中气体涌入危害仅见个别实例。在总结前人研究成果的基础上,借用水力学安全厚度的计算方法,研究了煤矿巷道开挖碰到含高压瓦斯、H2S气体构造破碎带的情况,首次将管棚支护技术与帷幕注浆法相结合,确保安全掘进的技术措施。并将研究成果应用于四川龙滩煤矿＋450回风石门的掘进,取得了成功。     

Development of a GIS-based monitoring and management system for underground coal mining safety

Coal mine safety is of paramount concern to mining industry. Mine accidents have various causes and consequences including catastrophic failure of mine, substantial economic losses and most notably loss of lives. Therefore, any initiative in mine monitoring is of vital importance for progressing safety surveillance and maintenance.This paper presents the development of a geographic information system (GIS)-based monitoring and management system for underground mine safety in three levels as constructive safety, surveillance and maintenance, and emergency. The developed model integrates the database design and management to the monitoring system implementation which encompasses query and analysis operations with the help of web and desktop applications. Interactive object-oriented graphical user interfaces (GUIs) were developed to visualize information about the entities gathered from the model and also to provide analysis operations based on the graphical representations and demonstrations using data tables and map objects.The research methodology essentially encompasses five main stages: (i) designing a conceptual database model; (ii) development of a logical model in terms of entity-relationship (ER) diagrams; (iii) development of a physical model based on physical constraints and requirements; (iv) development of GUIs and implementation of the developed model, analysis and queries; (v) verification and validation of the created model for Ömerler underground coal mine in Turkey. The proposed system is expected to be an efficient tool for improving and maintaining healthy standards in underground coal mines which can possibly be extended to a national GIS infrastructure.     

煤矿水害精准探查钻探技术

为了保证煤矿井下安全生产,对煤矿水害精准探查钻探技术进行了系统的分析与研究。针对桑树坪煤矿3110工作面230 m皮带巷道物探探测结果,对富水异常区域布设探查钻孔,采用随钻测量定向钻探技术与常规回转钻探技术相结合的钻探方法进行区域探查试验。桑树坪煤矿现场试验结果表明,精准钻探技术能通过富水区域空间位置灵活布设钻孔的方式对煤矿井下富水异常区域进行探查,同时,可以有效地推断出地质异常区域范围,避免异常富水区域突水淹井事故,确保了桑树坪矿11号煤巷道的安全掘进,为煤矿区地质异常区探测提供技术支持,为煤矿井下安全生产提供保障。     

基于煤矿“先抽后建”及资源开发的煤层气地面井位抽采部署及应用

针对目前煤矿"先抽后建"提出的安全指标及贵州黔北矿区多煤层的资源特征,同时弥补目前地面抽采部署缺乏系统性、盲区大的问题,以贵州对江南煤矿为例,进行了煤层气地面抽采井位部署研究。综合该区复杂的地形条件、煤层发育特征（层数多、厚度薄、成群分布）、煤体结构及开发部署要求,优选出分段压裂水平井为主、丛式井为辅的开发方式。沿着1、2号采掘工作面分别部署了4个水平井组和16个垂直井（丛式井）,占地7个井场。通过精细化地质模型建立、网格划分,利用CBM-SIM数值模拟软件模拟了20口井（井组）5 a地面抽采效果平均日气量可达26 036.54 m3,地面抽采5 a后1、2号工作面内M78煤层气含量降幅超过30%。模拟结果显示,对江南煤矿的精细化井位抽采部署,有效降低了采掘工作面瓦斯含量,兼顾煤矿安全生产和煤层气资源利用的双重目的。该方法可为煤层气地面抽采及煤矿井下采掘安全协同发展,提供新思路、新方法。